Remoção do azul de metileno em efluentes aquosos sobre catalisadores de ferro suportado em nanotubos de carbono

Abstract

A limitação das reservas e a crescente demanda de água doce no planeta, assim como as restrições impostas ao lançamento de efluentes no meio ambiente, tem exigido a adoção de estratégias que visem a racionalizar a utilização dos recursos hídricos e a minimizar os impactos negativos relacionados a esses descartes. Os efluentes de plantas industriais, tais como de couro, plásticos, cosméticos, têxteis, borracha e de papel, assim como de processamento de alimentos e de fabricação de corante, contém um ou mais tipos de poluentes tóxicos. Eles têm sido bastante estudados e está bem estabelecido que a sua presença, mesmo em baixas concentrações, causa danos significativos aos seres vivos e ao meio ambiente. Dessa forma, vários processos têm sido desenvolvidos, com o objetivo de eliminá-los em efluentes industriais. Entre eles, a oxidação catalítica com peróxido de hidrogênio surge como um método promissor e eficiente para tratar esses efluentes. Com o intuito de desenvolver um método eficiente na degradação de corantes tóxicos, foi estudada a oxidação do azul de metileno (molécula modelo) com peróxido de hidrogênio sobre óxido de ferro suportado em nanotubos de carbono, obtidos por spray pirólise e decomposição catalítica a vapor. Os catalisadores foram preparados por impregnação de compostos de ferro nos nanotubos de carbono, através de impregnação úmida incipiente e de impregnação em excesso usando microondas. As amostras foram caracterizadas por fluorescência de raios X, difração de raios X, espectroscopia Raman, medida da área superficial específica e porosidade, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier, redução à temperatura programada, microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão e termogravimetria. Os catalisadores obtidos foram avaliados na oxidação do azul de metileno em temperatura e pressão ambiente. Observou-se que o método de spray pirólise produziu catalisadores com nanotubos de carbono de paredes múltiplas com maior qualidade estrutural, em relação àqueles obtidos por decomposição catalítica a vapor, que mostraram áreas superficiais específicas mais elevadas. Os métodos de purificação e funcionalização (com os ácidos clorídrico e nítrico) promoveram a eliminação de impurezas e a incorporação de grupos funcionais dos nanotubos, respectivamente. Na síntese dos catalisadores, o método de impregnação úmida incipiente foi mais eficiente quando comparada a impregnação por microondas, formando sólidos com teores de ferro mais próximos dos nominais. Foi observada a formação de hematita sobre os nanotubos não funcionalizados e magnetita sobre aqueles funcionalizados. Todos os catalisadores foram capazes de remover o azul de metileno, em presença e ausência de peróxido de hidrogênio (adsorção e oxidação respectivamente). Em todos os casos, a maior contribuição foi dada pela adsorção. Os nanotubos obtidos pelo método spray pirólise e preparados por impregnação úmida foram mais eficientes na oxidação de azul de metileno, enquanto aqueles preparados por decomposição catalítica a vapor foram mais eficientes como adsorvente

The limited reserves and the growing demand for fresh water on the planet, as well as restrictions on the wastewater disposal into the environment, has required the adoption of strategies aiming to rationalize the use of water resources and minimize the negative impacts related to them. The effluents of industrial plants, such as leather, plastics, cosmetics, textile, rubber and paper as well as food processing and manufacturing dye frequently contain one or more types of toxic pollutants. They have been extensively studied and is well established that they cause significant damage to living beings and to the environment even at low concentrations. Therefore, several processes have been developed in order to eliminate them in industrial wastewater. Among them, the catalytic oxidation with hydrogen peroxide emerges as a promising and efficient method to treat wastewaters. With the aim of developing an efficient method for degradation of toxic dyes, the oxidation methylene blue (model molecule) was studied with hydrogen peroxide on iron oxide supported on carbon nanotubes obtained by spray pyrolysis and catalytic vapor decomposition. The catalysts were prepared by impregnation of iron compounds on the surface of carbon nanotubes by incipient wet impregnation and impregnation in excess using microwave. The samples were characterized by X-ray fluorescence, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, specific surface area and porosity measurements,Fourier transform infrared spectroscopy, temperature programmed reduction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and thermogravimetry. The samples were evaluated in the oxidation of methylene blue at room temperature and pressure. It was observed that the spray pyrolysis method produced catalysts based on multi-walled carbon nanotubes with higher quality structure as compared to those obtained by catalytic vapor decomposition, which showed higher specific surface areas. The purification and functionalisation methods (with hydrochloric and nitric acids) promoted the removal of impurities and the incorporation of functional groups on nanotubes, respectively. In the synthesis of the catalysts, the wet incipient impregnation method was more efficient than microwave impregnating, producing solids with iron content closer to the nominal values. Hematite was produced on non-functionalized nanotubes while magnetite was formed on functionalized ones. All catalysts were able to remove the methylene blue in the presence and absence of hydrogen peroxide (adsorption and oxidation respectively). For all cases, the largest contribution is given by adsorption. Nanotubes obtained by spray pyrolysis method and prepared by wet impregnation were more efficient in the oxidation of methylene blue, while those prepared by catalytic vapor decomposition were more efficient as adsorbents.