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http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/21522
Tipo do documento: | Tese |
Título: | Desenvolvimento e aplicação de compósitos à base de TiO2 e biomassas carbonáceas para remoção de poluentes orgânicos em água |
Título(s) alternativo(s): | Development and application of TiO2 and carbonaceous biomass composites for organic pollutants removal in water |
Autor: | Pastre, Marina Meloni Gória |
Primeiro orientador: | Gomes, Marcia Marques |
Primeiro coorientador: | Cunha, Deivisson Lopes |
Primeiro membro da banca: | Silva, Adriana Maria da |
Segundo membro da banca: | Canela, Maria Cristina |
Terceiro membro da banca: | Calderari, Mônica Regina da Costa Marques |
Quarto membro da banca: | Barbosa, Nathalia Salles Vernin |
Resumo: | A dopagem de semicondutores com propriedades fotocatalíticas e materiais carbonáceos resultam em compósitos com características desejáveis para o tratamento de matrizes aquosas, devido à grande superfície de contato do componente adsorvente, aproximando o poluente do catalisador, além do potencial de expansão da absorção da radiação do espectro solar e de reciclabilidade. Ademais, as biomassas provenientes de diferentes resíduos agrícolas podem reduzir os custos de produção do compósito, tornando-os mais sustentáveis. O presente estudo produziu uma revisão sistemática com 107 artigos selecionados (832 entradas e 41 variáveis) sobre síntese e a eficiência de compósitos catalisadores à base de biomassas (BCPs) na remoção de poluentes orgânicos e inorgânicos em água, revelando eficiência média de remoção e taxa de degradação fotocatalítica dos poluentes-alvo por todos os BCPs avaliados de 77,5 ± 21,5% e 0,06 ± 0,17 min-1, respectivamente. Além disso, conforme evidenciado na análise de componentes principais (PCA), o método de síntese de BCPs, temperatura de calcinação, área superficial e porosidade afetam as características morfológicas e estruturais dos BCPs, bem como sua atividade fotocatalítica. Ensaios experimentais foram realizados a partir de duas metodologias (impregnação e sol-gel) e calcinação em duas temperaturas (400 e 600 °C), produzindo compósitos de Ti e biomassas carbonáceas (biocarvões e casca de coco seca in natura). O compósito sintetizado pelo método sol-gel com temperatura de calcinação 400 °C envolvendo Ti e a biomassa de coco (TTiP-C400) apresentou desempenho superior nos ensaios preliminares de remoção do corante azul de metileno (MB) (91,4%) em comparação ao TiO2-P25 comercial (72%). Assim, compósitos TTiP-C foram sintetizados variando-se a razão Ti:coco (0:100; 25:75; 50:50; 75:25 e 100:0), temperatura (400 e 600 °C) e tipo de calcinação (com ou sem caixa de inox). As capacidades sortivas e fotocatalíticas foram estudadas frente ao corante MB e aos contaminantes de preocupação emergente (CEs) bisfenol S, carbamazepina, clonazepam e ácido perfluorooctanóico (BPS, CBZ, CZP e PFOA, respectivamente). Entre os materiais sem caixa de inox (BCPs), o melhor resultado foi obtido com BCP400 50:50, calcinação a 400ºC e razão 50:50 (Ti:coco). Através do desenho experimental (DoE) com foco nas variáveis pH, concentração de catalisador e intensidade de radiação, o BCP400 50:50 removeu 91% de MB em 30 min, enquanto o TiO2 comercial e TiO2 sintetizado sem coco (T400), removeram 51,2% e 8,5%, respectivamente, em 30 min. O compósito BCP400 50:50 foi submetido à três testes de reuso, apresentando capacidade inferior de remoção de MB no terceiro ciclo devido provavelmente à saturação dos poros. Com relação aos compósitos produzidos em caixa de inox (BCP-I), o melhor (BCP600 25:75-I, calcinado a 600ºC e razão Ti:coco de 25:75) foi utilizado com DoE com foco nas variáveis: pH, temperatura e razão adsorvato/adsorvente. A partir da otimização, obteve-se remoção de 99,2%, 98,7%, 99,3% e 2% de BPS, CBZ, CZP e PFOA em água ultrapura e 89,5%, 68,7%, 57,3% e 8,6% de BPS, CBZ, CZP e PFOA em efluente real, respectivamente. Os materiais selecionados foram caracterizados por difratometria de raios-X, FTIR, método BET, MEV e potencial de carga zero. De acordo com o DR-X, a indexação do BCP400 50:50 e do BCP600-25:75 ocorreram com as fases Titanato de Potássio e Potássio Magnésio Titânio Óxido, respectivamente. Os resultados sugerem que a adição de KOH na síntese pode inibir a transformação de fase do TiO2. Os compósitos calcinados em caixa de inox à 600 ºC apresentaram maior área específica superficial e maior volume de poros, resultando em compósitos de melhor desempenho. Considerando as condições brandas de pirólise empregadas e o material carbonáceo proveniente de resíduos agrícolas, os compósitos sintetizados podem apresentar vantagens no custo de produção em comparação aos antecedentes. Constatou-se que a adsorção foi o fator predominante na remoção dos CEs, no entanto o papel da fotocatálise deve ser explorado como um aditivo à degradação desses contaminantes e na reciclagem. |
Abstract: | The association of materials with adsorption and photocatalytic properties has been shown to be particularly efficient for the removal and degradation of toxic and non-biodegradable molecules in aqueous matrices. Photocatalytic semiconductors doped with carbonaceous materials presents desirable properties with larger contact surface and high adsorption performance, bringing the pollutant closer to the catalyst, in addition to the possibility of expanding the absorption of solar spectrum radiation. Furthermore, biomass from agricultural waste can reduce the composite production costs, making them more sustainable. In this context, the present work resulted in a systematic review with 107 selected articles (832 entries and 41 variables). The synthesis of biomass-based composites (BCPs) and their removal efficiency towards organic and inorganic pollutants in water revealed an average efficiency removal and photocatalytic degradation rate of target pollutants by BCPs of 77.5 ± 21.5% and 0.064 ± 0.174 min-1, respectively. As evidenced from principal component analysis (PCA), the BCPs synthesis method, calcination temperature, surface area, and porosity affected the morphological and structural characteristics of BCPs as well as their photocatalytic activity. Experimental tests were carried out using two methodologies (impregnation and sol-gel) and two calcination temperatures (400 and 600 °C), producing composites formed by Ti and carbonaceous biomass (biochars and raw biomass coconut shells). The composite synthesized by the sol-gel method and calcination temperature of 400 °C with Ti and coconut biomass (TTiP-C400) showed superior performance in the preliminary MB dye removal tests (91.4%) compared to commercial P25-TiO2 (72%). Thus, the TTiP-C composite was synthesized by varying the Ti:coconut ratio (0:100; 25:75; 50:50; 75:25 and 100:0), the temperature and type of calcination (400 and 600 ° C, with or without stainless steel case, respectively). The adsorption and photocatalytic capabilities of the composites were evaluated for methylene blue dye (MB) removal and the micropollutants bisphenol S, carbamazepine, clonazepam and perfluorooctanoic acid (BPS, CBZ, CZP and PFOA, respectively. Among the materials without stainless steel boxes (BCPs), the best result was BCP400 50:50, a composite calcined at 400ºC and a 50:50 ratio (Ti:coconut). Through experimental design (DoE) focusing on the variables: pH, catalyst concentration and radiation intensity, BCP400 50:50 removed 91% of MB in 30 min, while commercial P25-TiO2 and TiO2 synthesized without coconut (T400) removed 51.2% and 8.5%, respectively, in 30min. The BCP400 50:50 was also subjected to three recycling tests, showing lower pollutant removal on the third cycle, probably due to pore saturation. Regarding composites produced in stainless steel boxes (BCP-I), the best composite (BCP600 25:75-I, calcined at 600ºC and Ti:coconut ratio of 25:75) was submitted to the DoE focusing on the variables: pH, temperature and adsorbate/adsorbent ratio. From the optimized variables, 99.2%, 98.7%, 99.3% and 2% of BPS, CBZ, CZP and PFOA were removed from ultrapure water, and 89.5%, 68.7%, 57.3% and 8.6% of BPS, CBZ, CZP and PFOA were removed from real effluent, respectively. The selected materials were characterized by X-ray diffractometry, FTIR, BET method, SEM and pHpzc. According to DR-X, the indexation of BCP400 50:50 and BCP600-25:75 occurred with the Potassium Titanate and Potassium Magnesium Titanium Oxide phases, respectively. The results suggested that the addition of KOH during the synthesis could inhibit the phase transformation of TiO2. The composites calcined in a stainless-steel box and at 600 ºC showed a greater specific surface area and greater pore volume, resulting in better-performing composites. Considering the mild pyrolysis conditions applied and the carbonaceous material from agricultural waste, the synthesized composites may have a significant advantage in production cost compared to available literature. The results revealed that adsorption is the predominant factor in the removal of micropollutants, however the role of photocatalysis must be explored as an additive to the degradation of these contaminants. |
Palavras-chave: | Engenharia ambiental Água – Purificação Dióxido de titânio Poluentes Resíduos orgânicos Environmental engineering Water – Purification Titanium dioxide Pollutants Organic wastes |
Área(s) do CNPq: | ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::SANEAMENTO AMBIENTAL::CONTROLE DA POLUICAO |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade do Estado do Rio de Janeiro |
Sigla da instituição: | UERJ |
Departamento: | Centro de Tecnologia e Ciências::Faculdade de Engenharia |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental |
Citação: | PASTRE, Marina Meloni Gória. Desenvolvimento e aplicação de compósitos à base de TiO2 e biomassas carbonáceas para remoção de poluentes orgânicos em água. 2023. 170 f. Tese (Doutorado em Engenharia Ambiental) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2023. |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/21522 |
Data de defesa: | 19-Dez-2023 |
Aparece nas coleções: | Doutorado em Engenharia Ambiental |
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