FOTODEGRADAÇÃO DE POLUENTES EMERGENTES POR ESFERAS DE QUITOSANA/TIO2

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Ambiental

Autores

Chagas, P.M.B.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Pereira, L.O. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Caetano, A.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Zampiere, L.P. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Magalhães, F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; do Rosário Guimarães, I. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS)

Resumo

Contaminantes ou poluentes emergentes são substâncias potencialmente tóxicas das quais o efeito ou a presença no ambiente ainda pouco conhecidos. O paracetamol é um dos fármacos analgésicos mais antigos e de uso mais difundido no mundo. A remoção desse e dos demais compostos similares em sistemas de tratamento de efluentes usuais não é completa, permitindo a sua acumulação em recursos hídricos. Neste trabalho foi realizado a fotodegradação do paracetamol por esferas de quitosana com diferentes proporções de TiO2 (QT-TiO2). A maior fotodegradação do paracetamol foi obtida pelas esferas com a maior proporção de TiO2, com remoção de 92%. A incorporação das partículas de TiO2 na quitosana foi primordial para a separação do material do meio reacional, uma vez que não foi possível a separação das partículas de TiO2 do meio reacional.

Palavras chaves

Fotocatalise; Paracetamol; Quitosana/TiO2

Introdução

Estudos relatam que uma grande variedade de fármacos são encontrados em diversos corpos d’água, como rios e lagos. Este tipo de poluente emergente também caracterizado como micropoluente, têm sido motivo de preocupação, uma vez que as estações de tratamento convencionais de água e efluentes, não possuem eficácia suficiente para removê-los do meio. Entre os fármacos mais consumidos no mundo está o paracetamol (N-(4-hidroxifenil) etanamida – Nome IUPAC), que possui propriedades analgésicas e antitérmicas, e vem sendo detectado em efluentes de diversos países. O desenvolvimento de tecnologias para a degradação do composto paracetamol tem recebido atenção, por esse poluente ser resistente às tecnologias convencionais aplicadas no tratamento de água (Yuan et al., 2018; Vaiano et al., 2018). A fotocatálise heterogênea pertence à classe dos processos oxidativos avançados (POAs), e é uma tecnologia promissora no tratamento de efluentes industriais e na descontaminação ambiental. O princípio da fotocatálise heterogênea envolve a ativação de um semicondutor por luz solar ou artificial. Entre os tipos de materiais, o óxido de titânio (TiO2) é um material semicondutor extremamente interessante devido às suas excelentes propriedades, como alta atividade fotocatalítica, baixo custo, e estabilidade química (Chen et al., 2017; Essawy et al., 2017). Entretanto, o uso prático desses materiais mesoporosos de titânio principalmente em escala nanométrica apresenta alguns retrocessos, como a aglomeração durante a reação e a dificuldade de separar e recuperá-los do efluente tratado (Jiang et al., 2014; Yang et al., 2016). Para contornar estes problemas, os óxidos podem ser modificados com compostos inorgânicos e orgânicos. A quitosana é um polímero que tem sido amplamente utilizada na síntese verde, devido à sua excelente biocompatibilidade, biodegradabilidade e ausência de toxicidade. Além disso, a quitosana possui boa capacidade de adsorção com metais de transição, o que possibilita que seus complexos com íons metálicos sejam usados como precursores na síntese de partículas (Su et al., 2017). Todas as propriedades acima mencionadas também fazem da quitosana um excelente candidato para funcionalizar e melhorar as propriedades catalíticas dos óxidos (Bauer; Knolker, 2015). Diante disso, neste trabalho os materiais foram sintetizados pela incorporação direta de diferentes proporções de TiO2 no gel da quitosana (QT) produzindo as esferas QT-Fe (10% m/m); QT-Fe (20% m/m); QT-Fe (40% m/m). Os materiais foram utilizados na fotodegradação do composto emergente paracetamol.

Material e métodos

Preparação dos fotocatalisadores QT-TiO2 A solução de quitosana foi preparada, solubilizando 3,5 g de quitosana (QT) em 100 mL de solução do ácido acético (8% v/v), sob agitação, durante 1 hora. Em seguida, nesta solução foram incorporadas diferentes proporções de TiO2 em relação à massa de quitosana: a) 0, 35 g de TiO2 (QT- TiO2 10% m/m); b) 0,70 g de TiO2 (QT- TiO2 20% m/m) e c) 1,40 g de TiO2 (QT- TiO2 40% m/m) (Chagas et al., 2018). A mistura permaneceu sob agitação até a solubilização completa deste reagente. Para a produção das esferas, a mistura acima foi gotejada em uma solução de NaOH 2 mol L-1, gerando imediatamente a coagulação do gel em formato esférico. As esferas permaneceram durante 16 horas na solução de NaOH 2 mol L-1 e, em seguida, foram lavadas com água deionizada até a neutralização da solução. Posteriormente, as esferas foram secas em estufa à 60 oC. Avaliação da atividade fotocatalítica das esferas QT-TiO2 Os testes de oxidação via fotocatálise heterogênea foram realizados a 25oC, utilizando-se 100 mL de solução 15 mg L-1 de paracetamol, 30mg das esferas e uma lâmpada de radiação UV (vapor de mercúrio, λ = 253,7 nm), com potência 45W. O estudo também foi realizado com as partículas de TiO2. Antes de serem submetidas a radiação UV as amostras ficaram sob agitação em ambiente ausente de luz até atingir um equilíbrio de adsorção por 4 horas (não houve adsorção pelas esferas). A eficiência da oxidação foi monitorada por espectroscopia de UV-visível (200-400nm). Controles foram realizados somente com a molécula de paracetamol na presença de luz.

Resultado e discussão

A fotodegradação do composto paracetamol pelas esferas QT-TiO2, o padrão e o controle (sem catalisador) estão representados na Figura 1. O espectro de UV-visível do composto paracetamol apresenta dois comprimentos de onda (λ) de maior absorbância, um próximo a 200 e outro em 243 nm. É possível observar a partir da linha espectral do controle, que a degradação do composto paracetamol ocorre apenas na presença da luz. Ao final de 8 horas de reação, a solução apresentou coloração marrom, indicando que o paracetamol reagiu na presença da luz formando outro(s) composto(s). Isso fica mais evidente ao observar a cinética do controle (solução do paracetamol na presença da luz), à medida que o tempo de reação aumenta a absorbância diminui nos λ de 200 e 243 nm e aumenta em comprimentos de onda maiores (Figura 2 b). A fotodegradação do paracetamol pelas as esferas QT-TiO2 é maior do que a observada para o controle, principalmente, para o material QT-TiO2 40% que ao final de 8 horas na presença de luz removeu 92% do composto (cálculo realizado com as absorbâncias em λ 243). A remoção do composto aumenta com o aumento da proporção de TiO2 incorporados nas esferas. As cinéticas de fotodegradação do paracetamol foram realizadas para o material QT-TiO2 40% e o controle (Figura 2a e 2b). Observamos um perfil semelhante das linhas espectrais do material com o controle até 4 horas de reação fotocatalítica. Após este tempo de reação, é observado maior atividade fotocatalítica das esferas. É possível que a medida que a fotodegradação do paracetamol na presença da luz foi ocorrendo, o produto colorido formado, possa ter sido adsorvido pelas esferas, uma vez que essas apresentavam ao final da reação a mesma coloração da solução. Um estudo anterior revelou que a quitosana exibia um desempenho multifuncional na fotocatálise heterogênea com o TiO2 em razão do aumento da fotocatálise por adsorção (Chen et al., 2017; Essawy et al., 2017). A atividade fotocatalítica das partículas de TiO2 com o composto paracetamol, não foi avaliada, visto que não foi possível a separação das partículas da solução. Assim, a incorporação das partículas de TiO2 nas esferas de quitosana, foi de extrema importância para remoção do composto emergente, principalmente por facilitar o processo de recuperação do fotocatalisador do meio reacional.

Fotodegradação do paracetamol pelas esferas de QT-TiO2 (10; 20; 40 % m/m) e controle (sem catalisador) após 8 horas de reação.


Cinética de fotodegradação do paracetamol a) Esferas QT-TiO2 (40% m/m); b) controle (sem catalisador).

Conclusões

As esferas QT-TiO2 foram sintetizadas com sucesso a partir da dissolução da quitosana e a dispersão de diferentes proporções de TiO2. A melhor atividade fotodegradativa do composto paracetamol foi atribuída as esferas QT-TiO2 40% através da possível adsorção dos compostos formados da degradação do mesmo na presença da luz. Além disso, a incorporação das partículas de TiO2 na quitosana foi primordial para a separação do material do meio reacional, uma vez que a separação não foi possível para das partículas de TiO2. Estes resultados são preliminares sendo necessários estudos de caracterização dos materiais e do(s) produto(s) gerado(s) da fotodegradação.

Agradecimentos

À CAPES, FAPEMIG, CNPq, PPGAQ/UFLA e Rede Mineira de Química.

Referências

BAUER, I.; KNOLKER, H. J. Iron Catalysis in Organic Synthesis. Chemical Reviews, v. 115, n. 9, p. 3170-3387, May 2015.

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CHEN, C. et al. Aligned macroporous TiO2/chitosan/reduced graphene oxide (rGO) composites for photocatalytic applications. Applied Surface Science, v. 424, p. 170-176, Dec 2017.

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VAIANO, V.; MATARANGOLO, M.; SACCO, O. UV-LEDs floating-bed photoreactor for the removal of caffeine and paracetamol using ZnO supported on polystyrene pellets. Chemical Engineering Journal, v. 350, p. 703-713, Oct 2018.


YANG, L. M. et al. Swelling induced regeneration of TiO2-impregnated chitosan adsorbents under visible light. Carbohydrate Polymers, v. 140, p. 433-441, Apr 2016.

YUAN, Y. A. et al. Rapid oxidation of paracetamol by Cobalt(II) catalyzed sulfite at alkaline pH. Catalysis Today, v. 313, p. 155-160, Sep 2018.