Estudo da síntese de nanopartículas de magnetita por diferentes rotas de síntese para aplicação em tratamento de água

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Materiais

Autores

Santos, S.N. (IF GOIANO) ; Miranda, L.C. (IF GOIANO) ; Castro, T.J. (IFB) ; Silva, V.A. (IF GOIANO) ; Coaquira, J.A.H. (UNB) ; Fernandes, I.L. (IF GOIANO / UNB)

Resumo

Novas tecnologias que sejam sustentáveis devem também ser eficientes e de baixo de custo, principalmente para se incorporarem as tecnologias convencionais. A associação de nanopartículas magnéticas (NPM) aos processos oxidativos avançados (POAs) tende a tornar as tecnologias de purificação de água mais promissoras no que se refere à degradação de espécies persistentes. O desenvolvimento de núcleos magnéticos faz-se um desafio para aplicação real de NPM com POAs. As sínteses das NPM de magnetita foram realizadas por dois métodos com processos diferentes de secagem. Caracterizou-se quanto ao diâmetro hidrodinâmico (HD), índice de polidispersão (PDI) e difração de raios-x (DRX). Os métodos apresentaram diferenças significativas em relação ao PDI e HD. A DRX indicou magnetita sem outras fases.

Palavras chaves

CO-PRECIPITAÇÃO; SOLVOTERMAL; Fe[sub]3[/sub]O[sub]4

Introdução

Aumentar a eficiência dos sistemas de tratamento de água é uma vertente de atenção crescente, principalmente com a alta escassez de água e com a diversidade de contaminantes cada vez mais persistentes. O desenvolvimento de novos materiais, em especial dos nanoestruturados, vem sendo objeto de intenso estudo, principalmente desde a National Nanotechnology Initiative - NNI do ano 2000. As nanoparticulas magnéticas (NPM) apresentam destaques especiais, primordialmente a magnetita, um óxido de ferro de valência mista (FeO.Fe₂O₃ ou Fe₃O₄) com estrutura cúbica de espinélio inverso. Blaney (2007) cita as principais aplicações potenciais para a magnetita: alto gradiente de separação magnética, característica essencialmente aproveitada no campo da engenharia ambiental; excelente contrastante utilizado em ressonância magnética; atuação em sistemas de entrega controlada de medicamentos (Drug Delivery). Reddy et al. (2012) reforçam que devido a sua alta biocompatibilidade e alta biodegradabilidade as NPM de magnetita têm ganhado atenção especial inclusive no campo farmacêutico. Silva et al. (2015) fazem um compilado de aplicações de NPM como adsorventes e fotocatalisadores para remoção de poluentes em água residuais. Gómez- Pastora et al. (2017) citam que a adição de NPM às tecnologias convencionais de tratamento tornam os processos potencialmente eficientes, econômicos além de se tornarem ambientalmente amigáveis, visto que a separação dessas espécies pode ocorrer aplicando-se um campo magnético. O objetivo desse trabalho foi selecionar o melhor método de síntese de NPM de magnetita para aplicação como nanofotocatalisadores do tipo Fe₃O₄@TiO₂ core-shell visando degradação de composto.

Material e métodos

As sínteses por co-precipação empregadas foram modificações das metodologias de Behrad et al. (2015) e de Berger et al. (1999). Para a co-precitação 01 (CP01) transferiu-se gota a gota 2,0.10^-3 mol de Fe⁺² e 4,0.10^-3 mol de Fe⁺³ diluídos em 6 mL à 50 mL de NH₄OH 0,1 M. Seguiu-se com agitação por 25 min. e lavagem com água UP e etanol. Em co-precipitação 02 (CP02) transferiu-se gota a gota 50 mL de NH₄OH 0,1 M à 6 mL de solução contendo 2,0.10^-3 mol de Fe⁺² e 4,0.10^-3 mol de Fe⁺³. Seguiu-se com agitação por 25 min. e lavagem com água UP e etanol. O produto de CP02 foi fracionado e parte foi funcionalizado com 2,5.10^-2 mol de citrato de sódio dihidratado (CP02C) dissolvido em 50 mL, seguiu-se com agitação por 6 horas e lavagem com água UP e acetona. A síntese por rota solvotermal (ST01) foi uma modificação de Zhang et al. (2016), 0,01 mol de Fe⁺³ foram dissolvidos em 80 mL de etilenoglicol, adicionou-se 2,0 g de polietilenoglicol 10.000 (PEG) e 0,05 mol de acetato de sódio trihidratado. A dispersão foi levada à 200 °C por 12 h em reator fechado (autoclave com copo de teflon) e em seguida o produto foi lavado com água UP e etanol até pH neutro. Os produtos foram secos em diferentes condições: A: aberto sob pressão e temperatura ambiente; D: em dessecador sob vácuo por 72h; e F: em forno à 80 °C por 2h e depois macerados(M) . As amostras de magnetita foram caracterizadas quanto à fase cristalina por difração de raios-X (fonte de Cu Kα e λ=0,1541 nm) e quanto ao diâmetro hidrodinâmico (HD) e índice de polidispersão (PDI) em fase aquosa (3 repetições de 10 leituras cada).

Resultado e discussão

Os dados obtidos a partir da analise do índice de polidispersão (PDI) e do diâmetro hidrodinâmico (HD) das NPM de magnetita podem ser visualizados na Figura 01 (esquerda). Observa-se que a amostra A: MCP02CFM apresentou menor tamanho, HD 138,8 ± 1,35 nm, em comparação às demais e em adicional o PDI foi 0,271 ± 0,005. Esse resultado é coerente com os de Xei et al. (2007) e com o esperado, visto que a amostra foi funcionalizada com citrato, desse modo o a variação do PDI foi mínima. Observa-se também que as amostras D: MST01FM (HD: 278,3 ± 5,08 nm e PDI: 0,125 ± 0,029) e F: MST01D (HD: 258,8 ± 2,57 e PDI: 0,093 ± 0,029) apresentaram alta homogeneidade (PDI em torno de 0,1). Isso provavelmente se dá devido a síntese em meio orgânico com utilização de PEG, evitando agregação das partículas. Por outro lado, as amostras B: MCP02FM, C: MCP01FM e E: MCP01D, apresentaram HD > 400 nm e PDI > 0,4. Esses resultados podem ser explicados devido a alta agregação das partículas não funcionalizadas ou ainda devido a um concentração elevada. Lim et al. (2013) mostra que NPM têm seu HD aumentado em ~2x quando a concentração de NPM é de 100 mg/L, podendo chegar de 20 a 60x maior quando a concentração é de 1,0 g/L. A Figura 01 (direita) mostra as diferenças entre as amostras pelo teste de Tukey, confirmando algumas evidencias levantadas anteriormente, tais como: A é diferente de B e de E, tanto para PDI quanto HD; D e F não apresentam diferenças significativas nem para PDI nem para HD. Os picos de difração de raio-X, Figura 02, com 2θ = 30,10°, 35,45°, 43,05°, 53,85° e 57,00° podem ser atribuídos aos planos (220), (311), (400), (511) e (400) de magnetita (JCPDS 89-0691).

Esquerda: Índice de polidispersão (PDI) e diâmetro hidrodinâmico (HD) em função do método de preparo das amostras; Direita: Teste de Tukey a 95%.


A: MCP02CFM; B: MCP02FM; C: MCP01FM; D: MST01FM; E: MCP01D; F: MST01D; G:MCP01A; H: MST01A

Conclusões

Houve evidências significativas para concluir que as rotas de síntese apresentaram diferenças significativas nos valores do índice de polidispersão (p- valor=1,72.10^-6 α =0,001) e nos valores do diâmetro hidrodinâmico (p- valor=6,39.10^-6 α =0,001). Com a caracterização parcial pode-se evidenciar que o método solvotermal apresentou alta homogeneidade das partículas, sendo escolhido como um dos métodos para serem otimizados no que se refere ao tamanho das partículas, além de que as amostras a partir desse método evidenciaram magnetita através da difração de raios-x.

Agradecimentos

Ao Instituto Federal Goiano (IF Goiano) pelo apoio financeiro e bolsas de Iniciação Científica; ao Programa de Pós Graduação em Nanociência e Nanobiotecnologia - UnB

Referências

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