CONVERSÃO DE RESÍDUOS URBANOS EM MATERIAIS NANOESTRUTURADOS: ESFERAS DE CARBONO

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Físico-Química

Autores

Castro Pontes, L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO-UFMA) ; Silva Fonseca, W. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO-UFMA) ; Atsushi Tanaka, A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO-UFMA)

Resumo

Este trabalho apresenta um estudo da conversão de resíduos sólidos em esferas de carbono num reator sob pressão autogênica. As esferas foram caracterizadas com diâmetro médio de 2,6 µm e as análises por difração de raios-X e por espectroscopia Raman indicaram um baixo grau de grafitização e a presença de carbono desordenado, em concordância com dados da literatura. Além disso, um bom comportamento eletroquímico das CS como material de eletrodo foi comprovada com medidas de voltametria cíclica.

Palavras chaves

Resíduos urbanos; Poliestireno; Esferas de carbono

Introdução

Na sociedade moderna, o modelo econômico de produção e consumo veio acompanhado de uma grande produção de resíduos, principalmente sólidos, e para a sua sustentabilidade, legislações têm sido estabelecidas com metas para a destinação correta dos resíduos urbanos. Todavia, uma grande quantidade de produtos descartados não são “lixo” e podem ser reciclados ou reutilizados, de modo a agregar novos valores e atuar de forma integrada com a sustentabilidade. Embora a maioria dos polímeros possa ser recíclado, o alto custo envolvido no processo de logística reversa torna o processo pouco atrativo. Por outro lado, existem polímeros que podem ser convertidos em material carbonáceos de alto valor agregado, tornando o processo economicamente viável. (JIN., 2005). Entre as diferentes formas de carbono atualmente conhecidas, as esferas de carbono (CS) estão se tornando cada vez mais pesquisadas devido as suas propriedades físicas e químicas extraordinárias (ZHANG et al., 2015), o baixo custo na produção, por ser um composto de carbono passível de obtenção por conversão de resíduos plásticos sob pressão autogênica. Este método tem demonstrado grande eficiência e bom rendimento, além de obtenção de partículas com alta homogeneidade e tenacidade. Faz-se importante ressaltar o aspecto ambiental envolvido neste processo, já que a síntese acontece a partir da reutilização de resíduos plásticos, cuja reciclagem se mostra diversas vezes economicamente inviável (FONSECA et al., 2015). Diante destes aspectos, o objetivo deste trabalho foi sintetizar CS a partir da conversão de resíduos urbanos sob pressão autogênica e avaliar a sua resposta eletroquímica como material de eletrodo.

Material e métodos

A síntese das CS foi realizada sob pressão autogênica utilizando reatores Swagelok e como material precursor resíduos de copos plásticos de poliestireno e de porta cerveja de isopor. Após pesagem, foram colocados separadamente nos reatores, sob atmosfera de gás argônio, e colocados em um forno tubular, programado com uma velocidade de aquecimento de 10 °C/minuto, e aquecidos durante 2 horas, sob uma temperatura de 700 °C. Após resfriamento, os materiais carbonáceos resultantes foram retirados e tratados com acetona, para remoção de impurezas. As micrografias das CS foram obtidas num microscópio eletrônico de varredura Hitachi modelo TM3030, os espectros de Raman num espectrofotômetro dispersivo Horiba Jobin-Yvon modelo T64000 e os espectros de raios-X num espectrofotômetro Bruker modelo D8 Advance. As medidas eletroquímicas foram realizadas com o auxílio de um potenciostato Autolab 302N e utilizando uma célula convencional com 3 eletrodos: 1) eletrodo de carbono vítreo (CV) modificado com CS dispersa em filme de quitosana; como eletrodo de trabalho; 2) placa de platina como eletrodo auxiliar; e 3) um eletrodo de referência do tipo Ag/AgCl.

Resultado e discussão

A síntese das CS a partir dos resíduos urbanos sob pressão autogênica mostrou- se eficiente na formação de partículas esféricas uniformemente distribuídas e com tamanho médio calculado de ~2,6 µm (Figura 1), sendo consistente com valores reportados na literatura (NIETO-MÁRQUEZ et al.,2011). O espectro de difração de raios-X picos localizados em ~24.33° e ~43.20° (Figura 2A) e atribuídos aos planos grafíticos (002) e (100), respectivamente; indicando um baixo grau de grafitização e possível presença de carbono amorfo (JIN et al., 2005). O espectro Raman (Fig. 2b) exibiu bandas em 1341 e 1598 cm-1, correspondentes às bandas desordenada (banda D) e grafítica (banda G), respectivamente, e indicando grafitização do material e comportamentos induzidos de desordem. A razão entre as intensidades das bandas D e G (ID/IG) foi calculada como sendo de ~0.851, indicando um baixo grau de grafitização das CS e a presença de carbono desordenado, em concordância com os resultados de DRX e de acordo com a literatura (JIN et al., 2005). O comportamento eletroquímico das CS avaliado numa solução 0,5 mol L^-1 KCl contendo 1x10^-3 mol L^-1 K3[Fe(CN)6] e os voltamogramas cíclicos, registrados a uma velocidade de varredura do potencial de 10 mV s-1, mostraram a presença de um processo redox reversível sob controle difusional com ΔEp = (módulo de Epc – Epa) = ~80 mV e módulo de Ipc / Ipa ≈ 1,06 onde Epc e Epa representam os potenciais dos picos catódico e anódico, respectivamente, e Ipc e Ipa as correntes dos picos catódico e anódico, respectivamente; indicando um bom desempenho eletroquímico.

Imagem das esferas de carbono obtida por microscopia eletrônica de varredura.


Espectros A) DRX e B) Raman das esferas de carbono.

Conclusões

Esferas de carbono foram sintetizadas com sucesso, por meio da conversão de resíduos urbanos sob pressão autogênica, apresentando diâmetro médio de 2,6 µm, com baixo grau de grafitização e a presença de carbono desordenado, em concordância com a literatura, bem como um bom comportamento eletroquímico frente a um processo redox reversível.

Agradecimentos

CNPq, CAPES, FAPEMA e INCT de Bioanalítica.

Referências

FONSECA, W.S.; MENG, X.; DENG, D. Trash to Treasure: Transforming Waste Polystyrene Cups into Negative Electrode Materials for Sodium Ion Batteries. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, v. 3, n. 9, p. 2153–2159, 2015.

JIN, Y. Z. et al. Large-scale synthesis and characterization of carbon spheres prepared by direct pyrolysis of hydrocarbons. Carbon, v. 43, n. 9, p. 1944-1953, 2005.

NIETO-MÁRQUEZ, A.; ROMERO, R.; ROMERO, A.; VALVERDE, J.L. Carbon nanospheres: synthesis, physicochemical properties and applications. Journal of Materials chemistry, v. 21, n. 6, p. 1664-1672, 2011.

ZHANG, J. et al. A highly sensitive nonenzymatic glucose sensor based on CuO nanoparticles decorated carbon spheres. Sensors and Actuators B: Chemical, v. 211, p. 385-391, 2015.