Estratégias para remoção de contaminantes emergentes utilizando ferrita de manganês e compósitos

Abstract

RESUMO: Moléculas de fármacos fazem parte do grupo de contaminantes persistentes emergentes, esses poluentes são de difícil remoção, e tem capacidade de persistir ao longo da cadeia trófica, sendo assim, buscar tecnologias eficientes para sua remoção do meio aquoso se faz essencial, dentre elas destaca-se a fotocatálise heterogênea e adsorção. Diante disso, o objetivo principal desta tese foi investigar estratégias inovadoras e sustentáveis para a remoção de contaminantes emergentes em matrizes aquosas, utilizando ferrita de nganês (MnFe2O4) e ferrita de manganês modificada com óxido de grafeno (OG) e carvão de osso bovino pulverizado (CP), além de avaliar as condições operacionais ideais para otimizar esses processos. Inicialmente foi produzido um artigo de revisão sem precedentes para investigar as propriedades fotocatalíticas MnFe2O4. Métodos de preparação e técnicas para melhorar o desempenho do material na aplicação fotocatalítica de luz visível para remediação de águas residuais foram destacados. Além disso, suas aplicações potenciais e práticas de tecnologias ambientais foram discutidas. O semicondutor demonstrou-se vantajoso para processos fotocatalíticos, porém modificações de superfície podem ser realizadas para melhorar seu desenvolvimento. Entretanto, apesar disso, sabe-se que ainda existe uma lacuna entre academia e indústria, sendo assim, outro artigo de revisão foi proposto para investigar o estado da arte de reatores fotocatalíticos que utilizam luz solar natural, examinando os projetos e modelos mais promissores. As vantagens e limitações de cada configuração de reator foram discutidas minuciosamente, e oportunidades para o avanço de reatores solares heterogêneos no tratamento de águas residuais foram identificadas. Concluiu-se que reatores solares fotocatalíticos se destacam como uma tecnologia verde promissora, oferecendo soluções inovadoras e sustentáveis para remoção de moléculas complexas como hidroxicloroquina (HDC), utilizando fotocatalisadores ativos de luz visível, como a MnFe2O4. Por fim, dada as excelentes propriedades da MnFe2O4, principalmente combinada com materiais carbonáceos, desenvolveu-se um artigo com o objetivo de adsorver HDC, utilizando CP como matriz adsorvente principal, e investigar o efeito da concentração de MnFe2O4 e OG na eficiência desse processo, através da metodologia estatística de superfície de resposta, utilizada também para otimizar as condições operacionais da adsorção. O material funcionalizado de melhor desempenho (CP-MG5) e CP atingiram o equilíbrio com 120 min de reação. Dados cinéticos e isotérmicos ajustaram-se melhor aos modelos de pseudo-segunda-ordem e Sips, para ambos adsorventes. A capacidade adsortiva máxima obtida foi de 52 mg g-1 e 35,82 mg g-1 em 318 K, para CP e CP-MG5, respectivamente, e o estudo termodinâmico apontou que a adsorção ocorreu predominantemente por fisissorção. Por fim, concluiu-se que, a fotocatálise e a adsorção são tecnologias que tem emergido como alternativas viáveis para a remoção de contaminantes emergentes, como a hidroxicloroquina (HDC). Além disso, o desenvolvimento de reatores para otimizar esses processos pode desempenhar um papel crucial na evolução no tratamento de água e efluentes, demonstrando-se ser uma área de estudo tão importante quanto a criação de materiais inovadores.

ABSTRACT: Pharmaceutical molecules are part of the group of emerging persistent contaminants. These pollutants are difficult to remove and have the ability to persist throughout the trophic chain. Therefore, seeking efficient technologies for their removal from the aqueous environment is essential. Among these technologies, heterogeneous photocatalysis and adsorption stand out. Given this, the main objective of this thesis was to investigate innovative and sustainable strategies for the removal of emerging contaminants in aqueous matrices using manganese ferrite (MnFe2O4) and manganese ferrite modified with graphene oxide (GO) and pulverized bovine bone charcoal (CP), as well as to evaluate the optimal operating conditions to optimize these processes. Initially, an unprecedented review article was produced to investigate the photocatalytic properties of MnFe2O4. Preparation methods and techniques to improve the material's performance in visible light photocatalytic applications for wastewater remediation were highlighted. Furthermore, its potential applications and practical aspects of environmental technologies were discussed. The semiconductor proved to be advantageous for photocatalytic processes; however, surface modifications can be made to enhance its development. Nevertheless, it is known that a gap still exists between academia and industry. Therefore, another review article was proposed to investigate the state of the art of photocatalytic reactors that use natural sunlight, examining the most promising designs and models. The advantages and limitations of each reactor configuration were thoroughly discussed, and opportunities for advancing heterogeneous solar reactors in wastewater treatment were identified. It was concluded that solar photocatalytic reactors stand out as a promising green technology, offering innovative and sustainable solutions for the removal of complex molecules such as hydroxychloroquine (HDC), using visible-light-active photocatalysts like MnFe2O4. Finally, given the excellent properties of MnFe2O4, especially when combined with carbonaceous materials, an article was developed with the aim of adsorbing HDC, using CP as the main adsorbent matrix and investigating the effect of MnFe2O4 and GO concentration on the efficiency of this process. The response surface methodology was applied to optimize the adsorption process's operational conditions. The best-performing functionalized material (CP-MG5) and CP reached equilibrium within 120 minutes of reaction. Kinetic and isothermal data best fitted the pseudo-second-order and Sips models for both adsorbents. The maximum adsorption capacity obtained was 52 mg g?1 and 35.82 mg g?1 at 318 K for CP and CP-MG5, respectively, and the thermodynamic study indicated that adsorption occurred predominantly via physisorption. In conclusion, photocatalysis and adsorption have emerged as viable alternatives for removing emerging contaminants such as hydroxychloroquine (HDC). Additionally, the development of reactors to optimize these processes can play a crucial role in advancing water and wastewater treatment, proving to be an area of study as important as the creation of innovative materials.