ÓXIDOS DE FERRO MODIFICADOS: AVALIAÇÃO DO POTENCIAL CATALÍTICO

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Ambiental

Autores

Caetano, A.A. (UFLA) ; Moratta, T.F. (UFLA) ; Peixoto, B.B.S.C. (UFLA) ; Chagas, P.M.B. (UFLA) ; Guimarães, I.R. (UFLA)

Resumo

Neste trabalho, um novo material baseado em óxido de ferro com área superficial desenvolvida e modificado com Cu2+ foi sintetizado e aplicado na degradação do corante azul de metileno. Os materiais foram preparados através da incorporação direta dos metais no gel de quitosana seguido do seu gotejamento em uma solução de NaOH para a produção dos materiais em formato esférico. As esferas foram submetidas ao processo de envelhecimento à 60°C por 72 horas na solução de NaOH e posteriormente conduzidas a tratamento térmico, em atmosfera inerte, a 300°C por 2 horas. Os resultados demostraram que os materiais apresentam potencial para degradação da molécula de azul de metileno e que o aumento da incorporação do Cu2+ reduziu a perda de massa e a lixiviação do ferro para a solução.

Palavras chaves

POA's; Óxidos de ferro; Substituição isomórfica

Introdução

A preocupação quanto à preservação dos ecossistemas aquáticos e o aumento da rigidez das leis ambientais tem incentivado o desenvolvimento de tecnologias adequadas ao tratamento de efluentes. Os processos oxidativos avançados (POA’s) têm merecido destaque, apresentando resultados satisfatórios na remoção de diversos poluentes orgânicos (DENG; ZHAO, 2015; BAHRAM; HASANI; BAHARI, 2016; KIM; CHOI; CHOI, 2016). Dentre os POA’s, o processo Fenton (Fe2+ + H2O2) se destaca por ser um dos sistemas mais ativos na oxidação de contaminantes orgânicos em água (DENG; ZHAO, 2015). Convencionalmente, os óxidos de ferro são usados como catalisadores heterogêneos para sistema Fenton. Estudos mostram que a atividade catalítica dos óxidos de ferro é fortemente influenciada pela presença de diferentes metais na sua estrutura, que pode promover maior geração de radicais e aumentar a eficiência na oxidação de compostos orgânicos (ESTEVES et al., 2015; SANTOS et al., 2016; GOGOI et al., 2017). Recentemente, foi descoberto que o cobre desempenha papel semelhante ao ferro durante a reação Fenton. Muitos trabalhos associam os efeitos sinérgicos entre o ferro e cobre na degradação de contaminantes orgânicos através do funcionamento dos ciclos redox de Fe3+/Fe2+ e Cu2+/Cu+ na presença de H2O2 (PHAM; KIM; KO, 2018). Neste contexto, novos catalisadores bimetálicos (FeCux) foram sintetizados nanoestruturados por quitosana para aplicação em processos do tipo Fenton. A quitosana impede a etapa de crescimento dos cristais, priorizando apenas que núcleos de tamanho bastante reduzido sejam formados. Os materiais foram testados na degradação do corante azul de metileno (AM) e sua atividade catalítica avaliada e comparada ao material sem a incorporação do cobre.

Material e métodos

Os materiais foram preparados através da solubilização de 3,5 g de quitosana em 100 mL de solução do ácido acético (8% v/v), sob agitação, durante 1 hora. Em seguida, nesta solução foi introduzido 10,13 g de ferro utilizando o reagente Fe(NO3)3.9H2O (40% m/m de Fe em relação a quitosana) (CHAGAS et al., 2018). Para a produção das esferas, a mistura anteriormente preparada foi gotejada em uma solução de NaOH, gerando imediatamente a coagulação do gel em formato esférico. As esferas foram mantidas à 60°C por 72 horas na solução de NaOH e após esse processo lavadas com água destilada até a neutralização da solução. Posteriormente, as esferas foram conduzidas a tratamento térmico, em atmosfera inerte, a 300°C por 2 horas. O material preparado foi nomeado QTFe. Os materiais substituídos isomorficamente por cobre foram preparados de maneira idêntica ao material QTFe, com exceção da adição de cobre a solução de quitosana/ferro suficientes para substituição bimetálica do ferro em 5, 10 e 15% em relação à quantidade, em mol de ferro. Os teores dos elementos dopantes foram obtidos a partir do reagente CuSO4.5H2O. Os materiais preparados foram nomeados FeCu5, FeCu10 e FeCu15. Os testes de oxidação da molécula modelo de AM foram realizados utilizando 30 mg dos materiais (QTFe, FeCu5, FeCu10 e FeCu15), 0,3 mL de H2O2 35% e 29,7 mL da solução 43 mg L-1 de AM, sob agitação em banho de temperatura controlada à 40 °C). Alíquotas foram retiradas ao longo do tempo de 300 minutos e a degradação do corante AM monitorada por espectroscopia de UV- visível (λ = 665 nm). A concentração residual do corante no meio após a degradação foi calculada utilizando curva analítica do corante AM. A dosagem de ferro lixiviado foi realizada pelo método da 2,2’-Bipiridina (TEIXEIRA et

Resultado e discussão

A cinética de degradação da molécula de azul de metileno foi investigada na temperatura de 40°C e os resultados estão mostrados na Figura 1. Antes da degradação, as amostras ficaram sob agitação até atingir um equilíbrio de adsorção (nenhuma adsorção significativa, em 24 horas, foi detectável). De acordo com os resultados, nota-se que todos os materiais apresentam potencial na degradação da molécula de azul de metileno quando comparado ao controle (AM + H2O2), contudo os materiais QTFe e FeCu5 apresentaram o melhor desempenho com quase 100% de degradação do AM ao final de 300 minutos. Também foram investigados a perda de massa dos materiais e lixiviação do ferro para solução. A massa do FeCu15 se manteve a mesma após o processo de degradação com valores de perda de massa de 2, 3,1 e 6g para os materiais FeCu10, QTFe e FeCu5, respectivamente. A dosagem de lixiviação do ferro apresentou valores de 0,00008, 0,00089, 0,00733 e 0,01297 para os materiais FeCu15, FeCu10, QTFe e FeCu5, respectivamente. Os dados estão coerentes uma vez que, onde ocorre maior perda de massa há também um aumento da lixiviação do ferro. Além disso, os resultados demonstram que o aumento da incorporação do cobre reduziu a perda de massa e a lixiviação do ferro. Desta forma, é possível inferir que o aumento na degradação do AM pelos materiais QTFe e FeCu5 pode estar associado a maior perda de massa e lixiviação do ferro durante os 300 minutos de reação e que a incorporação do Cu pode ter sido benéfica uma vez que reduziu a perda de massa e a lixiviação do ferro para a solução quando comparado ao material QTFe.

Cinética de degradação do Azul de Metileno à 40°C no intervalo de 300 minutos (30 mg catalisadores + 0,3 mL de H2O2 + 29,7 mL de solução AM 43 mg L-1)

Conclusões

Os materiais propostos foram sintetizados com sucesso e aplicados na degradação da molécula de azul de metileno. O material FeCu15 apesar de não ter degradado 100%, exibiu maior estabilidade da fase heterogênea uma vez que, foi observado a ausência de perda de massa e pouca lixiviação da fase ativa para meio reacional. Este resultado configura que este material pode apresentar elevado potencial para degradação de moléculas orgânicas de forte apelo ambiental por processos Fenton.

Agradecimentos

CAPES

Referências

BAHRAM, M.; HASANI, M.; BAHARI, S. Mean centering of ratio spectra for dye degradation study in Fenton reaction. Journal of the Iranian Chemical Society, v. 13, n. 3, p.449-455, 2016.

CHAGAS P. M. B. et al. Nanostructured oxide stabilized by chitosan: hybrid composite as an adsorbent for the removal of chromium (VI). Journal Of Environmental Chemical Enginneering, 2018.

DENG, Yang; ZHAO, Renzun. Advanced oxidation processes (AOPs) in wastewater treatment. Current Pollution Reports, v. 1, n. 3, p. 167-176, 2015.

ESTEVES, L. C. R. et al. A fast and environment-friendly method for determination of chemical oxygen demand by using the heterogeneous Fenton-like process (H2O2/Fe3-xCoxO4 nanoparticles) as an oxidant. Talanta, v. 135, p. 75-80, Apr 2015.

GOGOI, A. et al. Fe3O4-CeO2 metal oxide nanocomposite as a Fenton-like heterogeneous catalyst for degradation of catechol. Chemical Engineering Journal, v. 311, p. 153-162, Mar 2017.

KIM, S. P.; CHOI, M. Y.; CHOI, H. C. Photocatalytic activity of SnO2 nanoparticles in methylene blue degradation. Materials Research Bulletin, v. 74, p. 85-89, 2016.

PHAM, V.; KIM, D.; KO, S. Oxidative degradation of the antibiotic oxytetracycline by Cu@ Fe3O4 core-shell nanoparticles. The Science of the total environment, v. 631, p. 608-618, 2018.

SANTOS, P. L. et al. Copper-doped akaganeite: Application in catalytic Cupro-Fenton reactions for oxidation of methylene blue. Journal of Molecular Catalysis a-Chemical, v. 424, p. 194-202, Dec 2016.

TEIXEIRA, L. S. G. et al. Determinação espectrofotométrica simultânea de cobre e ferro em álcool etílico combustível com reagentes derivados da ferroína. Química Nova, Vol. 29, p. 741-745, 2006.