Autores
Batista, M.C.B. (INSTITUTO FEDERAL DE GOIÁS - CAMPUS INHUMAS) ; Braga, E.A.F. (INSTITUTO FEDERAL DE GOIÁS - CAMPUS INHUMAS) ; Silva, T.F.P. (INSTITUTO FEDERAL DE GOIÁS - CAMPUS INHUMAS) ; Silva, J.S. (INSTITUTO FEDERAL DE GOIÁS - CAMPUS INHUMAS) ; Fógia, M.P.S.A. (INSTITUTO FEDERAL DE GOIÁS - CAMPUS INHUMAS)
Resumo
Neste trabalho visou-se a produção de sílica, a partir de um subproduto da
agricultura, a casca de arroz, e sua modificação química, através da etapa de
sililação, usando o 3-aminopropiltrimetoxisilano. Os pós híbridos foram
caracterizados por espectroscopia do Infravermelho, Termogravimetria, e por
Difração de raios-X. Finalmente, tem-se o processo de adsorção das soluções
contendo o corante alimentício amarelo de tartrazina com os pós híbridos
obtidos. O material produzido com o APTES, apresentou um rendimento de adsorção
de 94 % em 12 horas de reação, enquanto o SiAr 16 % no mesmo intervalo de tempo.
Com este estudo foi tornar mais acessível e mais barato o tratamento dos
efluentes dos mais variados ramos da indústria química, usando como matéria
prima um subproduto da agricultura.
Palavras chaves
Adsorção; Sililação; Corantes
Introdução
A produção de resíduos na agroindústria tem causado grande preocupação nos
últimos anos, visto que seu descarte vem desencadeando diversos problemas
ambientais, como a poluição do solo, de mananciais e até mesmo do ar. Dentre os
resíduos agrícolas, destacamos neste projeto a casca de arroz, produzida durante
o seu beneficiamento, apresentando cerca de 23% do peso do arroz. Esta casca
possui alta dureza, fibrosidade, natureza abrasiva, baixa propriedade nutritiva,
boa resistência e muita cinza na sua queima. Uma grande quantidade desta casca é
reaproveitada dentro da própria usina de beneficiamento do arroz onde, a partir
da sua combustão, é gerado calor para a parbolização dos grãos. Como resíduo
desta combustão, é produzida a cinza de casca de arroz, que possui um elevado
teor de sílica (SiO2) ou dióxido de silício (SILVA e SANTOS, 2019).
A sílica gel é um polímero inorgânico inerte, resistente, amorfo, com alta
porosidade, que possui muitas aplicações tecnológicas, tais como a fabricação de
vidros, cerâmicas, isolantes térmicos e silicones (GREENWOOD et al., 2002). A
presença de grupos silanóis (Si-OH) em sua superfície permite sua modificação
química, no sentido de produzir novos materiais com aplicações tecnológicas
diversas. A sílica desempenha um papel importante na função de suporte para uma
grande gama de substâncias e sua modificação permite a obtenção de compostos de
maior versatilidade e com propriedades específicas, relacionadas às espécies
ligadas à sua superfície (GUPTA et al., 2010). Entre suas diversas
aplicabilidades pode-se destacar a capacidade de troca catiônica (GUSHIKEM et
al., 2002) a quelação de espécies (PRADO et al, 2001), adsorção de
pesticidas (AIROLDI et al., 2001) e a catálise (NASSAR et al., 2002).
A sílica apresenta-se em unidades tetraédricas de SiO4 distribuídas
aleatoriamente e unidas em seu interior por pontes de siloxanos Si-O-Si, e
contém grupos silanóis vicinais, Si-OH, e geminais, HO-Si-OH, dispersos na
superfície, os quais são sensíveis às reações que possibilitam as modificações
químicas desta matriz (PRADO et al., 2005).
O método mais comum de modificação da sílica com grupos orgânicos pendentes
está baseado na reação dos grupos silanóis com agentes sililantes, como o 3-
aminopropiltrimetoxisilano. Estes compostos possuem estrutural geral (RO)3SiY,
onde Y é a cadeia carbônica contendo o grupo funcional desejado (ALCANTARA et
al., 2007) (SANKAR et al., 2019). Este processo denominado de sililação
refere-se à fixação do agente modificador ao suporte obtendo-se um composto
organofuncionalizado, ou seja, um híbrido orgânico-inorgânico com a finalidade
unir em um só material as propriedades químicas do organossilano imobilizado
covalentemente ao suporte, com a resistência mecânica e estabilidade térmica do
óxido, com as caracteristicas adosrventes do agente sililante.
Uma grande aplicação destes materiais é em adsorção de corantes, o que contribui
para a despoluição ambiental. Corantes em água são facilmente visíveis e podem
ser tóxicos, além de prejudicial tanto na vida aquática quanto ao seres humanos
(MICHAELSEN et al., 2019). Portanto, a remoção dos corantes das águas torna-se
de importância fundamental para o meio ambiente. Por outro lado, a produção da
matriz utilizada, a sílica, será obtida a partir da queima da casca de arroz, um
subproduto da agricultra, contribuindo ainda mais com a preservação do meio
ambiente.
Nesta perspectiva, este trabalho tem como objetivo a obtenção, cracterização e
modificação química da SiO2 obtida da casca de arroz e seu uso na remoção de
corante alimentício, o amarelo de tartrazina, em um híbrido orgânico-inorgânico
de sílica gel.
Material e métodos
2.1 - Obtenção da Sílica a partir do casca de arroz
A sílica foi obtida por meio da calcinação da casca de arroz. Inicialmente, 20 g
da casca de arroz passou por um pré-tratamento químico em solução básica de NaOH
(2,0 mol.L-1) para a retirada de matéria orgânica e impurezas presentes na
estrutura das cascas. Em seguida, a casca foi lavada com água destilada várias
vezes para garantir sua limpeza e eliminação do excesso de NaOH. Finalmente, a
casca de arroz foi calcinada em mufla à temperatura de 600 ºC/24 h e esse
material denominado SiAr.
2.2 - Modificação da superfície da sílica
Para modificação da SiAr foram aferidas 15,0 g de cinza, posteriormente levada
para aquecimento à estufa na temperatura de 120OC por 24h, para retirar as
moléculas de água de hidratação presente no material, afim de ativar os grupos
Si-OH. Após o tratamento térmico, a SiAr foi suspensa em 50,0 mL de tolueno, com
10 mL de APTES. Esta suspensão ficou sob agitação magnética por 48 h, a 60oC sob
refluxo. A solução resultante foi filtrada e lavada diversas vezes com etanol e
água. O material obtido, foi denominado de SiArN, e foi seco em estufa a 900C
por 12h.
2.3 - Caracterização das cinzas obtidas: SiAr e SiArN
Para confirmar a formação da SiO2 na cinza da casca de arroz, analisar seu grau
de cristalinidade, ligações químicas formadas e fases por ventura formadas
utilizou-se as técnicas de difração de raios-X (DRX), espectroscopia na região
infravermelho (FT-IR) e termogravimetria (TG).
2.4 - Adsorção dos corantes
O processo de adsorção foi realizado em uma série de amostras, sendo estas na
forma de pós, onde cerca de 50 mg das cinzas de SiAr e SiArN foram suspensas em
50,0 mL de solução aquosa contendo o corante AT. Estas soluções do corante
tinham concentração da 30 ppm e permaneceram sob agitação constante a 25°C/12 h
nesta batelada. A quantidade adsorvida do corante foi determinada na região do
UV-visível, utilizando um espectrofotômetro BEL-Engineering modelo UV-M51, onde
todas as amostras foram analisadas em triplicata. A porcentagem de remoção do
corante foi calculada pela Equação 1 abaixo:
Remoção (%) = Ci - Ce x 100 (1)
Ci
sendo: Ci e Ce são as concentrações iniciais e no equilíbrio do corante,
respectivamente.
Resultado e discussão
O teor de sílica presente na casca de arroz depende de vários fatores, dentre
eles o tipo do solo. Quanto maior a acidez do solo, maior é o teor de sílica
bio-acumulada nos tecidos vegetais. Nas cascas analisadas tivemos um rendimento
de cerca de 34% em peso na queima das cinzas, na Figura 2 tem-se as imagens da
matéria prima (Figuara 2a) e a sílica produzida após a calcinação a temperatura
de 600°/24h .
Foram empregadas as técnicas de difratometria de raios-X (DRX),
termogravimetria (TG)e espectroscopia no infravermelho (FT-IR), para análise
estrutural e de composição das cinzas obtidas pela queima da casca do arroz e
dos pós híbridos obtidos após sua posterior sililação. No difratograma de raios-
X apresentado, pode-se observar a presença de um halo característico de material
amorfo, entre os ângulos de 15,00 e 35,00, para a casca de arroz tratada na
condição de 600ºC/24h, com máximo do halo em 22,50 de 2θ (LIMA et al., 2011).
Para a obtenção da amostra de SiArN, a sílica ativada termicamente ficou em
reação a temperatura de refluxo com o APTES, afim de incorporar na sua
superfície grupos amino (-NH3) básicos, possibilitada pela substituição dos
grupos OH existentes na superfície da sílica. Os espectros de infravermelho,
indicam o sucesso da reação de funcionalização realizada neste processo.
Observando os espectros obtidos de SiAr e SiArN, em ambos espectros tem-se a
presença dos picos característicos da estrutura da sílica, tais como: i) uma
banda larga entre 3750 a 3000 cm-1, a qual é atribuída ao estiramento O-H dos
grupos silanois e, também, à água remanescente adsorvida; ii) dois picos
intensos relacionado aos estiramentos assimétricos dos grupos siloxanos (as Si-
O-Si) em 1200 e 1100 cm-1; iii) uma banda relacionada ao estiramento silanol Si-
OH em 900 cm-1; iv) uma banda em 920 cm-1, atribuída ao estiramento simétrico
dos grupos siloxanos (s Si-O-Si); v) um pico relacionado à vibração ( O-Si-O)
em 480 cm-1, sendo possível observar na região entre 400-800 cm-1, as bandas
atribuídas às ligações metal-oxigênio (O-Si-O), e em vi) uma banda em torno de
1650 cm-1, atribuída às vibrações angulares das moléculas de água. No entanto, a
sílica SiArN apresenta um pico característico em 2950 cm-1, relacionado ao
estiramento C-H de carbono tetraédrico, o qual confirma o ancoramento da
molécula de APTES na superfície da SiAr (FARIA et al, 2008). Os espectros de
infravermelho corroboram com o dado obtido por DRX, evidenciando a formação da
sílica, porém, em forma amorfa.
O comportamento temogravimétrico das cinzas de SiAr e SiArN apresenta para
amostra de SiAr duas pequenas pedas de massa, a primeira equivalente a 1% de
massa que ocorre entre 27oC a 150,3oC, atribuída a evaporação de água
fisicamente adsorvida na superfície da sílica e a outra correspondente a 2,3%
entre 239 oC a 607 oC, esta perda é referente a condensação dos grupos silanóis.
Na curva TG da SiArN , percebe-se uma perda de massa mais acentuada, que também
ocorre em dois estágios, a primeira equivlente a 3%, entre 30oC a 126oC,
relacionada a perda de água como já mencionada e a segunda entre 310oC e 579oC,
equivalente a aproximadamente 4% de perda de massa, relacionada a decomposição
dos gurpos orgânicos presentes (que evidenciam a eficiência da sililação) e às
condensação dos grupos silanóis.
Os ensaios de adsorção realizados em batelada, foram realizados com os
dois materiais, a SiAr e a SiArN, com um tempo máximo de 12 horas em agitação
constante, em temperatura ambiente e pH neutro. Os resultados das adsorções dos
materiais com o corante amarelo de tartrazina, nas Figuras 1 (a e c) temos as
absorbâncias em relação ao tempo de agitação das amostras e nos gráficos (b e d)
temos os rendimentos em porcentagem das adsorções pelo tempo de reação. A
amostra de SiArA (Figura 1 a e b) não apresentou muita eficiência na adsorção do
corante, onde apenas cerca de 16 % deste foi adsorvida pela cinza em 12 horas de
reação (Figura b). Já para a SiArN (Figura 1 c e d), teve-se um grau de remoção
de 94,2 % do corante, para o mesmo tempo em reação de adsorção (Figura 1 d).
Esta diferença na adsorção se deve à modificação química da sílica com a
incorporação do grupo amino, que melhora a capacidade de adsorção do material.
Espectros de UV-Vis e porcentagem de adsorções para o SiAr (a/b) e para o SiArN(c/d), com o corante amarelo de tartrazina.
Conclusões
Neste projeto, foi possível sintetizar a sílica amorfa a partit da casca de
arroz, o difratograma de raios-X característico de material amorfo comprova a
obtenção da mesma. A de sililação foi capaz de promover a incorporaç~o dos grupos
amino na superfície da mesma, conforme análises de FTIR e TG. Esta modificação
química em sua estrutura mostrou -se bastante eficiente em estudos de adsorção
para o corante alimentício amarelo de tartrazina. O máximo de remoção do corante
chegou a 94,2% em 12 horas de reação. Vale lembrar, que os resultados obtidos são
satisfatórios, principalmente se levarmos em consideração que foi utilizado um
subproduto da agricultura como matriz para obtenção da sílica, contribuindo assim
para a presevação do meio ambiente, e a diminuição dos resíduos agrícolas.
Agradecimentos
Programa de apoio à produtividade em pesquisa (PROAPP -Edital nº 12/2020)
Núcleo de Pesquisa NuQMMA
Referências
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