ÁREA
Química Ambiental
Autores
Ferreira, M.K.P. (UFRN) ; Macilon, P.G.C.A. (UFRN) ; Queiroz, J.L.A. (IFRN) ; Martínez-huitle, C.A. (UFRN) ; Santos, E.V. (UFRN) ; Nascimento, J.H.O. (UFRN)
RESUMO
O presente trabalho estudou a aplicação de um catalisador à base de ferro e biomassa (rGO) para a degradação do antibiótico sulfanilamida (SMN) através do processo eletro-Fenton. O catalisador foi sintetizado, caracterizado através de espectroscopia Raman e finalmente aplicado para a degradação da SNM em Na2SO4 0,05 mol L-1, utilizando Carbono-PTFE com difusão de ar como cátodo e Pt como ânodo. A densidade de corrente aplicada foi de 60 mA cm-2 em todos os experimentos. Além disto, processos utilizando Fe(II), rGO impregnado com Fe e a oxidação sem catalisador também foram avaliados. A remoção do composto foi acompanhada através de sua absorbância na região do UV, alcançando-se percentagens de remoção de 53,0, 89,3, 36,8 e 36,0%, respectivamente.
Palavras Chaves
Eletro-Fenton; Catalisador; Sulfanilamida
Introdução
A sulfanilamida (SNM) faz parte dos chamados poluentes emergentes, sendo utilizado como agente antimicrobiano na medicina, veterinária e agropecuária (KÜMMERER, 2009). Altas concentrações já foram detectadas em corpos hídricos, o que pode levar ao desenvolvimento de bactérias resistentes, comprometendo a qualidade ambiental desse recurso (HOMEM; SANTOS, 2011). Dentre as tecnologias empregadas para o tratamento de águas, os processos eletroquímicos de oxidação avançada (PEOAs) oferecem uma solução alternativa para muitos problemas ambientais na indústria de processos (MARTÍNEZ-HUITLE; PANIZZA, 2018). Os processos baseados na reação de Fenton, consistem na reação entre H2O2 e Fe para a formação de radicais hidroxila, poderosos oxidantes que atuam na degradação de compostos orgânicos. No eletro-Fenton (EF), o peróxido de hidrogênio é gerado in situ através da redução de O2 injetado na superfície do cátodo por bombeamento de ar (LI et al., 2023; WANG et al., 2022). Uma das principais limitações do processo (EF), é que este possui alta eficiência apenas em pH ácido (entre 2 e 3), pois em valores mais altos ocorre a precipitação de ferro. Assim, processos conhecidos como eletro-Fenton heterogêneo (HEF) surgem como uma maneira de superar esta limitação (DO VALE- JÚNIOR et al., 2023) e por isso, pesquisas intensivas têm sido realizadas para produzir catalisadores com menor toxicidade ambiental e melhor estabilidade durante o processo (SHOKRI; NASERNEJAD; FARD, 2023). Neste trabalho, propomos um novo catalisador à base de Fe e biomassa para a degradação do poluente emergente (SNM) através do método (HEF) em pH neutro.O catalisador foi caracterizado por espectroscopia Raman. Além disso, a oxidação do composto por (EF) homogêneo também foi estudada.
Material e métodos
Cerca de 1 g da biomassa celulósica, peneirada e misturada com 0,1 g de um catalisador à base de ferro, foi submetida a um processo pirolítico num intervalo entre 250 e 350 °C no forno mufla durante 15 a 45 minutos. O sólido obtido (rGO) resfriou-se a temperatura ambiente. A espectroscopia Raman foi utilizada para identificar diferenças entre as bandas D e G nas estruturas e as análises foram realizadas em espectrômetro Horiba LabRAM Evolution utilizando laser com comprimento de onda de 532 nm, intensidade de 1%, zoom óptico de 50×, com 10 s de irradiação com 10 acumulações e faixa de varredura de 198 cm-1 a 3326 cm-1. Para a obtenção do Fe-rGO, 0,3 g de FeCl3⋅6H2O foram dissolvidos em 100 mL de água destilada. Então, após 30 minutos de sonificação de 10 mg de rGO nessa solução férrica resultante, a solução de 0,6 g de NaBH4 dissolvido em 40 mL foi adicionada lentamente para reduzir os íons férricos em ferro metálico na superfície do rGO. Em seguida, o catalisador foi lavado e seco em estufa. A degradação da (SNM) (0,5 mmol L-1) foi realizada temperatura ambiente em uma célula não dividida com capacidade de 300 mL. Carbono-PTFE com difusão de ar e Pt foram utilizados como cátodo e ânodo, respectivamente, ambos com área geométrica de 3,0 cm2 e com uma distância de cerca de 2,0 cm entre os dois eletrodos. Na2SO4 0,05 mol L-1 foi utilizado como eletrólito de suporte em todos os experimentos e a densidade de corrente aplicada (j) foi de 60 mA cm-2. O espectrofotômetro Shimadzu UV-1800 foi utilizado. A absorbância das soluções contendo SNM foi registada em λ = 258 nm e a concentração do composto foi calculada através de uma curva de calibração externa.
Resultado e discussão
Na espectroscopia Raman, sabe-se que o pico G em aproximadamente 1580
cm-1 é característico da estrutura híbrida sp2 que surge devido ao
alongamento do C−C, que representa a simetria e cristalização dos materiais de
carbono. Já o pico D em 1350 cm-1 é o pico de defeito e desordem da
superfície de camadas de grafite (GONG et al., 2015; SCARDACI; COMPAGNINI,
2021). Na Fig. 1 é possível verificar os picos em 1588 cm-1 e 1406
cm-1 referentes a banda G e D, respectivamente, para o rGO utilizando
o precursor à base de biomassa celulósica. Durante os tratamentos
eletroquímicos, a concentração da SNM foi monitorada por espectroscopia no
ultravioleta (Fig. 2A) em uma faixa linear de 0,01 a 0,1 mmol L-1
(Fig. 2A, inserção), sendo expressa pela equação Abs258nm = 17,032
[SNM] / mmol L-1 + 0,0035 (R2 = 0,9969). Para a
quantificação da SNM presente nas amostras coletadas do reator, um fator de
diluição adequado foi aplicado. É possível observar na Fig. 2B que o melhor
desempenho na remoção da SNM foi alcançado com a utilização do Fe(II), sendo
obtida uma remoção de 89,3% do composto. No tratamento empregando EF heterogêneo
(HEF) com rGO uma remoção de 53,0% foi obtida. Ao comparar os resultados
alcançados na oxidação com rGO/H2O2 aos obtidos com
EO/H2O2 é possível observar um aumento significativo na
taxa de remoção, o que sugere fortemente que o catalisador rGO atua na clivagem
das moléculas de H2O2, aumentando a concentração de
radicais ●OH disponíveis em solução. É importante destacar que
durante o tratamento por HEF com o catalisador rGO não foi observada a
precipitação de sais de ferro.
Espectro Raman do rGO sintetizado.
(A) Espectros e curva de calibração das soluções de \r\nSNM (B) Percentuais de remoção da SNM pelos \r\ndiferentes catalisadores.
Conclusões
Os resultados obtidos neste trabalho demonstram o potencial de aplicação do catalisador desenvolvido em reações eletro-Fenton heterogêneo, uma vez que se conseguiu uma taxa de remoção (53,0%) superior à degradação sem catalisador (36,0%). Experimentos em andamento visam melhorar a performance do catalisador ao otimizar a quantidade de ferro incorporada na síntese, bem como avaliar a eficiência da reutilização do material em vários ciclos de tratamento eletroquímico, tendo em vista que o catalisador pode ser facilmente removido da solução por centrifugação.
Agradecimentos
Os autores agradem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), ao PPGEQ e à FAPERN.
Referências
DO VALE-JÚNIOR, E. et al. Evaluating the catalytic effect of Fe@Fe2O3-modified granulated cork as an innovative heterogeneous catalyst in electro-fenton degradation of benzoquinone in different aqueous matrices. Chemosphere, v. 336, p. 139209, 2023. GONG, Y. et al. Influence of graphene microstructures on electrochemical performance for supercapacitors. Progress in Natural Science: Materials International, v. 25, n. 5, p. 379–385, 2015. HOMEM, V.; SANTOS, L. Degradation and removal methods of antibiotics from aqueous matrices – A review. Journal of Environmental Management, v. 92, n. 10, p. 2304–2347, 2011. KÜMMERER, K. Antibiotics in the aquatic environment – A review – Part II. Chemosphere, v. 75, n. 4, p. 435–441, 2009. LI, X. et al. Carbonaceous materials applied for cathode electro-Fenton technology on the emerging contaminants degradation. Process Safety and Environmental Protection, v. 169, p. 186–198, 2023. MARTÍNEZ-HUITLE, C. A.; PANIZZA, M. Electrochemical oxidation of organic pollutants for wastewater treatment. Current Opinion in Electrochemistry, v. 11, n. 1, p. 62–71, 2018. SCARDACI, V.; COMPAGNINI, G. Raman Spectroscopy Investigation of Graphene Oxide Reduction by Laser Scribing. C, v. 7, n. 2, p. 48, 2021. SHOKRI, A.; NASERNEJAD, B.; SANAVI FARD, M. Challenges and Future Roadmaps in Heterogeneous Electro-Fenton Process for Wastewater Treatment. Water, Air, Soil Pollution, v. 234, n. 3, p. 153, 2023. WANG, W. et al. Kapok fiber derived biochar as an efficient electro-catalyst for H2O2 in-situ generation in an electro-Fenton system for sulfamethoxazole degradation. Journal of Water Process Engineering, v. 50, p. 103311, 2022.
