ESTUDO DA ADSORÇÃO DE p-XILENO SOBRE CARVÃO ATIVADO

ISBN 978-85-85905-19-4

Área

Ambiental

Autores

Costa, W.A. (UFPA) ; Silva Filho, F.G.S. (IESAM) ; Oliveira, M.S. (UFPA) ; Carvalho Jr, R.N. (UFPA) ; Martelli, M.C. (UFPA) ; Brasil, D.S.B. (UFPA)

Resumo

Os hidrocarbonetos monoaromáticos são responsáveis pela contaminação de solos e rios. O método mais utilizado para sua remoção é a adsorção por carvão ativado. O objetivo deste trabalho é elucidar através de simulações de dinâmica molecular as interações entre as estruturas moleculares do carvão ativado e as do p-xileno. O modelo de simulação foi representado por duas moléculas de carvão ativado distanciadas de 20 Å e solução aquosa de p-xileno, o qual foi submetido a aquecimento até 298 K e dinâmica molecular durante 30 ns, com método semi-empírico. Constatou-se que os grupos oxigenados presentes na estrutura do carvão ativado conferem caráter ácido e carga superficial negativa à mesma e devido a isto a adsorção tornou-se viável uma vez que o poluente assume carga positiva.

Palavras chaves

Carvão ativado; Xileno; Dinâmica molecular

Introdução

Os hidrocarbonetos monoaromáticos encontram-se entre os principais contaminantes de águas subterrâneas. Estes contaminantes tais como benzeno, tolueno e xilenos (orto-, meta- epara-) são poderosos depressores do sistema nervoso central, apresentando toxicidade crônica, mesmo em pequenas concentrações (da ordem de μg.L-1) (SILVA et al, p. 2, 2002). Dentre os vários métodos de remoção destes poluentes, a adsorção por carvão ativado é o método mais utilizado, pois apresenta uma habilidade perfeita para adsorver componentes orgânicos de baixo peso molecular, como é o caso do p-xileno (SCHNEIDER, p. 15, 2008). As simulações computacional e dinâmica de sistemas moleculares estão indubitavelmente destinadas a tornar-se um meio cada vez mais importante para a investigação das estruturas (JORGENSEN et al, p. 1, 1998). Deste modo, neste trabalho, descreve-seuma abordagem prática da modelagem molecular como umaferramenta interessante para estudar as relações estrutura-atividade do carvão ativado sob análise, principalmente no que se refere à análise do processo de adsorção de p-xileno sobre a superfície do carvão.

Material e métodos

2.1. Obtenção das Estruturas e Construção dos Modelos Moleculares O modelo assumido para a representação molecular do carvão ativado foi proposto por COSTA (p. 58, 2014) (Figura 1a). O poluente usado na simulação, por sua vez, foi o p-xileno (Figura 1b). Esse modelo foi desenhado utilizando o software Marvin Scketch e otimizado por calculo de DFT, a nível de teoria BELYP e base 6-31G pelo programa Gaussian versão 9. Os arquivos obtidos da otimização foram usados para gerar os dados de coordenadas tridimensionais, cargas, ângulos e diedros de ligação e topologia, utilizando o código Antechamber, do pacote AMBER e campo de força FF99SB. 2.2. Dinâmica Molecular Dados de diâmetro de poro, diâmetro da molécula de cada um dos poluentes e da distância entre as placas foram obtidos a partir de dados da literatura e ferramentas de modelagem molecular (LIMA et al, p. 3, 2012; RAMOS, p. 55, 2012). O pacote AMBERTOOLS versão 13 foi utilizado para construção do modelo de mesoporo e do sistema de adsorção contendo carvão e poluentes (AMBER, 2013). Em seguida, o modelo foi parametrizado e solvatado com a ferramenta tleap e submetido a cálculos de minimização, aquecimento e dinâmica molecular. Foi usado o campo de força FF99SB. A etapa de aquecimento simulou o aumento de temperatura de 0 a 25ºC e foi dividido em cinco etapas com incremento de 5ºC e 500 ps de simulação em cada etapa. A etapa de dinâmica molecular simulou o estado do sistema em instantes de 0 a 30 ns dividido em cinco etapas com incremento de 2 ns em cada. Os resultados, uma representação tridimensional das condições impostas, são imagens obtidas e renderizadas pelo programa VMD (Figura 2a).

Resultado e discussão

A Figura 2b representa o estado final da dinâmica molecular omitindo as moléculas de água, após 30 ns de cálculos. A otimização geométrica altera a geometria molecular para diminuir a energia do sistema e produz uma conformação mais estável (HYPERCHEM, p. 129, 2002; LEACH, p. 273, 2001). O modelo foi solvatado para que se tivesse a simulação de um ambiente aquoso como ocorre em sistemas de adsorção reais. A minimização de energia antes da realização da dinâmica molecular, além de levar a estrutura para um mínimo de energia, também foi feita com o intuito de remover qualquer “mau contato” criado pela solvatação (devido à dissociação iônica das moléculas de água) (RAMOS, p. 66, 2012). Grupos funcionais e elétrons deslocalizados são fatores que determinam o caráter químico (ácido ou básico) da superfície do carvão ativado, uma vez que o oxigênio pode estar presente sob várias formas. No caso da estrutura do carvão sob análise, encontram-se os grupos éter, carbonila e lactona que tornam a estrutura mais ácida, apolar e consequentemente, a mesma acaba apresentando carga superficial negativa (FERNANDES, p. 30, 2005; LOPEZ- RAMON et al, p. 1, 1999). Segundo WIBOWO et al (p. 4, 2006), carvões com poucos grupos ácidos oxigenados superficiais apresentam maior capacidade de adsorção. O caráter não polar da superfície no carvão ativado é fator preponderante na adsorção de moléculas não polares, podendo ser incrementada pela adequada modificação da natureza química da superfície do carvão (por exemplo: tratamento com ácidos) (YANG, p. 96, 2003). Devido à sua não-polaridade e por possuir um volume maior de microporos, o carvão adsorve mais fortemente as moléculas orgânicas apolares ou fracamente polares, como é o caso do p-xileno (YANG, p. 79, 2003).

Modelo tridimensional do carvão ativado proposto (a); Modelo estrutural do p-xileno (b)


Modelo com as moléculas de p-xileno inseridas (a); Modelo após 30 ns de dinâmica molecular (b)

Conclusões

Verificou-se que a estrutura de carvão utilizada apresentou boa capacidade de adsorção de p-xileno em soluções aquosas, o que se dá principalmente devido ao caráter apolar da estrutura, caracterizado pelos grupos funcionais identificados na mesma.

Agradecimentos

À UFPA, CAPES e CNPQ.

Referências

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