MAGNETIZAÇÃO FÁCIL E DIRETA DO CARVÃO ATIVADO

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Química Orgânica

Autores

Moreira, A.C.O. (UNIVERSIDADE FRANCISCANA - UFN) ; Reimann, M.T.W. (UNIVERSIDADE FRANCISCANA - UFN) ; Salles, T.R. (UNIVERSIDADE FRANCISCANA - UFN) ; Rodrigues, H.B. (UNIVERSIDADE FRANCISCANA - UFN) ; Bruckmann, F.S. (UNIVERSIDADE FRANCISCANA - UFN) ; Rhoden, C.R.B. (UNIVERSIDADE FRANCISCANA - UFN)

Resumo

O carvão ativado apresenta elevada área superficial e estrutura porosa, contendo diversos grupos funcionais, sendo insolúvel em água e solventes orgânicos, resistente ao calor e soluções ácidas, tornando-o um potente adsorvente para poluentes orgânicos e metais pesados. Recentemente, estudos sobre nanopartículas magnéticas estão em evidência pois também apresentam grande área superficial e excelente estabilidade, resultando em sua crescente utilização principalmente em tratamento de efluentes devido a facilidade de recuperação das soluções através do comportamento magnético e baixo consumo energético. O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma técnica inovadora para incorporação de partículas de ferro à superfície do carvão ativado de forma eficaz, prática e direta.

Palavras chaves

nanopartículas de ferro; tratamento de efluentes; otimização

Introdução

Visando diminuição de custo energético e eficiência, a adsorção é um dos métodos mais adequados para remoção de íons metálicos presentes em meio aquoso, até mesmo quando em baixa concentração. A eficiência deste método, depende das características superficiais do adsorvente bem como a forma de interação do poluente com a superfície (FIYADH et al., 2019). Nanopartículas magnéticas (MNP) apresentam elevada área superficial e boa estabilidade, resultado em uma cinética de adsorção superior para vários íons metálicos dispersos em soluções aquosas. Ademais, apresentam propriedades magnéticas, as quais são muito exploradas devido a facilidade e rapidez para separação do adsorvente da solução aquosa, resultando em uma ótima flexibilidade operacional (CHAVAN et al., 2019). A utilização de MNP ganhou atenção especial nos últimos anos principalmente na área de tratamento de efluentes por conta da fácil operacionalidade das soluções através do campo magnético e baixo consumo energético (GUO et al., 2019). As nanopartículas de Fe₃O₄ são de interesse científico e tecnológico pois apresentam biocompatibilidade, podendo compartilhar suas propriedades magnéticas ao material que está ancorada, sendo um promissor para aplicações desde a biomedicina até a remediação ambiental (FAN et al., 2012). Carvão ativado (CA) tem sido amplamente utilizado em tratamento de águas devido sua elevada área superficial e alta capacidade para adsorção de poluentes orgânicos, principalmente na remoção de compostos perfluorados que normalmente não são removidos em métodos tradicionais como coagulação, floculação ou cloração. O carvão ativado em pó apresenta maior eficiência da remoção desses compostos devido seu menor tamanho de partícula e maior área superficial, porém tem a separação gravitacional dificultada (MENG et al., 2019). É importante salientar que, além da elevada área superficial, o carvão ativado apresenta estrutura porosa rica em grupos funcionais que o torna um potente adsorvente para metais pesados e poluentes orgânicos. É insolúvel em água e solventes orgânicos, resistente ao calor e ácidos e fácil regeneração (XIE et al., 2019). O carvão ativado pode ser originado a partir de uma variedade de materiais carbonáceos como madeira, casca de coco e lignina. Sua estrutura apresenta base grafítica onde seus vértices podem acomodar elementos como oxigênio, nitrogênio e hidrogênio, sendo que oxigênio é o que mais aparece principalmente nos grupos funcionais carbonila, carboxila, hidroxila e enóis, os quais influenciam diretamente a reatividade do material e propriedades de adsorção (GUILARDUCI et al., 2006). Suas propriedades dependem da porosidade da estrutura bem como dos grupos funcionais existentes em sua superfície (apolar). A área superficial e a porosidade determinam as propriedades físicas da superfície, sendo que os grupos químicos influência nas suas propriedades químicas. Os principais grupos que podem ser encontrados em sua superfície estão descritos na figura 1 (VALENCIA, 2007). A decoração de partículas de Fe₃O₄ em carvão ativado pode resultar na modificação da sua superfície, aumentando o número de sítios ativos disponíveis para realizar quimissorção, bem como a facilidade de separação. No caso da remoção de metais pesados, por exemplo, essa modificação é favorável pois a presença dos grupos funcionais contendo oxigênio são complementares pois podem complexar com esses contaminantes (NEJADSHAFIEE; ISLAMI, 2019). Entretanto, para obtenção do carvão ativado decorado com Fe3O4 são empregados métodos complexos que incluem diversas etapas e procedimentos com custo elevado e alto consumo de reagentes. Com isso, são necessárias novas metodologias para realização do carvão ativado (LIU; ZHANG; SASAI, 2010). Diante do exposto, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um método simples para a incorporação de partículas de ferro ao carvão ativado de forma eficaz e direta.

Material e métodos

Para a magnetização do carvão ativado (CA), utilizou-se uma modificação do método de Rhoden et al. (2017). Em um balão de fundo redondo de 250 mL, 100 mL água Milli-Q® foi deoxigenada, adicionou-se 50 mg de carvão ativado, levando-o para irradiação ultrassônica durante 30 minutos. Em ambiente inerte (Glove-Box), pesou-se 50 mg de cloreto de ferro II (FeCl₂) e foi adicionado ao balão juntamente com o carvão ativado. Após, o pH da solução foi ajustado com hidróxido de amônio (pH 9) e o balão foi levado para irradiação ultrassônica por mais 60 minutos. Posteriormente, a solução foi vertida para um béquer, aproximou-se um imã ao seu fundo e mistura ficou retida de modo que o sobrenadante pode ser retirado e o sólido lavado consecutivamente com acetona sem perda da amostra. O material foi seco em estufa a 50ºC durante 40 minutos para evaporação total dos solventes. A quantidade obtida foi de 70 mg.

Resultado e discussão

Um dos métodos mais utilizado para a caracterização do carvão ativado magnético é a Difração de Raios-X (DRX). Este método mede a distância entre os planos paralelos dos pontos do retículo cristalino, usada para caracterizar os ângulos entre os planos do reticulado. O difratograma apresentado na figura 1 mostra a presença de picos em 2θ ≈ 35,38º; 53,71º; 57,06º e 62,68º, indicando a presença de Fe₃O₄ na estrutura do carvão ativado (LIU; ZANG; SASAI, 2010). O pico amplo em 2θ ≈ 20º refere-se ao carbono amorfo do CA (NEJADSHAFIEE; ISLAMI, 2019). Para a caracterização dos grupos funcionais, realizou-se a Espectroscopia de Infravermelho (FTIR), o qual compreende comprimentos de onda entre 4000 e 450 cm^-1, região mais utilizada para caracterização de estruturas de carbono, com o espectro em forma de bandas que resultam das vibrações das moléculas que absorvem radiação infravermelha. Para a análise da amostra, foi utilizado o FTIR Spectro One, Perkin-Elmer, confeccionando a pastilha com brometo de potássio (KBr). Na figura 3 temos o espectro que compreende o carvão ativado magnético, o qual apresenta uma banda em 3466 cm^-1, que mostra a presença de grupos hidroxila (-OH), bem como em 1634 cm^-1 indica a presença de ácidos carboxílicos. A banda em 1385 cm^-1 indica a presença de carbonilas pela estrutura, enquanto em 615 cm^-1 é originada por vibrações de Fe-O do grupo Fe₃O₄, confirmando sua incorporação ao carvão ativado (RAMANATHAN, 2005; BAJAJ; MALHOTRA; SUNJU, 2010).

Principais grupos funcionais do carvão ativado.


DRX e FTIR do carvão ativado magnético.

Conclusões

O presente trabalho permitiu o desenvolvimento de um método simples e inovador para a incorporação de Fe3O4 ao carvão ativado, assim, magnetizando-o. Em comparação com os métodos existentes na literatura Liu; Zang; Sasai, (2010) e Nejadshafiee; Islami (2019) o protocolo desenvolvido neste trabalho é efetivamente simplificado e com custo operacional reduzido considerando a menor demanda energética e um tempo inferior a obtenção do carvão decorado com nanopartículas de Fe3O4. Com as análises de infravermelho foi possível a comprovação dos grupos carbonila, ácidos carboxílicos e hidroxilas assim como a presença do óxido de ferro na superfície do carvão ativado. A magnetização também pode ser comprovada com a aproximação de um campo magnético ao fundo do béquer durante o processo de lavagem do sólido.

Agradecimentos

Referências

BAJAJ B., MALHOTRA, B. D., CHOI, S. Preparation and characterization of bio-functionalizated iron oxide nanoparticles for biomedical application. Thin Solid Films. v. 519, p. 1219-1223, 2010.

CHAVAN, V. et al. Adsorption and kinetic behavior of Cu (II) ions from aqueous solution on DMSA functionalized magnetic nanoparticles. Physica B: Condensed Matter, n. 2, 2019.

GUILARDUCI, V. V. S. Adsorção de fenol sobre carvão ativado em meio alcalino. Química Nova, v. 29, n. 6, p. 1226-1232, 2006.

FAN, W. et al. Hybridization of graphene sheets and carbon-coated Fe3O4 nanoparticles as synergistic adsorbent of organic dyes. Journal of Materials Chemistry, 2012.

FIYADH, S. et al. Review on heavy metal adsorption processes by carbon nanotubes. Journal of Cleaner Production, v. 230, p. 783-793, 2019.

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LIU, Z.; ZHANG, F.; SASAI, R. Arsenate removal from water using Fe3O4-loaded activated carbon prepared from waste biomass. Chemical Engineering Journal, v. 160, n. 1, p. 57-62, 2010.

MENG, P. et al. Efficient removal of perfluorinated compounds from water using a regenerable magnetic activated carbon. Chemosphere. p. 187-194, 2019.

NEJADSHAFIEE, V.; ISLAMI, M. Adsorption capacity of heavy metals ions using sultone-modified magnetic activated carbon as a bio-adsorbent. Materials Science & Engineering C, 2019.

RAMANATHAN T. et al. Amino-Functionalized Carbon Nanotubes for Binding to Polymers and Biological Systems. V. 17(6), p. 1290-1295, 2005.

RHODEN, C. R. B. et al. Síntese fácil e direta do óxido de grafeno magnético. Disciplinarum Scientia, v. 18, n. 2, p. 389-397, 2017.

VALENCIA, C. A. V. Aplicação da adsorção em carvão ativado e outros materiais carbonosos no tratamento de águas contaminadas por pesticidas de uso agrícola. 2007. 116 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Pontifícia Universidade Católica, Rio de Janeiro, 2007. Cap. 3. Disponível em: <https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=10607@1>. Acesso em: 30 jul. 2019.

XIE, X. et al. Polyethyleneimine modified activated carbon for adsorption of Cd (II) in aqueous solution. Journal of Environmental Chemical Engineering, v. 7, n. 3, p. 103183, 2019.