Investigação da capacidade adsortiva de nanopartículas magnéticas híbridas modificadas com L-cisteína na remoção de chumbo de soluções aquosas

Dissertação (mestrado)–Universidade de Brasília, Faculdade UnB de Planaltina, Programa de Pós-Graduação em Ciência de Materiais, 2020.A contaminação dos recursos hídricos por chumbo tornou-se a principal forma de poluição por metais potencialmente tóxicos em todo o mundo, representando mais de cem mil mortes anualmente. Devido ao uso inapropriado de materiais à base de chumbo, águas residuais e esgotos contendo rejeitos de chumbo acabam sendo lançados no meio aquático, causando sérios problemas do ponto de vista ambiental e de saúde. Devido à sua natureza não biodegradável, diferentes formas de chumbo acumulam-se nos ecossistemas e, por meio das cadeias alimentares, é transferido a diversos animais. Até em quantidades extremamente baixas, o chumbo pode apresentar riscos ao ser humano e ao meio ambiente. Objetivando proteger as pessoas e o meio ambiente, intensificou-se a busca por técnicas de remoção de chumbo de águas residuais para que seus teores se adequem às normas vigentes. O presente estudo propõe a utilização de nanopartículas híbridas bimagnéticas do tipo core@shell, compostas por ferrita de cobalto (núcleo) revestida de maguemita (casca), recobertas por uma camada superficial de L-cisteína (CoFe2O4@ɣ-Fe2O3@Cys) para a remoção de chumbo (Pb2+) de soluções aquosas. Amostras de nanoadsorventes de dois tamanhos médios distintos foram elaborados pelo método de coprecipitação por via úmida em meio alcalino, seguido de tratamento superficial com Fe(NO3)3. A modificação da superfície foi realizada misturando as nanopartículas e L-cisteína em uma solução metanol / água. Difratometria de raios X e experimentos de MET foram utilizados para determinar o tamanho médio cristalino das nanopartículas precursoras (PACo = 13,5 nm e PACoM = 7,9 nm) e dos nanoadsorventes (PACo@Cys = 14,1 nm e PACoM@Cys = 7,9 nm) e medidas de FTIR foram usadas para evidenciar a modificação da superfície. A influência do pH, tempo de contato e concentração inicial de Pb (II) foram avaliadas a partir de estudos em batelada usando 1,33 g / L de nanoadsorvente e as condições ótimas encontradas para maximizar a eficiência do processo de adsorção foram: pH = 5; tempo de contato = 120 min e concentração inicial de chumbo = 2,5 mg/L. Os modelos de Langmuir e Freundlich foram aplicados para avaliar a capacidade máxima de adsorção e as características do processo de adsorção. Os dados de cinética dos estudos em batelada foram analisados com modelos de pseudo-primeira ordem e pseudo- segunda ordem para avaliar o tempo de equilíbrio e as constantes cinéticas. O processo de adsorção foi melhor ajustado pela isoterma de Langmuir e quanto a cinética pelo modelo de pseudo-segunda ordem. A capacidade de adsorção encontrada é de 1,16 mg/g para PACo@Cys e 1,11 mg/g para PACoM@Cys. Por fim, os nanoasdorventes utilizados passaram por processo de dessorção para recuperação e posterior reutilização e a capacidade de recuperação obtida é 72,2% para PACo@Cys e 88,8% para PACoM@Cys.The contamination of water resources by lead has become the main form of heavy metals pollution in the whole world, representing more than one hundred thousand deaths annually. Owing to the inappropriate use of lead-based materials, residual waters and in sewage containing lead’s waste end up in nature’s water systems, causing severe health problems and environmental problems as well. Due to its non-biodegradable nature, lead’s many forms accumulate in the ecosystems and trough the food chains, ends up contaminating several animals. Even in extremely low dosages, lead may represent a threat to humanity and the environment. With the intent of protecting people and nature, there has been a growing effort in the search of lead removal techniques from residual waters so that the lead content reaches acceptable levels in current standards. Among the most common ways of doing so are: precipitation, ion exchange, reverse osmosis and adsorption. This study proposes the use of hybrid bimagnetic nanoparticles of the core-shell kind, a compound made of cobalt ferrite (core) covered with maghemite (shell), coated with a superficial layer of L-cysteine (CoFe2O4@ɣ- Fe2O3@Cys) for the removal of lead (Pb2+) of aqueous solutions. The nanoadsorbers were developed by the method of wet coprecipitation in an alkaline medium through followed by a superficial processing with Fe(NO3)3. The pH control of the synthesis medium was necessary for the production of two intermediate distinctive sized samples of nanoparticles. The modification of the surface was achieved by mixing nanoparticles and L-cysteine in a solution of methanol/water. Diffractometry of X rays and TEM experiments were used to determinate the average crystalline size of the precursors nanoparticles (PACo = 13,5 nm and PACoM = 7,9 nm) and of the nanoadsorbers (PACo@Cys = 14,1 nm and PACoM@Cys = 7,9 nm) and FTIR measurements were used to confirm surface modification. The pH influence, duration of contact and initial concentration of Pb (II) were analysed trough batch studies using 1,33 g/L of nanoadsorbers and the optimum conditions for maximum efficiency of the adsorption process were as follows: pH = 5; duration of contact = 120 minutes and initial lead concentration = 2,5 mg/L. The Langmuir and Freundlich models were applied to evaluate the maximum adsorption capacity and the characteristics of the adsorption process. The data of the batch of kinetic studies were analysed using the models of pseudo-first order and pseudo-second order to evaluate the equilibrium time and kinetic constants. The adsorption method were better adjusted by the Langmuir isotherm and for the kinetic by the pseudo-second order model. The adsorption capacity found is of 1,16 mg/g of PACo@Cys and 1,11 mg/g of PACoM@Cys. Finally, the nanoadsorbers used went through a desorption process for recuperation and later reutilization and the recuperation capacity obtained is of 72.2% for PACo@Cys and 88.8% for PACoM@Cys