Síntese de fotocatalisador magnético e sua aplicação na redução fotocatalítica de cromo

Abstract

RESUMO: O cromo se mostra altamente tóxico na sua forma Cr(VI), o que leva à necessidade de aprimoramento das estratégias de redução desse metal pesado em meio aquoso. Diante disso, o presente trabalho teve como foco o desenvolvimento de catalisadores magnéticos a partir da combinação de óxido misto TiO2-Nb2O5 com ferrita de cobalto (CoFe2O4) tendo com finalidade sua aplicação na redução fotocatalítica do cromo. Na primeira etapa do estudo, que resultou na publicação de um artigo, foi feita a otimização da proporção Ti:Nb por meio de um planejamento experimental, avaliando-se a atividade fotocatalítica dos óxidos mistos TiO2-Nb2O5 modificados com NH4OH em testes de degradação de ácido salicílico (AS), escolhido como poluente modelo para essa etapa. Os resultados apresentados no artigo evidenciaram a forte influência do pH na performance dos catalisadores, tendo o TiO2 puro apresentado o melhor desempenho em pH 5 (até 72,9% de degradação do AS em 30 min). Já em pH 3, o catalisador com melhor performance foi o óxido misto contendo 25% de Nb, modificado com hidróxido de amônio na proporção NH4OH:Ti+Nb=1 e calcinado a 400°C (59,9% de degradação do AS em 30 min). Durante a realização dos testes, observou-se também uma considerável degradação de AS por fotólise, fortemente dependente do pH, o que levou a publicação de um segundo artigo, sobre o estudo comparativo do efeito do pH na degradação do AS e de outros fármacos, como ácido acetilsalicílico (AAS), paracetamol (PAR) e ibuprofeno (IBU). Os resultados reunidos permitiram identificar uma relação entre o pH, o estado de ionização das moléculas, variações no espectro de absorção UV-Vis dos fármacos, e suas velocidades de degradação por fotólise, podendo ser o processe favorecido tanto em pH ácido (ASA e PAR) como em básico (AS e IBU), a depender do composto. Finalmente, uma vez otimizada a síntese do óxido misto de TiO2-Nb2O5, o fotocatalisador com melhor desempenho em pH 3 (TiO2-Nb2O5, 25% Nb, 1 mol NH4OH: (Ti+Nb) e calcinado a 400 °C por 5 h) foi selecionado para ser combinado ao CoFe2O4 a fim de se sintetizar um fotocatalisador magnético para ser aplicado à redução do cromo. O processo de combinação foi realizado por dois processos diferentes, para comparação: pela via química, utilizando-se uma metodologia sol-gel, e por uma mistura física, com ajuda de almofariz e pistilo. Os fotocatalisadores preparados se mostraram capazes de reduzir o Cr(VI) ao Cr(III), sendo o processo favorecido em pH ácido e pela adição de um aceptor de lacunas (hole scavenger). A melhor condição encontrada foi pH 2, coma adição de 0.01M de formiato de sódio. Finalmente, o catalisador com melhor desempenho na redução de Cr(VI) (mistura física) foi aplicado ao tratamento de efluente de curtume, apresentando resultados promissores, cerca de 33.9% de remoção de cromo após 30 min de adsorção e 60 min de fotocatálise

ABSTRACT: Chromium is highly toxic in Cr(VI) form, demanding improved strategies for this heavy metal reduction in aqueous media. The present work focused on developing magnetic catalysts from TiO2-Nb2O5 mixed oxide combination with cobalt ferrite (CoFe2O4), aiming for the photocatalytic reduction of chromium. In the first stage of the study, which resulted in the publication of an article, the Ti:Nb ratio was optimized using experimental design methodologies, evaluating the photocatalytic activity of TiO2-Nb2O5 mixed oxides modified with NH4OH in salicylic acid (SA) degradation tests, having SA as the model pollutant for this stage. The results presented in the article highlighted the strong influence of pH on the performance of catalysts, with pure TiO2 showing the best performance at pH 5 (up to 72.9% SA degradation in 30 min). At pH 3, the catalyst with the best performance was the mixed oxide containing 25% Nb, modified with ammonium hydroxide in the proportion NH4OH:(Ti+Nb)=1 and calcined at 400°C (59.9% SA degradation in 30 min). During the tests, a considerable degradation of SA by photolysis was also observed, strongly affected by the pH, which led to the publication of a second article on the comparative study of the effect of pH on the degradation of SA and other drugs, such as acetylsalicylic acid (ASA), paracetamol (PAR) and ibuprofen (IBU). The results gathered made it possible to identify a relationship between pH, the ionization state of the molecules, variations in the UV-Vis absorption spectrum of the drugs, and their degradation rates through photolysis, which may improve the process both at acidic pH (ASA and PAR) or basic pH (AS and IBU), depending on the compound. Finally, once the synthesis of the TiO2-Nb2O5 mixed oxide was optimized, the photocatalyst with the best performance at pH 3 (TiO2-Nb2O5, 25% Nb, 1 mol NH4OH: (Ti+Nb) and calcined at 400 °C for 5 h) was selected to be combined with CoFe2O4 to synthesize a magnetic photocatalyst to be applied to chromium reduction. The combination process was carried out by two different processes, for comparison: by the chemical route, using a sol-gel methodology, and by a physical mixture, with the help of a mortar and pestle. The prepared photocatalysts could reduce Cr(VI) to Cr(III) at acidic pH by adding a hole scavenger. The best condition found was pH 2, with the addition of 0.01M sodium formate. Finally, the catalyst with the best performance in reducing Cr(VI) (physical mixture) was applied to the tannery effluent treatment, showing promising results, around 33.9% chromium removal after 30 min of adsorption and 60 min of photocatalysis