NANOTECNOLOGIA VERDE NA REUTILIZAÇÃO DO PÓ DE TONER NA FERRITA DE NiZn

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Ambiental

Autores

Silva, R.V.O. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Silva, U.R.L. (INSTITUTO FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Santos, E.M.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Nasar, M.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Nasar, R.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Silva, J.E.M. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE)

Resumo

A pesquisa consiste na análise do pó da ferrita Ni0,5Zn0,5Fe2O3 com adição de 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 e 0,5% em massa de pó de toner. Esses pós foram calcinados a 350ºC/3h e analisados por FRX, DRX, FTIR, MEV e Rietveld. O estudo visa investigar a reutilização do pó de toner para impedir que este material seja descartado indevidamente na natureza. Haja vista, que o pó de toner tem na sua constituição, componentes óxidos, dos quais, o principal componente a base de ferro, pode ser reutilizado, quando devidamente processado. Deste modo, as caracterizações mostraram, potencial na introdução de toner na ferrita de NiZn para desenvolvimento de componentes gerais e em dispositivos eletro- eletrônicos.

Palavras chaves

Ferrita; Citrato precursor; Rietveld

Introdução

Os nanomateriais de óxidos de metais têm propriedades únicas que permitem inúmeras aplicações e usos na indústria em geral e nos produtos de consumo (KHAN, et. al., 2012). No entanto, esses materiais representam um risco para os seres humanos, organismos aquáticos e terrestres quando descartado de forma incorreta no meio ambiente (CAÑAS, et.al., 2014). Observa-se principalmente, nessas impressoras a laser e a jato de tinta, um aumento nos níveis de contaminação ambiental (SHI,2015). Os óxidos no pó de toner, podem gerar, impactos na saúde humana, que vão desde simples desconforto, fadiga e irritação a maiores taxas de mortalidade devido a doenças respiratória e cardiovasculares (PRETON, 2010). A alta concentração de ferro no organismo dos humanos pode causar o desenvolvimento de doenças cardiovasculares (KLAASSEN,2012). Deste modo, é de interesse o desenvolvimento de pesquisas com o objetivo de reutilizar o pó, para que o mesmo não seja descartado no meio ambiente e venha poluir o solo, a água e a saúde dos seres vivos. A pesquisa trabalha em incorporar o pó de toner na ferritas em função da aplicabilidade em dispositivos magnéticos. As ferritas apresentam alta importância no desenvolvimento de diferentes equipamentos eletrônicos, tais como: radares, celulares, televisão, rádio, etc. (HORVATH,2000). A lei 12.305/2010, trata da “Política Nacional de Resíduos Sólidos”, (BRASIL,2010), da responsabilidade compartilhada: “promover o aproveitamento de resíduos sólidos, direcionando-os para a sua cadeia produtiva ou para outras cadeias produtivas;” e “reduzir a geração de resíduos sólidos, o desperdício de materiais, a poluição e os danos ambientais”. Com isso, mostra-se que devem ser feitas formas úteis para a reutilização desse material, que se descartado é prejudicial ao meio ambiente e os seres vivos. Desse modo, o presente trabalho, tem como objetivo a adição de toner, em diferentes concentrações na ferrita de NiZnFe2O3 e pesquisar sistematicamente a possibilidade de aplicação desse rejeito em artefatos tecnológicos. Devido ao parcial desconhecimento das propriedades dos materiais contidos no toner, o trabalho, mais abrangente, consistirá na constatação de propriedades da matéria úteis a várias aplicações, tanto na área de sensores, quanto no desenvolvimento de dispositivos aplicados na área eletro-eletrônica como materiais magnéticos em geral.

Material e métodos

A síntese dos citratos partiu das misturas dos nitratos de zinco, Zn(NO3)2.6H2O, VETEC, nitrato de níquel , Ni(NO3)2.6H2O; VETEC e nitrato de ferro III, Fe(NO3)2.9H2O (98% de pureza); ALDRICH e ácido cítrico anidro (C6H8O7); ISOFAR. As proporções de ácido cítrico/metal foram, respectivamente, de 3/1, para os citratos de zinco, níquel e ferro. Partiu- se da dissolução dos nitratos em 80 mL de água destilada e adicionou-se as soluções ao ácido cítrico. As soluções de nitrato e ácido cítrico, foram homogeneizadas por 1h, em um becker a 80ºC, sob agitação magnética, para a formação dos citratos metálicos. Para se atingir a composição da fórmula geral Ni0,5Zn0,5Fe2O3, os citratos foram estequiométricamente misturados. A mistura ocorreu em um becker a 80ºC por 1h, com agitação magnética. Após a síntese dos citratos, a solução foi acondicionada em uma mufla tipo EDG 3P-5, que foi aquecida a 350ºC durante 3 h em atmosfera ambiente. O pó resultante foi macerado durante 1h em almofariz de alumina e peneirado em malha 325 ABNT. O pó calcinado da ferrita foi misturado com pó de toner nas proporções de P= 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 e 0,5 % em massa. Uma das amostras permaneceu sem dopante para fim de comparação com as demais misturas. Para melhor controle foi atribuído um código às amostras, iniciando com P0 (sem dopante), P1(0,1%), P2 (0,2%), P3 (0,3%), P4 (0,4%) e P5 (0,5%), respectivamente. Os pós de toner foram misturados mecanicamente aos pós de ferrita, foi feita uma difração de raios X, DRX, em um difratrômetro da Brooker, tipo DZ PHASER, utilizando radiação Cu-Kα com comprimento de onda, λ=1,5406 Å e uso de um filtro de Ni e detector Lynxeye. O pó foi analisado por infravermelho por transformada de Fourier, FTIR, na faixa de (600-4000cm-1) em um equipamento tipo espectrofotômetro de infravermelho, modelo Iraffinity-1, da Shimadzu. O material foi caraterizado por fluorescência de raios X, FRX em equipamento Hitachi, modelo: TabletopMicroscope TM-3000. Foi feito analises por DRX, e os dados analisados em um programa tipo Rietveld, tipo Maud 2.033, para refinamento das intensidades de DRX. As microestruturas foram analisadas por microscopia eletrônica de varredura, MEV, em equipamento Hitachi, modelo: TabletopMicroscope TM-3000.

Resultado e discussão

As análises na região do infravermelho entre 4000 e 400 cm-1 da amostra do pó de toner a temperatura ambiente mostraram na faixa de 3200-2500 cm-1 corresponde ao grupo funcional O-H (quelato) onde a intensidade e fraca e a frequência é inversamente proporcional à força de ligação. Na intensidade por volta de 1.750- 1 - 740 cm-1 observa-se efeitos de conjugação de C=O de ésteres, demonstrado coerência com o trabalho, haja visto de trata-se de um material orgânico. Na faixa correspondente 1.600, 1.580, 1.500 e 1.450 cm-1 está relacionado as vibrações de núcleos aromáticos. O pó de toner apresenta bandas caraterística de material orgânico para melhor desempenho da impressão como pode ser demonstrado na banda de 1.580 cm-1 está relacionada ao grupo fenila é conjugado com insaturações ou mesmo ligado a átomos com pares de elétrons livres. A banda de 1.450 cm-1 geralmente é obscurecida e a banda de 1.500 cm-1 é normalmente mais forte. Em 1420 e 1300-1200 cm-1 de grupo C-O de ácido carboxílico onde aparecem duas bandas de deformação axial, devido ao acoplamento no plano de ligação O-H de deformação axial de C-O. Na faixa entre 1.390-1.370 cm-1 corresponde deformação angular dimetil geminal onde a banda aparece como um duplete. Entre 1.400 – 500 cm-1 corresponde bandas C-X (X = halogênio) que serão discutidos na fluorescência na tabela 1. Nas análises na região do infravermelho entre 4000 e 500 cm-1 das amostras ferrita Ni0,5Zn0,5 dopadas com pó de toner nas proporções de 0,1 (P1); 0,2 (P2); 0,3 (P3); 0,4 (P4) e 0,5 (P5) %. São observados comportamentos semelhantes para as cinco composições, embora a composições P3, P4 e P5 apresentaram intensidades menores quando comparadas as amostras P1 e P2. Na região entre 3427-3399 cm-1 encontra-se uma banda larga de absorção referente a estiramentos de grupos hidroxila (OH-) proveniente principalmente dos citratos e de moléculas de água residual adsorvidas nas cadeias carbônicas em decomposição. A presença de água é confirmada pela deformação do grupo H-O-H observada entre 1616-1589 cm-1. A absorção em aproximadamente 2337-2330 cm-1 deve-se a deformação de moléculas de CO2. O estiramento C=O do grupo carboxilato (CO2-) é observado na faixa entre 1392- 1366 cm-1, segundo (LIMA, 2006). A região do infravermelho onde comumente são observadas absorções referentes a vibrações metal-oxigênio em pós cerâmicos encontra-se na faixa de 1000 a 400 cm-1 e são usualmente caracterizados por vibrações de íons na rede do cristal. As principais faixas neste intervalo são por volta de 600 e 400 cm-1 correspondentes a estiramentos dos sítios tetraédricos e octaédricos da estrutura cristalina. Para as estruturas espinélio e as ferritas em especial o estiramento mais intenso geralmente é observado no intervalo entre 600 – 550 cm-1 e o menos intenso entre 450 – 385 cm-1, que corresponde a vibrações intrínsecas do metal nos sítios tetraédricos e octaédricos , respectivamente (LIMA 2006). A vibração no sítio tetraédrico é mais intensa do que no sítio octaédrico devido aos valores atribuídos ao comprimento de ligação mais curto nos tetraedros em relação aos octaedros (LIMA, 2011). A análise por FRX demonstra que o pó de toner é constituído, em sua maior parte, por óxido de ferro (~ 94,814% em massa), Tabela 1, sugerindo que o mesmo pode ser incorporado a ferrita de NiZn. Os resultados do DRX com o refinamento de Rietveld na Tabela 3, mostram que, na calcinação a 350ºC, ocorre a nucleação da ferrita como fase principal, e valores médio de cristalito (Tc) de 11,28 nm de acordo com a análise de Rietveld, demonstrando que as partículas nessa temperatura são nanométricas, assim como o pó de toner. As medidas mostram que nessa temperatura não há formação de fase secundária (hematita). As análises de difração de raios X pelo refinamento de Rietveld na Tabela 3 mostra 100% da fase ferrita quando incorporada o pó de toner. A introdução do pó de toner levou a uma diminuição dos óxidos de Ni e Zn na estrutura, segundo a fluorescência (Tabela 2). O material demonstra que o óxido de ferro presente no toner é incorporado a ferrita em função da concentração dos mesmos. A Tabela 3, revela que o material apresenta características de material amorfo em função do tamanho do cristalito (nanométrico) e do volume da célula unitária. Percebe-se que a incorporação foi satisfatória, haja visto que não houve formação de fase deletérica. Percebe-se na Tabela 3 que acima de 0,3% de toner na ferrita um decaimento do tamanho do cristalito e uma pequena diferença no volume da célula nessa mesma faixa. Dessa forma percebe-se que a pesquisa tem um potencial científico, haja visto que o trabalho busca entender a incorporação do toner na ferrita, para aprofundar os estudos no potencial magnético do mesmo. A microscopia eletrônica de varredura à 350ºC/3h das amostras de pó de toner puro (P0) e dopada com 0,1% (P1) do pó de toner à ferrita de Ni0,5Zn0,5 comprova o refinamento de Rietveld, como trata a Tabela 3, apesar que algumas micrografias apresentaram aglomerados como pode ser visto na Figura 2, os pós apresentaram tamanho nanométricos.

Microscopia eletrônica de varredura à 350ºC/3h das amostras de pó de toner puro (P0) e dopada com 0,1% (P1), 0,2% (P2),0,3% (P3), 0,4% (P4) e 0,5%(P5)

Conclusões

A pesquisa permite concluir que a incorporação de pó de toner foi satisfatória, haja visto que não ocorreu formação de fase deletérica com a introdução de pó de toner na Ferrita de NiZn. A incorporação de toner demonstrou que para concentrações superiores a 0,3% ocorreu um decaimento do tamanho do cristalito. Pode-se atribuir esses dados a acomodação dos íons na estrutura. O material apresenta um potencial científico, dessa forma a pesquisa, pretende trabalha com esse material em altas temperaturas para entender melhor o desempenho desse material quanto as medidas magnéticas. Haja visto que as análises, permitiram concluir, que a incorporação foi satisfatória até o momento.

Agradecimentos

Contribuição a UFRN por ceder o espaço para realização da pesquisa e ao IFRN pela material prima.

Referências

BRASIL. Lei 12.305 de 02 de agosto de 2010. Institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos; altera a Lei n. 9.605, de 12 de fevereiro de 1998; e dá outras providências. Brasília, DF: Planalto, Casa Civil, DOU 3 ago. 2010a.
CAÑAS, JACLYN & LI, SHIBIN & CANO, AMANDA & SHRESTHA, B. Metal oxide nanomaterials: Health and environmental effects. Health and Environmental Safety of Nanomaterials: Polymer Nancomposites and Other Materials Containing Nanoparticles. Researchgate. Fevereiro de 2014.
HOVARTH, M. P. Microwave applications of soft ferrites. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, V. 215-216, p. 171-183, 2 Junho, 2000.
KHAN, I., SAEED, K., KHAN, I. Nanoparticles: Properties, applications and toxicities Arabian Journal of Chemistry. 18 Maio 2017
KLAASSEN. C. D., WATKINS III, J. B. Fundamentos Em Toxicologia de Casarett e Doull – ARTMED, 2ª Ed. 2012.
LIMA, U.R. Otimização da síntese de nanoferritas de NiZn dopada com cobre e cobalto. UFRN, v.1, 2011.
LIMA, U.R. Síntese e Caracterização de Nanoferritas a base de Níquel-Zinco e Níquel-Cobre-Zinco. UFRN, v. 1.2006.
PRETON, Ltd. Environmental issues associated with toner and ink usage. Março, 2010.