Autores
Ferreira, R.K. (IFPA) ; Brito, V.M.L. (IFPA) ; Rodrigues, R.V. (IFPA) ; Mafra, F.M.A. (IFPA) ; Figueira, B.A.M. (UFOPA) ; da Luz, P.T.S. (IFPA) ; Macêdo, E.N. (UFPA)
Resumo
Neste trabalho, foram sintetizados fotocatalisadores a partir da heterojunção de
nitreto de carbono grafítico e niobato de potássio. Tais catalisadores tiveram
suas atividades catalíticas testadas no corante Rodamina B em presença de luz
visível. Na síntese do nitreto de carbono grafítico, foi utilizado como material
de partidas a melamina. Para a síntese do niobato de potássio, foi utilizada a via
hidrotermal. A heterojunção, foi realizada por um processo de impregnação. A
síntese do fotocatalisador pelo método da impregnação mostrou-se eficiente na
degradação do corante utilizado, atingindo um rendimento acima de 95 %. As
eficiências fotocatalíticas foram avaliadas frente à descoloração da Rodamina B e
quantificadas a partir do espectro de absorção do corante.
Palavras chaves
Fotocatálise; Niobato de Potássio; Heterojunção
Introdução
A contaminação do meio ambiente tem sido apontada como um dos maiores problemas
da sociedade moderna. Neste contexto insere-se, por exemplo, uma variedade de
contaminantes emergentes como metais pesados, agrotóxicos e corantes artificiais
que são utilizados por indústrias de diferentes segmentos. Como resultado de uma
crescente conscientização deste problema, novas normas e legislações cada vez
mais restritivas têm sido adotadas a fim de minimizar o impacto ambiental
gerado. Sendo assim, existe hoje a necessidade do desenvolvimento de novos
processos de tratamento de efluentes que minimizem a contaminação ambiental.
Neste aspecto destacam‐se os Processos Oxidativos Avançados, os quais utilizam
da geração de espécies altamente oxidantes, em geral radicais hidroxila, para
promover uma degradação mais efetiva do contaminante a ser tratado (BRITO et
al., 2012). Uma das tecnologias inseridas dentro dos processos oxidativos
avançados é a fotocatálise.
A fotocatálise consiste na utilização de um material semicondutor que, na
presença de luz, torna-se ativo para promover a degradação de um determinado
composto através de sua oxidação ou redução. O fotocatalisador absorve a energia
proveniente dos fótons, o que promove sua excitação eletrônica e
consequentemente a formação de pares de cargas positivas (lacunas) e negativas
(elétrons), as quais promoverão a oxirredução da substância orgânica (NOGUEIRA;
JARDIM, 1997). Dentre os fotocatalisadores mais utilizados, destaca-se os
nitretos de carbono e perovskitas à base de nióbio.
Os nitretos de carbono, como são denominados atualmente, possuem inúmeros
alótropos, no entanto, o nitreto de carbono grafítico é considerado o alótropo
mais estável. Uma das vantagens de se utilizar catalisadores como nitreto de
carbono grafítico é a sua alta estabilidade química, ativação da região visível
do espectro e síntese de baixo custo. A obtenção dos nitretos de carbono se dá
através da volatilização direta de precursores contendo carbono e nitrogênio
previamente ligados entre si, como dicianodiamida, melamina, uréia e tiouréia
(MEDEIROS, 2017).
Catalisadores com estruturas perovskitas à base de nióbio apresentam boa
atividade catalítica, uma vez que apresentam valores de energia de band gap em
cerca de 3,08eV e 3,14eV. Entre as diversas aplicações do óxido de nióbio, os
niobatos, óxidos de nióbio com óxidos de outros metais, têm apresentado um
enorme potencial de aplicação em fotocatálise (NICO et al., 2016).
Deste modo, o objetivo deste trabalho é sintetizar um fotcatalisador a partir da
heterojunção do g-C3N4 e o KNbO3 (g-C3N4/KNbO3) e aplicá-lo na fotodegradação do
corante Rodamina B (Rh-B) em presença de luz na região do visível.
Material e métodos
Os ensaios experimentais foram realizados no Laboratório do Grupo de Pesquisa em
Química (LABGPESQ), no Laboratório de Fotocatálise (LABFC) e no laboratório de
saneamento do Instituto Federal do Pará, Campus Belém.
Para realizar a síntese do nitreto de carbono grafítico, foi utilizado como
material de partida a melamina (Sigma-Aldrich, 99%). Para isso, foi adotada a
rota descrita por MEDEIROS et al. (2017), onde, aproximadamente, 20g de melamina
foram colocados em um cadinho de porcelana semiaberto, sendo em seguida
calcinados a 550°C em mufla (Quimis, Q318M21) por 2 horas. Após a calcinação, o
material obtido foi cominuído e armazenado com a identificação NIT.
Para a obtenção do niobato de potássio, utilizou-se a rota de síntese descrita
por SHI et al. (2020). Como precursores do niobato, foram utilizados o pentóxido
de nióbio (Nb2O5), doados pela Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração
(CBMM) e hidróxido de potássio (Êxodo, 90%). Para a síntese, 13g de Nb2O5 foram
adicionados a 100 mL de solução de hidróxido de potássio a 10M, e deixados em
agitação por 30 minutos. Em seguida, a mistura foi transferida para um reator
hidrotérmico, o qual foi levado à estufa (Quimis, Q317B) e deixado a 200 °C por
15 horas. Posteriormente, o material obtido passou por um processo de filtração
e lavagem para reduzir o caráter alcalino. Por fim, o material foi calcinado a
300 °C por 1 hora e denominado como KNO. Após a obtenção do NIT e KNO
separados, foi realizada a heterojunção dos dois materiais. Para isso, foi
adotada a rota de síntese descrita por SHI et al. (2020), onde uma quantidade
pré-determinada de NIT foi inserido em 50 mL de metanol (ACS Científica, 99,8%)
sendo deixado em seguida em banho ultrassônico por 30 minutos. Após esse
período, foi adicionada à mistura o KNO. O sistema foi deixado sob agitação até
a completa evaporação do metanol. O material obtido foi calcinado por 1 hora a
300°C. Foram sintetizados materiais com 3 e 5 % de KNO, sendo estes
identificados como 3KNO/NIT e 5KNO/NIT.
Os testes fotocatalíticos foram realizados em um fotorreator equipado com duas
lâmpadas LED (AVANT, 150W) e um sistema de circulação de ar para evitar o
aquecimento no seu interior. Para isso, foi utilizada 100 ml da solução do
corante rodamina B (RhB) a uma concentração de 10 mg.L-1. Os estudos cinéticos,
foram realizados em um período total de 150 minutos, sendo que durante os 30
minutos iniciais foi realizada a etapa de adsorção no escuro. Na etapa de
fotodegradação, alíquotas foram recolhidas em intervalos de 10 minutos. O
progresso de degradação fotocatalítica foi monitorado através da medida de
espectrofotometria (Hach, DR 3900) na região do visível em um comprimento de
onda de 554 nm.
Resultado e discussão
A degradação do corante em função apenas da exposição à radiação (fotólise), sem
uso do catalisador, foi quantificada e observou-se que quase não houve diminuição
significativa de sua concentração, resultando em uma eficiência de apenas 7,75 %.
Em relação ao NIT, pôde-se constatar que o mesmo teve uma eficiência
fotocatalítica de 73,49% em 60 minutos e de 97,17% em 120 minutos exposição da
amostra na luz branca. Para o KNO, obteve uma eficiência de 7,25%, mostrando que
esse material é pouco ativo na região visível do espectro de luz. Por fim, para os
materiais heteroestruturados, percebeu-se que 3KNO/NIT apresentou o melhor
rendimento, chegando este a 97, 2 % ao final dos 120 minutos de reação.
A Tabela 1 e a Figura 1 mostram o rendimento de cada catalisador e o avanço da
reação com o passar do tempo. Através delas, constata-se que a heterojunção com
3KNO/NIT apresentou os melhores rendimentos já em um tempo de 60 minutos de reação
quando comparado aos demais.
Cinética de fotodegradação da Rodamina B.
Eficiência dos fotocatalisadores.
Conclusões
A síntese do g-C3N4/KNbO3 pelo método da impregnação, mostrou-se eficiente na
obtenção do material pretendido. Pode-se constatar, comparando os materiais
sintetizados, que a fotodegradação ocorreu de forma mais satisfatória nos sistemas
compostos por NIT e 3KNO/NIT .
O fotocatalisador com heteroestrutura de g-C3N4 e KNbO3 exibiu maior atividade
fotocatalítica para a oxidação de Rodamina B sob irradiação visível, em
comparação com os fotocatalisadores separados. Esses catalisadores atingiram altas
eficiências já no período de 60 minutos, sendo que em 120 minutos suas eficiências
foram acima de 95 %. Sendo assim, os resultados obtidos a partir da análise de
degradação da Rodamina B sugerem que os materiais sintetizados apresentam grande
potencial para aplicação em fotodegradação de poluentes ambientais.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao IFPA e Pró-reitoria de Pesquisa, Pós-Grafuação e Inovação
pelo apoio à pesquisa e à Fapespa pela auxílio financeiro disponibilizado para
realização deste trabalho.
Referências
BRITO, N. N.; SILVA, V. B. M. PROCESSO OXIDATIVO AVANÇADO E SUA APLICAÇÃO AMBIENTAL. Revista eletrônica de engenharia civil. Goiânia, v. 1, n. 3, jan./abr. 2012.
MEDEIROS, T. P. V. NITRETOS DE CARBONO: ESTUDO DE DIFERENTES ROTAS SÍNTÉTICAS, OBTENÇÃO DE MATERIAIS HETEROESTRUTURADOS COM NIÓBIO, CARACTERIZAÇÃO, APLICAÇÕES FOTOCATALÍTICAS E NA PRODUÇÃO DE BIODIESEL. 2017. 116 f. Dissertação (Mestrado em Química) – Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2017
NICO, C.; MONTEIRO, T.; GRAÇA, M. P. F. “Niobium oxides and niobates physical properties: Review and prospects,” Progress in Materials Science, vol. 80, pp. 1–37, 2016.
NOGUEIRA, R, F, P.; JARDIM, W, F. A FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA E SUA APLICAÇÃO AMBIENTAL. Química Nova, São Paulo, v. 21, n. 1, p. 69-72, 04 jul. 1997.
