Desenvolvimento de carvão impregnado com nanopartículas de óxidos de cobre por método verde para remoção de nitrato em águas contaminadas

Abstract

A contaminação por nitrato em águas superficiais e subterrâneas têm se tornado um problema cada vez mais importante no mundo todo. Diversos métodos de desnitrificação da água potável são estudados, como eletrodiálise, filtração por membranas e tratamento biológico, no entanto, a adsorção representa o método mais viável para o tratamento deste poluente. Considerando que o uso de materiais adsorventes sem nenhum tratamento prévio geralmente é ineficaz para a adsorção do íon nitrato, este trabalho teve como principal objetivo o desenvolvimento de um processo não poluente de síntese e impregnação de nanopartículas de compostos de cobre em carvão ativado, chamado de "síntese verde", para a melhoria do desempenho do carvão como adsorvente na remoção de nitrato. Para a síntese verde das nanopartículas de óxidos de cobre utilizou-se extrato de folhas de romã (Punica granatum) como agente redutor e de estabilização. Os carvões impregnados com nanopartículas de óxidos de cobre foram caracterizados utilizando técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e transmissão (MET), espectroscopia de energia dispersiva (EDS), difratometria de raios-x (DRX), análise da área superficial específica (BET), área de microporos (método t), volume e diâmetro de microporos (método HK), volume de mesoporos (método BJH), determinação do ponto de carga zero (PCZ) e quantificação do cobre pela técnica TXRF. A partir dos difratogramas de raios-x, foi utilizada a equação de Scherrer para estimar o diâmetro das nanopartículas. Após a caracterização, os carvões preparados foram avaliados na remoção de nitrato da água. Realizaram-se os estudos da cinética, isoterma e termodinâmica dos processos de adsorção. As análises de caracterização mostraram que o método verde de síntese e impregnação de nanopartículas de óxidos de cobre foi eficiente, visto que picos relacionados aos óxidos foram detectados pelo DRX e segundo a equação de Scherrer, esses picos são referentes à nanopartículas, pois o diâmetro estimado das partículas se localiza na faixa de alguns nanômetros, indicando que o agente natural de redução e estabilização utilizado foi eficaz na síntese estudada. Os carvões impregnados apresentaram uma diminuição na área superficial e na área e volume de poros, em relação ao carvão ativado puro, pois a deposição das nanopartículas bloqueou parcialmente os poros. No espectro EDS foi detectado o elemento cobre apenas nas amostras de carvão impregnado. A impregnação de óxidos de cobre aumentou a eficiência na remoção de nitrato pelo carvão ativado puro em mais de 400%. O modelo de equilíbrio de Langmuir foi o que melhor representou os dados experimentais e na análise termodinâmica verificou-se que a reação de adsorção de nitrato é endotérmica no carvão puro e exotérmica nos carvões impregnados com óxidos de cobre. Dentre os carvões avaliados, o carvão impregnado com 1,5%Cu-12h em 25°C apresentou o melhor resultado para a remoção de nitrato, mais de 40% de remoção e capacidade máxima de adsorção de 6,4 mg g-1, o que é muito vantajoso para tratamento de água, pois se trata do menor tempo de impregnação avaliado e de uma reação à temperatura ambiente. Desta forma, o carvão impregnado com nanopartículas de óxidos de cobre apresenta uma alternativa promissora aos métodos de remoção de nitrato convencionais, visto que se trata de um material simples de ser produzido e ambientalmente correto

Contamination by nitrate in surface and groundwater has become a growing problem worldwide. Several methods of drinking water denitrification are studied, such as electrodialysis, membrane filtration and biological treatment; however, adsorption is the most viable method for the treatment of this pollutant. Whereas the use of adsorbent materials without prior treatment is generally ineffective for the adsorption of nitrate ion, this study aimed to develop a non-polluting process of synthesis and impregnation of copper compounds nanoparticles on activated carbon, called "green synthesis", with the purpose of improving the performance of coal as adsorbent for nitrate removal. It was used pomegranate leaf extract (Punica granatum) as reducing and stabilizing agent for the green synthesis of nanoparticles. The impregnated carbons with copper oxide nanoparticles were characterized using scanning electron microscopy (SEM) and transmission (TEM) techniques, energy dispersive x-ray (EDX) spectroscopy, x-ray diffraction (XRD), specific surface area (BET) analysis, micropore area (t method), micropore volume and diameter (HK method), mesopore volume (BJH method), point of zero charge (PZC) determination, and copper quantification by TXRF technique. From x-ray diffraction, Scherrer’s equation was used to estimate the nanoparticles diameter. After the characterization, the prepared coals were evaluated in water nitrate removal. Studies of kinetics, isotherms and thermodynamics of adsorption processes were realized. The characterization analysis showed that the synthesis and impregnation of copper oxide nanoparticles using the green method was efficient, since peaks related to the oxides were detected by XRD and according to the Scherrer’s equation, these peaks are related to the nanoparticles, because the particles estimated diameter is located in the range of few nanometers, suggesting that the natural reducing and stabilizing agent used was effective in the green synthesis. The impregnated carbons showed a decrease in surface area, pore’s volume and area compared to pure activated carbon, because the deposition of nanoparticles has partially blocked the pores. EDX spectrum detected the element copper only in impregnated coal samples. The impregnation of copper oxide increased the efficiency of nitrate removal by pure activated carbon by more than 400%. The experimental data were best represented by Langmuir isotherm model and the thermodynamic analysis showed that the nitrate adsorption reaction is exothermic in coal impregnated with copper oxide and endothermic in pure coal. Among the evaluated coals, charcoal impregnated with 1,5%Cu-12h at 25°C showed the best results for nitrate removal, over 40% removal and the maximum adsorption capacity, 6,4 mg g-1, which is very profitable for water treatment, because of its shortest impregnation time and its low temperature reaction (room temperature). Thus, the carbon impregnated with copper oxide nanoparticles presents a promising alternative to conventional methods of nitrate removal, since it is a simple material to be produced and eco-friendly