Remoção de Poluentes Orgânicos Usando Nanofiltragem: Um Estudo por Dinâmica Molecular

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Ambiental

Autores

Henrique de Souza Mendes, M. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; Gemaque de Medeiros, I. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; Neves Cruz, J. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; Santana de Oliveira, M. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; Almeida da Costa, W. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; de Souza Miranda, I. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; Mayara da Silva Soares, A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; Mendes de Albuquerque, S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; Henrique Lima e Lima, A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; do Socorro Barros Brasil, D. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ)

Resumo

O crescimento populacional resultou no aumento na demanda por água limpa. Sabe-se que os poluentes químicos, como o benzeno e fenol, são capazes de tornar a água imprópria para o consumo e podem ser responsáveis pelo surgimento de doenças como o câncer. Dessa maneira, novas metodologias para a descontaminação da água são necessárias. Neste estudo, simulações de dinâmica molecular foram realizadas para avaliar as propriedades de estruturas de carvão ativado para filtrar benzeno e fenol. Em nossos resultados os poluentes cobriram as superfícies dos fragmentos de carvão, demonstrando que as interações existentes são suficientes para manter a atração e a consequente remoção dessas moléculas.

Palavras chaves

Nanofiltragem; poluentes orgânicos; dinâmica molecular

Introdução

Há muitos anos a natureza sofre com o desenvolvimento humano, pois com a expansão dos parques industriais e o aumento populacional das grandes cidades cada vez mais o meio ambiente é poluído (KELISHADI, 2012). Poluentes químicos como os fenóis e o benzeno são altamente tóxicos, podendo causar doenças como câncer. O aumento dos níveis dessas substancias no meio ambiente pode estar relacionada à degradação de agrotóxicos e esgotos provenientes de indústrias (KURNIK et al., 2015). Uma das alternativas para remover esses poluentes do meio ambiente é a utilização de nanofiltros (ZHU et al., 2009). Neste sentido, várias tecnologias vendo sendo empregadas como o uso de nanoestruturas de grafeno e carvão (XU et al., 2008). Lee e colaboradores usaram um filtro de grafeno para separar óleo diesel da água e os autores concluiram que estes tipos de filtros podem ser empregado em processos de recuperação ambiental, incluindo a limpeza de derramamentos de óleo e filtração de água para remoção de poluentes orgânicos (LEE; BAIK, 2010). Dessa forma o uso de nano estruturas de carbono pode ser uma alternativa viavel para a descontaminação causada por benzeno e fenol. A viabilidade do uso de carvão ativado, que possui estrutura molecular semelhante ao grafeno, em nanofiltros para a remoção de poluentes foi analisada em vários trabalhos (GUNDOGDU et al., 2012; MA et al., 2013; LONG et al., 2012). Por isso, utilizamos simulações de dinâmica melecular para auxiliar na elucidação do mecanismo de nanofiltragem para remoção de benzeno e fenol.

Material e métodos

As estruturas moleculares de carvão foram desenhadas usando o software GaussView 5.5 de acordo com as estruturas propostas por Shin (SHINN, 1984). Todas as estruturas foram otimizadas no software Gaussian 16 (FRISCH et al., 2016) com B3LYP/6-31G* (BECKE, 1993). Logo em seguida, as cargas do RESP foram obtidas com HF/6-31G* (CORNELL et al., 1993). A criação de parâmetros para a simulação de dinâmica molecular foi realizada a partir do General Amber Force Field (GAFF) (WANG et al., 2004) com o módulo Antechamber do pacote computacional Amber 16 (CASE et al., 2005). Posteriormente, o sistema foi construído para a simulação usando o módulo tLEaP. O campo de força ff14SB (MAIER et al., 2015) foi usado para todas as simulações. A minimização de energia foi realizada no módulo sander em quatro etapas. Em cada estágio, 5000 ciclos foram realizados usando o método steepest descent e o algoritmo de conjugate gradient. Após a minimização, os sistemas foram gradualmente aquecidos no tempo total de 600 ps. Esses estágios foram realizados utilizando o termostato de Langevin (IZAGUIRRE et al., 2001) com frequência de colisão de 3.0 ps-1. Em seguida, para obter o equilíbrio do sistema, foi realizada uma simulação de 1 nanossegundo (ns) na temperatura de 300k, com pressão constante sem restrição. O cálculo das interações eletrostáticas foi realizado utilizando o método de Particle Mesh Ewald (DARDEN; YORK; PEDERSEN, 1993), e o algoritmo SHAKE (RYCKAERT et al., 1977) foi utilizado para restringir os comprimentos de ligação envolvendo os átomos de hidrogênio. Posteriormente, simulações de dinâmica molecular de produção de até 50 ns foram realizadas para todos os sistemas.

Resultado e discussão

Em todos os sistemas os poluentes foram distribuídos aleatoriamente no espaço e na mesma proporção. A representação estrutural dos sistemas é a estrutura média obtida a partir dos últimos 5 ns de simulação de dinâmica molecular. A Figura 1 exibe a disposição espacial dos poluentes (benzeno e fenol) interagindo com a estrutura de carvão ativado 6AF. As principais interações existentes entre a estrutura do 6AF e os poluentes são interações hidrofóbicas, pois os sistemas são formados basicamente por átomos de carbono, apesar de haver alguns heteroátomos na composição do 6AF. No segundo sistema (Figura 1-b) algumas moléculas de fenol, por meio de suas hidroxilas, realizaram ligações de hidrogênio com as hidroxilas presentes no 6AF. Nessas interações o 6AF e as moléculas de fenol participaram como doadores e aceptores dessas interações. A Figura 2 mostra os gráficos de energia total vs. tempo para o sistema formado pelo carvão 6AF e os poluentes. Pode ser visto que não houve flutuações significativas em relação aos valores de energia. Todos eles foram negativos devido às interações que ocorrem entre o carbono e os poluentes. Isso acontece porque a energia envolvida precisa ser liberada quando a atração carvão-poluente acontece. 6AF-Benzeno e 6AF-Fenol apresentaram energias médias de -15,69 kJ.mol-1 e -15,51 kJ.mol-1 1, respectivamente.

: Representação molecular dos poluentes benzeno e fenol interagindo com o carvão 6AF. (a) Sistema formado pelo benzeno e (b) Sistema formado pelo feno


Representação gráfica da energia total (em kj/mol) dos sistemas durante a simulação de dinâmica molecular.

Conclusões

Nossos estudos demonstraram que a presença de grupos funcionais é importante para realizar a nanofiltragem de poluentes que possuem grupo polar em sua estrutura. Os poluentes apolares podem ser filtrados a partir das interações hidrofóbicas que realizam com o nanofiltro. Os gráficos de energia total dos sistemas demonstraram que o processo de adsorção é exotérmico, resultado este que está de acordo com os dados experimentais encontrados na literatura. A superfície molecular do carvão 6AF ficou recoberta pelos poluentes demonstrando que as interações existentes foram suficientes para manter a a

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e da Universidade Federal do Pará (UFPA).

Referências

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