Microesferas Biopoliméricas Baseadas em Argila Modificada para a Adsorção de Poluentes Emergentes em Água

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Materiais

Autores

Araujo, J.A. (UFMA) ; Moura, H.N.A. (UFMA) ; Alcântara, A.C.S. (UFMA)

Resumo

A exposição de poluentes emergentes através do consumo de água contaminada que causa potenciais riscos à saúde humana continua sendo uma preocupação global. Entretanto, ainda não dispomos de tecnologias consolidadas que sejam de baixo custo e eficácia comprovada para atender a esse problema. Diante disso, o presente trabalho introduz a preparação de microesferas biopoliméricas com propriedades adsorventes para a remoção de poluentes emergentes em água. Os materiais foram baseados na associação híbrida de uma argila modificada com compostos silanos dispersa em uma matriz polimérica de origem celulósica. As microesferas híbridas apresentaram capacidade de adsorção melhorada para adsorver cafeína em água, indicando o potencial promissor desses materiais no tratamento de águas contaminadas.

Palavras chaves

Microesferas híbridas; Argila modificada; Adsorção

Introdução

Uma das principais categorias de poluentes emergentes presentes em águas residuais são os produtos farmacêuticos. Tais contaminantes também foram detectados em fontes potáveis, pois os processos convencionais de tratamento e de purificação de água não são eficazes para removê-los (WWAP, 2017). Essa deficiência tem motivado o desenvolvimento de métodos de tratamento avançados; os processos adsorção por carbono ativado têm atraído a maior atenção devido à sua escalabilidade tecnológica e econômica, e capacidade de remover poluentes emergentes de maneira eficaz. No entanto, tais processos são relativamente caros, devido às grandes doses de carbono necessárias e às demandas energéticas da recuperação e regeneração desse adsorvente (LING et al., 2017). Alternativamente, materiais naturais como os biopolímeros e os minerais de argila são abundantes, possuem baixo custo, e oferecem propriedades físico-químicas de grande interesse. A montmorillonita (MMT) é uma argila natural do grupo das esmectitas formada por lamelas ultrafinas negativamente carregadas que são compensadas por cátions interlamelares e, aliada à afinidade de compostos de silanos por superfícies minerais, proporcionam um meio para preparar materiais híbridos (RUIZ-HITZKY, 2004; VASHIST et al., 2014). Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi modificar e caracterizar a argila montmorillonita com compostos silanos e usar esse material na composição de microesferas biopoliméricas para aplicar na adsorção de poluentes emergentes no tratamento de água.

Material e métodos

Na preparação das microesferas biopoliméricas usou-se uma argila modificada dispersa em matriz de carboximetilcelulose (CMC). Argila modificada. Misturou-se uma quantidade específica de MMT em solução de etanol hidratado sob agitação magnética vigorosa por 10 min. Adicionou-se 3- aminopropiltrietóxissilano (APTES), seguido de acidificação com ácido clorídrico 37%, mantendo-se as condições reacionais por 24 h. A fase sólida foi separada do sobrenadante, e seca em estufa a 105±5 °C. Este material foi identificado como MMT-APTES e caracterizado por DRX, FTIR, TG-DTA, CHN e MEV. Microesferas biopoliméricas. Usou-se uma solução precursora de CMC para dispersar o material MMT-APTES, mantendo-se uma proporção de 1:1 (m/v) do biopolímero em água. Em um sistema apropriado, gotejou-se a suspensão biopolimérica em solução aquosa de Al³⁺ 5% (m/v), usada como agente cross-linking da CMC, para obter as microesferas, que foram lavadas com água deionizada em abundância após 20 min de repouso; as microesferas foram secas ao ar livre, identificadas como CMC/MMT e CMC/MMT- APTES, e devidamente armazenadas. Adsorção de poluentes emergentes em água. A aplicação das microesferas foi avaliada quanto à capacidade de adsorção de poluentes emergentes em água, neste caso, a cafeína (Sigma- Aldrich) foi usada como modelo. A cafeína é o estimulante do sistema nervoso central mais usado no mundo, muito comum em formulações farmacêuticas, e tem sido usada como marcador de contaminação da água (BUERGE et al., 2003). A concentração de cafeína nos ensaios de adsorção foi determinada por espectrofotometria de UV-Vis, avaliando-se o comportamento cinético e as isotermas de equilíbrio (temperatura ambiente) através dos modelos teóricos de Langmuir e Freundlich.

Resultado e discussão

Caracterização da argila modificada. Os resultados de DRX (figura 1a) exibiram um deslocamento do ângulo de difração do plano (001) ocasionado pelo aumento da distância interplanar para 2,01 nm, associado à intercalação do APTES na argila modificada; este comportamento também foi reportado em estudos prévios (HE et al., 2013). A presença do APTES foi confirmada por espectros de FTIR (figura 1b) através das bandas em 2940 e 2880 cm^-1 assignadas a vibrações do grupo metil, e em 1430 cm^-1 associada à ligação Si-C. As curvas de TG-DTA mostraram um evento endotérmico em torno de 70 °C referente à perda de água fisicamente adsorvida na MMT (BERGAYA, THENG e LEGALY, 2006); os eventos exotérmicos em 273 e 345 °C na curva de DTA são associados à decomposição de grupos do APTES nas superfícies do mineral. Análises de CHN mostraram que a incorporação do APTES resultou em uma razão mássica de 32% em relação à massa inicial de MMT, enquanto as imagens de MEV (figura 1c) revelaram uma morfologia bem integrada e de aparência mais compacta para o material MMT- APTES. Avaliação dos adsorventes. A aplicação das microesferas adsorventes (figura 2a,b) para a remoção de cafeína em água foi avaliada por meio de ensaios de cinética (figura 2c), onde o tempo de contato de 240 min foi considerado suficiente para os testes posteriores. Esses materiais biopoliméricos foram avaliados quanto à capacidade máxima de adsorção de poluentes emergentes como a cafeína, mostrando-se bastante promissores para uso como adsorventes em remediação de águas contaminadas. Além disso, o uso de microesferas ainda representa vantagens operacionais em relação à recuperação e reutilização do material adsorvente em aplicações em larga escala.

Difratogramas (a) mostrados no intervalo de 2 a 25°; Espectros (b) exibidos no intervalo de 4000- 400 cm-1; Micrografias (c) em escala de 10 μm.


Microesferas após as etapas de cross-linking (a) e secagem (b); Cinética de adsorção da cafeína pelos materiais CMC/MMT e CMC/MMT-APTES (c).

Conclusões

Foi apresentada a possibilidade de preparar microesferas biopoliméricas baseadas em matriz de celulose reforçada com argila organicamente modificada, que podem ser usadas na adsorção de poluentes emergentes em água. As caracterizações dos materiais indicam que há modificação química através da intercalação de grupos APTES nas superfícies da montmorillonita, e que o material resultante pode ser facilmente processado na forma de microesferas híbridas. Dessa forma, pode-se observar uma melhora nas propriedades adsortivas desses materiais por meio da combinação das fases inorgânica e orgânica.

Agradecimentos

À FAPEMA (projeto UNIVERSAL-011118/16), ao CNPq (bolsa PIBIC), à Central Analítica de Química (PPGQuim-UFMA) e à Central Analítica de Materiais (PPGF- UFMA).

Referências

BERGAYA, F., THENG, B. K. G.; LEGALY, G. General Introduction: Clays, Clays Minerals, and Clay Science. Em: Handbook of Clay Science, Developments in Clay Science. Amsterdam: Elsevier, 2006.

BUERGE, I. J.; POIGER, T; MÜLLER, M. D.; BUSER, H. R. Caffeine, an anthropogenic marker for wastewater contamination of surface waters. Environ. Sci. Technol., 37 (4), 691-700, 2003.

LING, Y.; KLEMES, M. J.; XIAO, L.; ALSBAIEE, A.; DICHTEL, W. R.; HELBLING, D. E. Benchmarking Micropollutant Removal by Activated Carbon and Porous β‑Cyclodextrin Polymers under Environmentally Relevant Scenarios. Environ. Sci. Technol., 51, 7590−7598, 2017.

RUIZ-HITZKY, E. Organic-Inorganic Materials: From Intercalation Chemistry to Devices. Em: Functional Hybrid Materials, 15–49. Weinheim: Wiley-VCH, 2004.

VASHIST, S. K.; LAM, E.; HRAPOVIC, S.; MALE, K. B.; LUONG, J. H. T. Immobilization of Antibodies and Enzymes on 3‑Aminopropyltriethoxysilane-Functionalized Bioanalytical Platforms for Biosensors and Diagnostics. Chemical Reviews, 114, 11083−11130, 2014.

WWAP (United Nations World Water Assessment Programme). The United Nations World Water Development Report 2017. Wastewater: The Untapped Resource. Paris: UNESCO, 2017.