ÁREA
Química Ambiental
Autores
Silva, L.M. (UFPE) ; Silva, M.G. (UFPE) ; Santana, R.M.R. (UFPE) ; Vinhas, G.M. (UFPE) ; Napoleão, D.C. (UFPE)
RESUMO
O presente trabalho buscou estudar a obtenção de nanocompósitos (NC) de celulose bacteriana (CB) com fontes de ferro para uso na degradação de uma mistura aquosa de corantes têxteis via foto-Fenton. Foram estudados NC de CB/Fe com duas matrizes a base de ferro, cloreto de ferro III e sulfato de ferro II. O segundo NC levou a uma melhor eficiência de tratamento da matriz aquosa, e por isso caracterizado via espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier. Constatou-se que não há diferença entre os espectros do material antes e após o tratamento. Ao analisar os parâmetros operacionais do processo, percebeu-se que a maior eficiência de degradação da mistura dos corantes ocorreu ao utilizar a concentração de 100 mg∙L -1 de peróxido de hidrogênio e 5 NC, durante 120 min.
Palavras Chaves
Poluentes orgânicos; POA; Tratamento
Introdução
As indústrias têxteis e o comércio de moda têm um alto impacto na sociedade, tanto do ponto de vista econômico como no que diz respeito ao desenvolvimento de novas tecnologias. Popularizado desde a década de 90, o termo fast fashion, denota um modelo de produção rápida e contínua de novas coleções em um curto período de tempo (SANTOS, 2017; BERG; MAGNUS, 2020). Essas indústrias figuram entre as maiores produtoras de resíduos, dentre os quais encontram-se os corantes sintéticos. Estes compostos são encontrados nos efluentes líquidos, uma vez que em toda cadeia produtiva é consumida uma grande quantidade de água. Os efluentes gerados pelas indústrias podem causar intoxicação em animais, além da poluição da fauna/flora causada ao ambiente onde estão localizadas (ISMAIL; SAKAI, 2022). Os tratamentos de efluentes convencionais não conseguem remover por completo a carga completa de poluentes, logo tem-se usado variadas técnicas, como os processos oxidativos avançados (POA) como alternativa. Nesse tipo de tratamento há a produção de radicais hidroxilas, que tem alto poder de oxidação, e atuam mineralizando os poluentes orgânicos persistentes. O processo foto-Fenton utiliza íons de ferro como catalisador e peróxido de hidrogênio como agente oxidante, juntamente com algum tipo de radiação. Esta é responsável por aumentar a produção dos radicais hidroxila, que favorece a degradação dos contaminantes (AHMED et al./i], 2020). Contudo, há limitações em todos os tipos de POA e uma delas está relacionada a forma com que o catalisador é introduzido dentro do sistema reacional. As formas com que estes materiais são dispostos pode ser em suspensão ou suportado. No primeiro caso, por vezes, ocorre um aumento da turvação do sistema o que dificulta a penetração da radiação, diminuindo assim a eficiência do tratamento (LIU et al./i], 2021). Compósitos são os produtos da mistura entre materiais de naturezas e fases distintas (matriz e reforço) com o intuito de obter melhoria nas características do material polimérico (CALLISTER, 2008). Brown, em 1886, constatou que a partir de bactérias é possível produzir uma membrana na sua superfície de um caldo de fermentação do vinagre. Depois de análises foi possível verificar que a estrutura dessa membrana era idêntica à da celulose vegetal. Mais tarde, essa membrana foi denominada celulose bacteriana (CB). Este tipo de celulose tem sido utilizado como matriz polimérica, de boa performance principalmente pelas suas propriedades de alta compatibilidade com uma variada de compostos e com diversas aplicações em áreas desde indústria farmacêuticas até alimentícias (FERNANDES et al./i], 2020). Quando os catalisadores são inseridos com auxílio de algum suporte, como a CB, tem-se como vantagens a facilidade de separação e a possibilidade de reutilizar a matriz polimérica impregnada com o catalisador (YANG et al./i], 2020). Logo, o presente trabalho buscou estudar a obtenção de nanocompósitos de CB/Fe, pelo método ex-situ, para uso na degradação da mistura dos corantes têxteis: azul reativo 21, vermelho direto 227, vermelho direto 23 e preto direto 22, via processo foto-Fenton e empregando radiação sunlight.
Material e métodos
Neste trabalho foi usado a cepa da bactéria K. hansenii (UCP1619) para a produção da CB e o meio de cultivo salino, cuja composição é descrita por Silva et al. 2022. Para tal, a produção foi dividida em 2 etapas: preparação do inóculo e fermentação. Na primeira, foram transferidas 3 alças de células da cepa para frasco de Erlenmeyer com 50 mL de meio salino estéril. Em seguida, 0,5 mL de álcool etílico absoluto foi adicionado ao meio, e o material incubado em sistema estático a 30 ± 2 °C por 5 dias (SANTANA et al./i], 2018). A etapa de fermentação foi feita em placa de cultivo de 24 poços. Uma nova suspensão foi produzida contendo o inóculo previamente produzido, meio salino e 1% de álcool etílico. Em seguida, 2,42 mL da mistura foram distribuídos em cada poço da placa de cultivo. A fermentação se deu a 30 ± 2 °C por 7 dias (SANTANA et al./i], 2018). Os NC de CB/Fe foram produzidos usando o método ex-situ, empregando 2 matrizes de ferro distintas, sendo as fontes de Fe: soluções de FeCl3∙6H2O (Fe3) e FeSO4∙7H2O (Fe2), onde as membranas de CB foram mergulhadas nas soluções individuais. Nos 2 casos foi utilizada uma [Fe] de 5 mg∙L-1, a 30 ± 2 °C. Para o processo de impregnação, 50 membranas de CB foram imergidas durante 2 h por 4 vezes. Entre cada imersão, secado o material em estufa a 50°C (SILVA et al./i], 2022). Obtidos os NC de CB/Fe3 e CB/Fe2, empregou-os na degradação de corantes têxteis via foto-Fenton. Para isto, preparou-se uma solução aquosa da mistura dos corantes sintéticos em estudo, todos na concentração de 15mg/L. Foi avaliada qual fonte de Fe deu origem ao NC mais eficiente para promover o tratamento da mistura dos corantes em estudo. Para isso, experimentos independentes foram realizados com 200 mL da solução de trabalho em pH 3-4, ([H2O2]) de 100mg/L, variando a quantidade dos NC de CB/Fe (3, 5 e 8 membranas), sendo os parâmetros determinados conforme Santana et al. (2023) e Silva et al./i] (2022). A mistura aquosa dos corantes foi exposta à lâmpada solar artificial (OSRAM, 300W) (SANTANA et al./i], 2018). A concentração da mistura de corantes, antes e após o tratamento, foi determinada via espectrofotometria de UV/Vis em 508 nm. O NC que obteve melhor desempenho de degradação foi analisado antes e após o POA foto-Fenton por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FT- IR). As análises de FT-IR foram realizadas no equipamento Perkin Elmer Spectrum 400, com o auxílio de um amostrador do tipo ATR. Foram gerados os espectros de absorção das amostras, nas faixas de comprimento de onda entre 4000 e 530 cm-1 com uma resolução de 4 cm-1 em 64 varreduras. Por fim, foi analisada a influência que a concentração de peróxido de hidrogênio pode exercer no processo, nas seguintes concentrações: 80,100 e 120 mg/L. Os ensaios foram realizados durante 60 min.
Resultado e discussão
Uma vez obtidos os NC foram realizados ensaios de degradação usando o POA foto-
Fenton empregando diferentes quantidades do nanocompósito CB/Fe (produzidos a
partir de duas fontes de ferro), durante 60 min. Nesta etapa foi avaliada qual
nanocompósito apresentava as melhores propriedades fotocatalíticas, assim como
quantas unidades de membranas eram necessárias para atingir uma maior degradação
da mistura de corantes em estudo. Definido o nanocompósito de CB/Fe mais
eficiente, foi realizada a caracterização do material através da análise de FT-
IR. Na Figura 1 estão dispostos os dados de qual fonte de ferro apresentou
melhor eficiência de degradação e respectivamente os espectros de FT-IR do
nanocompósito antes e após utilização no tratamento via POA da mistura de
corantes em estudo.
Analisando a Figura 1 a), percebe-se que os NC produzidos a partir de
FeCl3∙6H2O conduziram a uma degradação menor do que
aqueles confeccionados a partir de FeSO4∙7H2O.
As diferenças percentuais de degradação para 3, 5 e 8 unidades do material foram
cerca de 9,35; 21,74 e 11,19%, respectivamente. Isso ocorreu porque a presença
de íons Cl-, em toda faixa de pH causa uma interferência negativa
acentuada no processo de degradação dos corantes. Chen et al./i] (2022)
estudando o efeito do íon cloreto em POA catalisados por vidro metálico à base
de ferro para tratamento de efluentes observou que o Cl- elimina os
radicais reativos hidroxila (HO•). Portanto, na presença desses íons, a
eficiência de degradação de poluentes é restringida.
Analisando a Figura 1 a), no que diz respeito a quantidade de nanocompósitos
utilizados, percebe-se que o ensaio utilizando 5 unidades do material, apresenta
os melhores resultados.
Para o nanocompósito que usou o FeSO4∙7H2O como fonte de
ferro obteve-se uma eficiência, 0,12 e 21% maior que ao utilizar 5 membranas
quando comparado ao utilizar 8 e 3 unidades, respectivamente. Este fato pode ser
explicado pela disponibilidade de catalisador no meio reacional, pois uma vez
que sua concentração foi aumentada a degradação dos compostos analisados
diminuiu. Esse efeito é observado quando há excesso de íons ferrosos no sistema,
que capturam os radicais hidroxila e os transformam em íons hidroxilas. Além
disso, a diminuição na degradação pode ser causada pela formação de hidróxido
ferroso, que é favorecida em concentrações mais altas de ferro (MOUSAVI;
VASSEGHIAN; BAHADORI, 2018).
Analisando os espectros de FT-IR desse nanocompósito que usou
FeSO4∙7H2O como fonte de ferro na Figura 1 b), foi
observado que não há diferença notável entre os espectros do material antes e
após o tratamento via POA. Em ambos os casos, foram identificadas bandas
características da celulose, como por exemplo, em 3348 cm-. Esta
banda refere-se à vibração da tração do grupo hidroxila e indica que existe uma
ligação de hidrogênio entre as moléculas do polímero (LEAL et al./i], 2021).
Em 2880 cm- foi encontrada uma banda que representa o alongamento do
grupo C-H (OLIVEIRA MOTA et al./i], 2022). A banda identificada em 1638
cm- foi observada em ambas as curvas e muito provavelmente está
relacionada à vibração das moléculas de água presentes, enquanto a de 1030
cm- se deve à vibração de estiramento do éter C-O-C e C-O-H do anel
de açúcar (LI et al./i], 2019). Além disso, percebe-se a estabilidade química
da celulose bacteriana o que é crucial para garantir sua integridade estrutural
após a adição de carga e peróxido de hidrogênio durante o processo de tratamento
de efluentes. Aumentando a eficiência do processo e prolongando a vida útil do
material.
Na sequência, foi avaliado o efeito da variação da [H2O2]
no processo de degradação pelo processo foto-Fenton. Utilizando cinco
nanocompósitos de CB/Fe e variando a [H2O2] em 80, 100 e
120 mg∙L-1. O tempo de tratamento foi de 60 min e os resultados
obtidos estão apresentados na Figura 2.
De acordo com a Figura 2, percebe-se que a porcentagem de degradação é 4,61% e
15,12% maior quando a [H2O2] é de 100 mg∙L-1 do
que com 120 e 80 mg∙L-1 respectivamente. Mendez-Arriaga (2019)
estudando a degradação de fármacos através do processo foto-Fenton determinaram
que quanto menor a [H2O2] menor será a quantidade de
radicais HO• o que desfavorece a degradação dos contaminantes no processo.
Entretanto, percebe-se que para concentrações maiores do que 100
mg∙L-1, também houve um decréscimo na degradação, isso ocorre porque
uma alta concentração de peróxido de hidrogênio gera uma quantidade de radicais
hidroxila em excesso, que ao reagir entre si formam radicais menos reativos como
hidroperoxila (HO2- e superóxido (O2-
) que prejudicam e inibem o tratamento (PAZ et al./i], 2018).
Silva et al./i]. (2022) analisando a influência da
[H2O2] na degradação dos corantes azul reativo 21 e preto
direto 22 constataram que as taxas de degradação, ao monitorar os comprimentos
de onda (λ) 226, 337 e 664 nm, aumentaram ao elevar este parâmetro. O máximo de
eficiência foi atingido ao fazer uso de 100 mg∙L-1 de
H2O2, com valores de degradação de aproximadamente 77%,
83% e 95% para os λ de 266, 337 e 664 nm, respectivamente.
Logo, fica clara a importância de estudar a variação do
H2O2 para identificar qual a concentração limite deste
reagente a ser utilizada no processo de forma a maximizar a eficiência do
tratamento.
a) Análise comparativa da degradação da mistura de \r\ncorantes têxteis com diferentes NC de CB/Fe2 e b) \r\nespectros de FT-IR do NC antes e após o POA.
Avaliação da influência da concentração de peróxido \r\nde hidrogênio no processo foto-Fenton.
Conclusões
Diante dos resultados obtidos neste trabalho é possível concluir que a produção do nanocompósito CB/Fe apresentou maior atividade catalítica ao utilizar FeSO4∙7H2O como fonte de ferro. Cinco unidades do material foram suficientes para conduzir a uma maior degradação da mistura de corantes têxteis usando o processo foto-Fenton. Munido desses resultados, na etapa de caracterização por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier pode-se observar que não há diferença entre os espectros do material antes e após o tratamento. Em seguida, analisando a influência da variação da concentração do agente oxidante, H2O2, foi possível determinar a melhor concentração para utilização no POA (100 mg∙L-1). Com a determinação da concentração ideal de peróxido de hidrogênio para o processo, o estudo oferece subsídios importantes para a aplicação bem-sucedida do nanocompósito CB/Fe como catalisador no tratamento de efluentes contaminados com corantes têxteis.
Agradecimentos
À FACEPE (APQ 0947-3.06/22) e à FADE/UFPE.
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