Preparação e caracterização de adsorventes para a remoção de surfactantes aniônicos em águas residuárias

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaA preparação de adsorventes economicamente viáveis a partir de precursores oriundos de resíduos de processos industriais tem sido avaliada em diversas pesquisas, no intuito de otimizar o processo de adsorção, o qual é considerado um método promissor devido elevada eficiência para remoção de contaminantes em águas de abastecimento e efluentes. Do ponto de vista ambiental, o uso de resíduos industriais para produção de adsorventes aplicados no tratamento de efluente pode apontar para o conceito de resíduo zero e aumentar a sustentabilidade da indústria química. No presente trabalho, os resíduos da avicultura foram utilizados como precursores para produção de carvões ativados quimicamente com ácido fosfórico, analisando-se a influência dos parâmetros de processo de produção de carvão ativado (temperatura de carbonização, concentração de ácido fosfórico e tempo de ativação) na qualidade do carvão ativado. Os materiais foram caracterizados através da determinação da área superficial BET, microscopia de varredura eletrônica (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS). As condições de ativação de 1 hora a 600 ºC, utilizando-se a razão mássica H3PO4:H2O igual 1:1 resultaram em carvões com área superficial BET de 664 m2.g-1, volume de mesoporos de 0,868 cm3.g-1 e número de iodo igual a 478 mgI2.g-1. Os carvões ativados nesta condição foram utilizados para a remoção de surfactantes aniônicos em efluentes líquidos agroindustriais. A cinética de adsorção foi determinada experimentalmente e os modelos comparados aos modelos matemáticos de pseudoprimeira ordem, pseudossegunda ordem e difusão intrapartícula foram ajustados aos dados experimentais, sendo que o modelo de pseudossegunda ordem descreveu mais adequadamente a cinética de adsorção, com k2 = 0,019 g.mg-1.min-1 e qe = 0,575 mg.g-1. A capacidade de adsorção de surfactantes aniônicos no equilíbrio obedeceu o modelo de adsorção de Freundlich com KF = 0,519 ((mg.g-1).(L.mg-1)1/n), sendo definida como uma adsorção favorável.The preparation of adsorbents economically feasible from precursors derived of industrial processes waste, has been evaluated in several researches in order to optimize the adsorption process, which is considered a promising method due to high-efficiency to removal of contaminants in water supply and wastewater. From an environmental viewpoint, the use of industrial wastes for the production of adsorbents used in the treatment of wastewater can point to the concept of waste zero and increase the sustainability of the chemical industry. In this study, the poultry waste were used as precursors for the production of chemically activated carbons with phosphoric acid, analyzing the influence of process parameters for production of activated carbon (carbonization temperature, concentration of phosphoric acid and activation time) in the quality of activated carbon. The material was characterized by determination of BET surface area, scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The conditions of activation for 1 hour at 600 ºC, using a weight ratio H3PO4:H2O equal 1:1 resulted in carbons with BET surface area of 664 m2.g-1, mesoporous volume of 0.868 cm3.g-1 and iodine number equal to 478 mgI2.g-1. The carbons activated in these conditions were used to removal anionic surfactants in poultry wastewater. The adsorption kinetic was determined for experimental data and the mathematical models of pseudo first order, pseudo second order and intraparticle diffusion were adjusted to these experimental data and the pseudo second order model described better the adsorption kinetic, with k2 = 0,019 g.mg-1.min-1 and qe = 0,575 mg.g-1. The adsorption capacity of anionic surfactants at the equilibrium obey the Freundlich model of adsorption with KF = 0,519 ((mg.g-1).(L.mg-1)1/n), being defined as a favorable adsorption

Photocatalytic Adsorbents Nanoparticles

Photocatalysis and high adsorption coupling in a same nanoparticle have been emerged as a prominent class of cost-effective materials to degrade recalcitrant contaminants in wastewater. α-Hematite, metal-organic frameworks and TiO2 nanocomposites have been investigated due to their features that overcome the other conventional photocatalysts and adsorbents to remove contaminants in aqueous medium. Several methods are applied to synthesize these nanostructures with different properties and physicochemical features and a brief review is shown to these well-established techniques to provide an understanding for the construction and application of these advanced materials

Lanthanides Effects on TiO2 Photocatalysts

Semiconductors have been evaluated to heterogeneous photocatalysis degradation of recalcitrant contaminants in aqueous media due to the capacity of mineralizing these compounds under UV or visible light irradiation. However, this process has the inherent feature of photogenerated charges recombination and the high bandgap energy of the electronic structure of some semiconductors that can reduce the formation of reactive oxygen species, which are responsible for the compound degradation. In this context, structural modifications in semiconductors have been proposed to enhance the photocatalytic activity, such as doping processes with elements that are capable of generating superficial defects that capture the formed electrons, avoiding the recombination, or increasing the density of –OH groups or water molecules on the surface of the catalyst, which can enhance the formation of hydroxyl radicals. Therefore, this brief review is proposed to show the role of lanthanides in the TiO2 doping and the synthesis method applied, as well as the results discussed in the literature

Reciclagem de resíduos têxteis: uma revisão: Textile waste recycling: a review

A área têxtil tem uma parcela significativa nas indústrias, com etapas de processos que vão desde a cultura da fibra, fiação, tecelagem, enobrecimento e beneficiamento, até a confecção dos produtos têxteis, esses utilizados para desenvolvimentos de produtos de todos tipos. Essas indústrias geram significativa quantidade de resíduos durante o processo produtivo, mas na confecção está a problemática das sobras de tecidos, com produção global estimada em torno de 150 milhões de toneladas por ano, sendo 85% desses, destinados de forma incorreta. Diante desse problema, é iminente repensar esses resíduos, transformando-os a partir de algum método de reciclagem ou de reaproveitamento, utilizando-os como matéria prima para outros processos. As soluções usuais para os resíduos têxteis é a destinação como desfibrados para serem utilizados como isolantes térmicos ou acústicos na indústria da construção civil e para enchimentos de artefatos como almofadas, por exemplo. Isto decorre da dificuldade de encontrar meios adequados de separação das misturas de fibras já que as composições dos tecidos usualmente são mistas. O objetivo deste trabalho foi apresentar estudos sobre reciclagem de tecidos por meios químicos e mecânicos, por meio de estudos da literatura.  A metodologia usada nesta pesquisa foi RSL - Revisão sistemática de literatura, em que foram selecionados trabalhos que abordaram a reciclagem de material têxtil. O panorama atualizado destas informações pode contribuir para novos esforços direcionados à reciclagem têxtil. Os resultados obtidos dão conta de um esforço contínuo, com destaque às questões de reciclagem química em tecidos mistos, grande impedimento para processos simplificados de reciclagem. Têm-se muitas iniciativas interessantes e promissoras a serem avaliadas

Dopagem de nanopartículas de TiO2 com terras raras via ultrassom e funcionalização com carboximetil-ß-ciclodextrina para fotocatálise heterogênea

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2017.A aplicação de semicondutores na degradação de contaminantes recalcitrantes em meios aquosos tem sido avaliada devido a sua capacidade de mineralizar estes compostos através da fotocatálise heterogênea. Todavia, este processo tem como característica inerente a recombinação das cargas fotogeradas e a elevada energia de band gap da estrutura eletrônica de alguns semicondutores, o que pode reduzir a eficiência de formação das espécies reativas de oxigênio, as quais são responsáveis pela degradação dos contaminantes. Pesquisas que propõem alternativas de aumento na eficiência da formação destes radicais são de suma importância, destacando-se processos de dopagem com elementos que sejam capazes de gerar defeitos superficiais que capturem os elétrons formados, evitando a recombinação, ou possam aumentar a densidade de grupos OH ou de moléculas de água ligadas à superfície do catalisador, potencializando a formação de radicais hidroxila. Além disso, a funcionalização destes semicondutores com moléculas como a ß-ciclodextrina também surge como uma alternativa para o aumento na eficiência de degradação de contaminantes, uma vez que estas possuem como característica a captura de compostos orgânicos, aumentando a densidade destes na superfície do catalisador e aproximando-os dos radicais hidroxila. Neste contexto, este trabalho avaliou a dopagem do semicondutor dióxido de titânio com lantânio e samário através de processo ultrassônico, determinando-se a concentração adequada destes dopantes, bem como analisou a concomitante funcionalização deste fotocalisador dopado com lantânio através do emprego da carboximetil-ß-ciclodextrina, tendo como principal objetivo otimizar a eficiência fotocatalítica na degradação do azul de metileno e do propranolol devido à agregação das características inerentes aos dois compostos em um único fotocatalisador. A partir dos resultados obtidos através das caracterizações, das cinéticas e da análise das espécies reativas de oxigênio (ERO) é possível propor que o aumento da atividade fotocatalítica das nanopartículas de TiO2, dopadas e funcionalizadas, é inerente à formação de defeitos e a maior densidade de grupos OH e H2O ao invés de uma redução na energia de band gap. As caracterizações também permitiram avaliar que a dopagem via ultrassom, seguida de calcinação a 773 K, não afeta a composição das fases anatase e rutilo do TiO2 nem sua estrutura cristalina, conduzindo à proposição de um mecanismo de adsorção dos lantanídeos na superfície das nanopartículas do semicondutor que ratifica a hipótese adotada para explicar uma melhoria nas respostas cinéticas.Abstract : The application of catalytic semiconductor materials in the degradation processes of recalcitrant contaminants in aqueous media has been evaluated as important and efficient methods to mineralize these compounds through heterogeneous photocatalytic mechanisms. During photocatalytic processes it is common to occur the recombine photogenerated electronic charges and to have semiconductor materials with electronic structures with high band gap energy. These characteristics can to reduce the efficiency of formation of oxygen specimens on the surface of semiconductor materials and decrease the efficiency of the photocatalytic degradation processes. There are some scientific studies aimed at increasing the formation of reactive specimens on semiconductor surfaces and improving the efficiency of photodegradation processes. In this sense, the doping processes of the semiconductor materials have been an efficient strategy to generate defects in the surfaces of the materials. These defects act as active sites that capture the electrons and prevent recombination events or increase the density of hydroxyl groups and increase the amount of water molecules bound on the surface of photocatalytic materials. All these mechanisms increases the efficiency of the photodegradation processes. Another interesting and recent strategy is the functionalization of the surfaces of semiconductor materials with ß-cyclodextrin molecules. These molecules are very efficient in capturing organic compounds and can increase their density on the surface of the photocatalyst material and promote the increased efficiency of the photodegradation processes of these organic compounds. In this study, titanium dioxide semiconductor nanoparticles were doped with lanthanum and samarium specimens by the ultrasonic process. The doped nanoparticles were functionalized with carboxymethyl-ß-cyclodextrin molecules with the main objective of improving photodegradation properties. The photodegradation properties were evaluated by the ability of the semiconductor materials to photodegradate the methylene blue molecules and the propranolol molecules. From the characterization and ROS kinetic results it is also possible to propose that the photocatalytic activity increase is inherent to the defects formation, oxygen vacancies presence and surface OH and H2O enhance rather than band gap energy reduction. The characterizations make possible to propose a mechanism of lanthanides adsorption at the semiconductor nanoparticles surface, that ratifies the hypothesis adopted to explain the increase of photocatalytic response

Lanthanum doped titania decorated with silver plasmonic nanoparticles with enhanced photocatalytic activity under UV-visible light

Lanthanum doped titanium dioxide decorated with silver plasmonic nanoparticles (Ag-La/TiO2 NPs) materials were prepared using a simple ultrasound-assisted wet impregnation method followed by silver photodeposition. The obtained photocatalysts with different Ag contents were characterized by XRD, FE-SEM, EDX, TEM, BET, XPS, DRS and PL techniques. Moreover, the size distribution of the nanoparticles aggregates was assessed. The characterization analysis revealed that La doping slightly changed the crystalline phase of TiO2, increased the amount of surface hydroxyl groups and interacted with TiO2 nanoparticles via Ti–O–La bond, while Ag photodeposition enhanced the absorption of visible light due to the effects of localized surface plamon resonance and significantly decreased electronic recombination rate by the Schottky junction. Furthermore, the combination of Ag-La induced the formation of oxygen vacancies, which increased the amount of adsorbed surface hydroxyl groups in Ag-La/TiO2. In addition, Ag-La possibly decreased the semiconductor surface energy, which acted positively in the reduction of NPs aggregation. These features along with better textural properties (greater surface areas) played a fundamental role in the enhancement of the photocatalytic activity of Ag-La/TiO2 composites for the decolorization of methylene blue under UV-visible irradiation compared to the mono-metallic (La/TiO2 and Ag/TiO2) modified photocatalysts. Finally, a mechanism for the transfer of charge carriers in Ag-La/TiO2 photocatalyst under UV-visible irradiation was proposed

AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE ADSORTIVA DE CARVÃO ATIVADO QUIMICAMENTE A PARTIR DE CASCA DE BANANA

A presença de corantes em corpos hídricos tem proporcionado efeitos indesejáveis à biota aquática e à saúde humana, sendo imprescindível a remoção dos mesmos através de tecnologias como a adsorção por carvão ativado. Neste trabalho o carvão ativado foi produzido a partir da casca de banana, sendo avaliada a sua eficiência como precursor de um adsorvente para a remoção do azul de metileno. O carvão foi preparado por duas rotas distintas, a ativação química, com uma solução aquosa de ácido fosfórico 1:1 e carbonização por 2 horas a 600 °C, e a carbonização por 2 horas a 400 °C.  As cinéticas demonstraram que o modelo de pseudossegunda ordem adequou-se aos dados experimentais, por apresentar a menor difrença entre a quantidade adsorvida calculada e a experimental. A amostra submetida à ativação química apresentou uma capacidade adsortiva no equilíbrio de 6,89 mg.g-1, enquanto a amostra carbonizada atingiu 8,36 mg.g-1. A isoterma de Freundlich apresentou melhor ajuste aos dados para a amostra ativada, com a constante Kf = 107,168 ((mg.g-1).(L.mg-1)1/n), enquanto a isoterma de Langmuir representou melhor a amostra carbonizada, com K = 0,038 L.mg-1. Os resultados demonstraram que os carvões obtidos com ambas  rotas avaliadas são eficientes na remoção de corantes catiônicos

Avaliação da capacidade adsortiva de carvão ativado quimicamente a partir de casca de banana.

A presença de corantes em corpos hídricos tem proporcionado efeitos indesejáveis à biota aquática e à saúde humana, sendo imprescindível a remoção dos mesmos através de tecnologias como a adsorção por carvão ativado. Neste trabalho o carvão ativado foi produzido a partir da casca de banana, sendo avaliada a sua eficiência como precursor de um adsorvente para a remoção do azul de metileno. O carvão foi preparado por duas rotas distintas, a ativação química, com uma solução aquosa de ácido fosfórico 1:1 e carbonização por 2 horas a 600 °C, e a carbonização por 2 horas a 400 °C. As cinéticas demonstraram que o modelo de pseudossegunda ordem adequou-se aos dados experimentais, por apresentar a menor difrença entre a quantidade adsorvida calculada e a experimental. A amostra submetida à ativação química apresentou uma capacidade adsortiva no equilíbrio de 6,89 mg.g-1, enquanto a amostra carbonizada atingiu 8,36 mg.g-1. A isoterma de Freundlich apresentou melhor ajuste aos dados para a amostra ativada, com a constante Kf = 107,168 ((mg.g-1).(L.mg-1)1/n), enquanto a isoterma de Langmuir representou melhor a amostra carbonizada, com K = 0,038 L.mg-1. Os resultados demonstraram que os carvões obtidos com ambas rotas avaliadas são eficientes na remoção de corantes catiônicos