Síntese de Fe3O4 incorporado em matriz de carvão ativo: um estudo de degradação do corante Eritrosina

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Físico-Química

Autores

Fukase dos Santos, G. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ) ; Rodrigues Pinheiro, V.L. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ) ; Aparecido Bariccatti, R. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ)

Resumo

A nanotecnologia é um tema que vem chamando bastante atenção devido uma ampla aplicabilidade, sendo admitido várias técnicas de síntese e caracterização. Esse material apresenta tamanho reduzido e alta área superficial, favorecendo a aplicação em processos catalíticos. Desta forma buscou-se sintetizar por coprecipitação três materiais nanoparticulados de óxido de ferro incorporado em matriz orgânica para estudar a capacidade catalítica na fotodegradação do corante eritrosina. Caracterizou-se as mesmas por DRX obtendo-se picos característicos de magnetita, espécie de óxido de ferro com propriedade magnética e FTIR observando bandas características de Fe-O. No estudo de fotodegradação, aplicou-se cinética de primeira e segunda ordem, do qual o melhor modelo foi o de primeira ordem.

Palavras chaves

Óxido de ferro; matriz orgânica; fotocatálise

Introdução

Nanopartículas são sistemas que vem chamando bastante atenção devido sua ampla aplicação em meio ambiente, alimentos, fármacos, entre outros. Para uma partícula estar em uma escala nanométrica ela apresentar diâmetro inferior a 100 nm (POOLE et al, 2003). Dentre esses materiais particulados, sistemas com ferro vem sendo alvos de pesquisa devido suas propriedades magnéticas (HANSANY, 2003). Há uma ampla variedade de metodologias de síntese para esses sistemas, entre as mais comuns sol-gel, gás/aerossol, hidrotérmico, sonolisis e coprecipitação. Esse material particulado pode ser encapsulado em diferentes matrizes a fim de aumentar sua biocompatibilidade e favorecer a adsorção de vários compostos orgânicos e posteriormente ser orientado por um campo magnético, servindo como um carreador de fármaco atuando em regiões específicas do organismo. Em catálise este sistema chama a atenção devido sua grande área superficial e por apresentar uma estrutura cristalina bem definida (FERREIRA et al, 2009), induzindo a alterações na velocidade da reação de compostos, sendo um alvo de estudo em áreas do meio ambiente para a remoção de resíduos industriais em águas residuais, que podem conter matéria orgânica em altas concentrações e coloração intensa, utilizando de recursos naturais como a própria luz solar para o tratamento dessas áreas. Nesse sentindo o corante eritrosina (C₂₀H₈I₄O₅) pode ser usado como parâmetro para o acompanhamento da fotodegradação utilizando os materiais sintetizados, pois este corante de coloração rosa-cereja apresenta uma alta absorção molar e intensa fluorescência atuando como sonda cromática ou fluorescente para o estudo de fotodegradação.

Material e métodos

As sínteses foram realizadas baseadas no método da coprecipitação da magnetita, de forma a ocorrer a precipitação e funcionalização in situ do material. A primeira síntese foi feita utilizando FeSO₄•7H₂O (0,025 mol) e FeCl₃ (0,025 mol) na proporção 1:1 (Fe²⁺ :Fe³⁺) com adição de 1,0005 g de carvão ativo (FC1). Todas as massas foram solubilizadas em 150 mL de água destilada, com agitação em temperatura de 70 ºC, durante 1 h. Solução de hidróxido de amônio 30% (NH₄OH) foi adicionada para corrigir o pH da solução para 12. A solução foi novamente aquecida a 70 ºC durante 1 h. Foi feita lavagem do material três vezes com água destilada e colocado na estufa para secar por 24 h a 70 ºC. Na segunda síntese foram usados 0,034 mol de FeSO₄•7H₂O e 0,074 mol de FeCl₃, para obter a proporção 1:2 (Fe²⁺ :Fe³⁺) e 0,5575 g de carvão ativado (FC2). Na terceira síntese (FCT) foram usadas as mesmas massas da síntese 2, com uma adição de 0,1115 g de dióxido de titânio (TiO₂), correspondente a 20% da massa do carvão. Para caracterização dos materiais sintetizados foram realizadas análises de difratograma de raio-X (DRX) e espectroscopia na região do infravermelho (FTIR). O estudo de fotodegradação foi realizado em foto-reator com lâmpada de xenônio 300 W UV-A/UV-B, a uma intensidade de 0,00635 W no béquer. Cada um dos três materiais sintetizados foram adicionados em 20 mL de corante eritrosina 1,0x10^-4 mol·L^-1 e junto com uma quarta solução sem adsorvente foram irradiadas no foto-reator durante um período de 6 h, obtendo-se os espectros de absorbância com espectrofotômetro UV-vis na faixa de comprimento de onda de 800 nm a 200 nm.

Resultado e discussão

A rota de síntese utilizada foi a de coprecipitação de sais de Fe²⁺ e Fe³⁺ com a adição de uma base (NH₄OH), incorporando-se carvão a ativo devido seu aspecto adsorvente. Para todos os materiais sintetizados observou-se no DRX (Figura 1) picos característicos da magnetita (Fe₃O₄) e hematita (Fe₂O₃), sendo essas as espécies de óxido de ferro com propriedade ferromagnética e magnética, respectivamente. No FTIR observou-se bandas na faixa entre 500 cm^-1 e 600 cm^-1 essa região refere-se a banda de estiramento (V_Fe-O) e deformação (δ_Fe-O) da ligação Fe-O. Ainda se obteve uma banda na faixa de 1402 cm^-1 referente a ferrihydrite (CORNELL et al, 2003). O estudo de degradação indicou que os materiais sintetizados apresentam atividade catalítica, influenciando na velocidade de degradação do corante eritrosina, aplicou-se as cinéticas de ordem 1 e 2, das quais a que ajustou melhor ao estudo foi de ordem 1, com exceção do material FC2 que se ajustou melhor na cinética de ordem 2 (Figura 2). Os coeficientes de correlação para solução mãe sem catalisador, FC1, FC2 e FCT foram de 0,988, 0,985, 0,987 e 0,994, respectivamente. Obteve-se a equação da reta, no qual o coeficiente angular corresponde a constante de degradação (k). A fotodegradação da solução sem os catalisadores sintetizados apresentou um k igual a 0,00334 min^-1, enquanto ao se utilizar o material FC1 e FC3 a fotodegradação do corante eritrosina foi mais eficiente, com valores de k igual a 0,00447 e 0,00588 min^-1, respectivamente. Não é possível comparar a constante k do catalisador FC2 com os demais pois este seguiu um modelo cinético de ordem 2.

Difratograma de raio-X dos materiais sintetizados: FC1, FC2 e FCT.


Modelos cinéticos de primeira (A, B e D) e segunda ordem (C) para a degradação do corante eritrosina, em presença dos catalisadores sintetizados.

Conclusões

Com os dados obtidos, verificou-se que os materiais sintetizados FC1 e FCT apresentaram atividade catalítica na fotodegradação do corante eritrosina, degradando cerca de 33,8% e 76,0% mais rápido em relação a solução sem catalisador, respectivamente. O modelo cinético de primeira ordem foi o que melhor se ajustou para este sistema de fotodegradação.

Agradecimentos

Unioeste, CNPq e ao grupo de pesquisa Gipefea.

Referências

FERREIRA H. S. e RANGEL M. C. (2009) Nanotecnologia: aspectos gerais e potencial de aplicação em catálise. Química Nova, 32, 7, 1860-1870.

HASANY, S. F.; ABDURAHMAN, N. H.; SUNARTI, A.R., JOSE, R. (2013) “Magnetic Iron Oxide Nanoparticle: Chemical synthesis and Applications Review”, Current Nanoscience, 9, 561-575.

POOLE JR, Charles P.; OWENS, Frank J. Introduction to nanotechnology. John Wiley & Sons, 2003.

CORNELL, Rochelle M.; SCHWERTMANN, Udo. The iron oxides: structure, properties, reactions, occurrences and uses.
John Wiley & Sons, 2003.