Síntese de Quitosana Modificada com Melamina para Sorção de Cádmio

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Química Analítica

Autores

Vaz, G.C.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE (UFF)) ; Pacheco, W.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE (UFF)) ; Semaan, F.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE (UFF)) ; Fernandes, F.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE (UFF)) ; Batista, G.B. (UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE (UFF)) ; Moraes, A.J.S. (COLÉGIO PEDRO II)

Resumo

O cádmio é conhecido por sua toxicidade. Novos materiais extratores com maior capacidade sortiva e estabilidade química vêm sendo aplicados a esse fim como a quitosana (QT), um biopolímero solúvel em pH menor que 6,5 e maior do que 9,0, o que limita sua aplicação como sorvente. Este trabalho estudou a modificação da quitosana com melamina (QTM), usando epicloridrina como agente de reticulação. Os ensaios de caracterização mostraram claras diferenças entre o produto e seu precursor, confirmando a modificação da QT em QTM. No ensaio de sorção foi estudada a interação do Cd2+ com a QTM em fução da variação de massa, pH, força iônica e granulometria que, quando comparada com a QT, apresentou capacidade sortiva 2 vezes maior nas condições otimizadas além de solubilidade em pH menor que 5,0.

Palavras chaves

Quitosana modificada; Cádmio; Sorção

Introdução

O cádmio é conhecido por sua característica bioacumulativa e caráter carcinogênico, podendo ocasionar insuficiência pulmonar, hipertensão, lesões ósseas e distúrbios renais sendo seu aporte através dos processos geoquímicos ou atividades antropogênicas, em especial, às atividades industriais (CHAB-CAMACHO et al, 2018). A Organização Mundial da Saúde regulamenta que o limite admissível em água potável seja de 0,003 mg L-1 (TRAN, CHAO, p. 12808, 2018). Neste sentido, estudos visando novos materiais extratores com maior capacidade sortiva e estabilidade química, além de menor toxidade, vêm sendo desenvolvidos. A quitosana (QT) é um biopolímero de ocorrência natural ecologicamente interessante por ser atóxico, biodegradável, abundante e renovável (NISHAD, BRASKARAPILLAI, VELMURUGAN, p. 160, 2017/ SARANYA, p. 1436, 2017). Pura, é solúvel em pH menor que 6,5 e maior do que 9,0, o que limita sua aplicação como sorvente. Uma alternativa a tal restrição é a modificação da quitosana, gerando derivados com maior estabilidade química. Este trabalho visa estudar modificações da quitosana com melamina (QTM), usando epicloridrina como agente de reticulação, avaliando seu comportamento na sorção de cádmio sob condições variadas.

Material e métodos

Materiais Para preparo do sorvente foram usados moinho de bolas e peneiras com diferentes malhas granulométricas, para ajuste do sistema foram empregados pHmetro Sensoglass SP1800, agitador magnético e mesa de agitação do tipo roller Mix. A quantificação foi realizada via potenciostato Metrohm 797 VA Computrace para obtenção das medidas voltamétricas. Métodos Síntese da quitosana modificada (QTM) Realizada em um bécher de 1000 mL, adicionando soluções de quitosana (Sigma Aldrich de médio peso molecular) e melamina (1:1), sob agitação e aquecimento até 50 °C. Em seguida, 12 µL de epicloridrina, mantendo sob agitação por 2 h, a temperatura constante. Após esse tempo, a mistura foi vertida em NaOH 1 mol L-1 e filtrada a vácuo. O precipitado formado foi colocado em estufa por 48 h a 50 °C. O sólido foi processado e separado em diferentes granulometrias. Procedimentos de sorção Realizado em tubos falcon de 50 mL, adicionando as massas (25, 50, 75 100 mg) do sólido e 50,0 mL de solução padrão (1,4 x 10-4 mol L-1 de Cd2+), mantendo-os sob agitação constante por 2 h. Repetindo para os estudo de pH (5, 7 e 8), força iônica (sem tampão, tampão fosfato 0,1 e 0,25 mol L- 1) e granulometria (<74, 74 a 125, 125 a 147 e > 147 µm). Cada parâmetro estudado teve a melhor condição mantida para o estudo posterior. Medidas voltamétricas A determinação de Cd2+ foi realizada por adição de padrão numa célula contendo 40,0 mL tampão acetato 0,1 mol L-1 com pH 6,0, adicionando 200 µL de Bi3+ 500 mg L-1 e 200 µL da solução obtida após sorção, seguida de 3 adições de 100 µL de padrão (1,4 x 10-4 mol L-1 de Cd2+). Caracterização Foi utilizado Infravermelho Varian 660 IR, TG Shimadzu DTG 60 e pHmetro para o grau de desacetilação adaptando o procedimento de JIANG et al, p. 457, 2003.

Resultado e discussão

Cracterização Espectros de infravermelho (figura 1) indicam o aparecimento de banda na região de 3160 cm-1 corresponde a amina secundária entre melamina e quitosana;em 1525 cm-1 corresponde ao grupamento C=N e na região entre 1440 e 1320 cm-1, ao grupamento alquil, em quantidade maior pela modificação. O comportamento térmico da QT indica dois eventos (figura 2): o primeiro endotérmico, provavelmente da desidratação do sistema. O segundo, exotérmico, da pirólise da molécula. Na QTM há o aparecimento de outros picos endotérmicos e exotérmicos que sugerem a presença de água de hidratação e a quebra parcial da molécula. O grau de desacetilação indicou 62,6% para QT e 59,8 % para QTM, sugerindo que a modificação não ocorre nos grupos amina já desacetilados, além de não possibilitarem a protonação das aminas da melamina. Estudo dos parâmetros que influenciam na capacidade sortiva Os resultados do estudo de massas (figura 3A) sugerem maior capacidade sortiva em condições de menor massa; já a influência do pH indica que a QTM se solubiliza em pH abaixo de 5,0, uma das melhorias observadas em relação a QT (solubiliza em pH 6,5), sendo a melhor capacidade de sorção observada entre pH 7,0 e 8,0 (figura 3B). A influência da força iônica (figura 3C) foi avaliada em água e na presença de tampão, em diferentes concentrações, sendo a maior capacidade de sorção observada em presença de tampão 0,1 mol L-1. Foi reduzida a granulometria do sólido para aumentar a superfície de contato do sorvente com o metal, possibilitando a interação com os sítios ativos antes obstruídos pelo tamanho da partícula. Foi observado aumento de 20% na capacidade sortiva (tabela 1), e a confirmação da hipótese de obstrução dos sítios ativos cogitada no estudo de massa.

Conclusões

Conclui-se que houve a síntese de um novo composto cujos precursores são quitosana e melamina comprovado pelos estudos de caracterização, que mostraram claras diferenças entre quitosana comercial e o sólido derivado. A nova estrutura possibilita o trabalho a partir de pH 5,0 e ainda que não seja a condição ideal, sua capacidade sortiva é de 80% da capacidade sortiva da QT em condições ideais. A capacidade sortiva da QTM dobrou de valor com a otimização dos parâmetros em comparação com a QT (13,5 mg g-1) chegando a 29,2 mg g-1 de capacidade de remoção.

Agradecimentos

Aos professores Felipe Semaan e Wagner Pacheco (UFF), pelas orientações. À CAPES, pelo apoio financeiro.

Referências

CHAB-CAMACHO, J. C.; CHAVES-CASTAÑEDA, M. R.; BACAB-CHAN, M. J.; RAMÍREZ-AGUILA, R. N.; VILLA-GALAVIZ, I.; PÉREZ-BARTOLO, P.; REYNOSO-LANGO, F.; NOVELO-TABASCO, C.; GAYLARDE, C.; MORALES-ORTEGA, B. O. Biosorption of Cadmium by Non-Toxic Extracellular Polymeric Substances (EPS) Synthesized by Bacteria from Marine Intertidal Biofilms. International Journal of Environmental and Public Health. v. 15, n. 324, 2018.
JIANG, X.; CHEN, L.; ZHONG, W. A New Linear Potentiometric Titration Method for the Determination of Deacetylation Degree of Chitosan. Carbohydrate Polymers. V. 54, p. 457-463, 2003.
NISHAD, P. A.; BRASKARAPILLAI, A.; VELMURUGAN, S. Enhancing the Antimony Sorption Properties of Nano Titania-Chitosan Beads Using Epichlorohydrin as the Crosslinker. Journal of Hazardous Materials, V. 334, p. 160-167, 2017.
SARANYA, M.; LATHA, S.; GOPAL REDDI, M. R.; GOMATHI, T.; SUDHA, P. N.; ANIL, S. Adsorption Studies of Lead (II) From Aqueous Solution Onto Nanochitosan/ Polyurethane/ Polypropylene Glycol Ternary Blends. International Journal of Biological Macromolecules, V. 104, p. 1436-1448, 2017.
TRAN, H. N.; CHAO, H-P. Adsorption and Desorption of Potentially Toxic Metals on Modified Biosorbents Through New Green Grafting Process. Environmental Science and Pollution Research. V. 25, n. 13, p. 12808-12820, 2018.