Uso de nanopartículas de ferro zero-valente na remediação de solos contaminados

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2014.Atualmente, a nanotecnologia tem sido estudada amplamente, podendo se tornar uma das mais importantes tecnologias ambientais. Uma das suas grandes vantagens é a sua aplicação na remediação de uma grande variedade de contaminantes, além de promover a redução nos custos e obter maiores eficiências de remediação. Estudos recentes têm demonstrado a importância potencial das nanopartículas de ferro na remediação ambiental. Contudo, são necessários estudos mais detalhados para quantificar parâmetros que influenciam o processo de síntese das nanopartículas, a degradação dos compostos orgânicos e o comportamento destes nos solos e aquíferos. Este trabalho estuda a produção de nanopartículas de ferro zero-valente, para posterior utilização na remediação de solos contaminados. As nanopartículas de ferro zero-valente (nZVI) foram sintetizadas pelo método de redução do ferro férrico usando boroidreto de sódio como agente redutor em condições atmosféricas. As nanopartículas de ferro são obtidas, principalmente, no estado de valência zero, sem oxidação, e permanecem assim durante mais de 20 dias. A eficiência das nanopartículas de ferro na degradação de compostos orgânicos também foi estudada e o corante azul de metileno foi selecionado como contaminante orgânico, com o objetivo de caracterizar o processo de degradação/adsorção do contaminante, enfatizando a determinação de parâmetros cinéticos. Na caracterização das nanopartículas, tanto comerciais como as sintetizadas em laboratório, foram realizadas análises de DRX e MET. O diâmetro das nanopartículas de ferro, tanto as comerciais quanto as sintetizadas, ficou na faixa de 0-100 nm. No estudo da cinética de degradação do corante pelas nanopartículas, os resultados mostraram que a reação é do tipo pseudo-segunda ordem, com a constante de velocidade específica de 6,76*10-8 s-1. No estudo de adsorção entre o corante e o solo, os resultados mostraram melhor ajuste dos dados pela equação de Langmuir, com uma quantidade máxima de corante adsorvido de 0,855 mgAM*gareia-1 e uma constante de Langmuir no valor de 3,310 L*mgAM-1. No estudo em coluna de leito fixo, os resultados mostraram que as nanopartículas de ferro zero-valente influenciam no tempo de saturação da coluna pelo contaminante. O teste de adsorção do corante no solo em coluna obteve um tempo para o início de sua saturação de 12 horas, os teste de degradação do corante com nZVI em coluna resultou em um tempo de 15 horas para o início da saturação para a coluna com 0,64% de nZVI, para a coluna com 0,96% de nZVI o tempo foi de 25 horas e para a coluna com 1,28% de nZVIum tempo de degradação de 45 horas ainda não havia iniciado a saturação. A degradação do corante foi confirmada pela análise de carbono orgânico total, onde a relação entre quantidade de carbono e a coloração mostra a quebra do composto orgânico. Um modelo de leito fixo foi utilizado para simular o estudo em coluna, o qual não se adequou aos dados experimentais. Os resultados obtidos a partir da caracterização das nanopartículas sintetizadas em laboratório mostram que o método de síntese empregado, além de ser de fácil realização, proporciona bons resultados. A sua semelhança com as nanopartículas comerciais garantem que podem ser utilizadas na remediação de solos e água contaminados. Neste aspecto, os resultados obtidos no estudo em coluna mostraram que o corante foi degradado pelas nanopartículas de ferro e que a quantidade de nZVI influencia diretamente no tempo de degradação. Os resultados também indicam que as interações entre o ferro e o corante com o solo devem ser consideradas nas aplicações ambientais.<br>Abstract : Currently, the nanotechnology has been studied extensively, becoming one of the most important environmental technologies. One of its great advantages is its application in the remediation of a wide variety of contaminants, promoting the reduction in costs and getting greater efficiencies remediation. Recent studies have demonstrated the potential importance of iron nanoparticles in environmental remediation. However, more detailed studies are needed to quantify parameters that influence the process of nanoparticle synthesis, degradation of organic compounds and their behavior in soils and aquifers.This paper studies the production of nanoparticles of zero valent iron for later use in the remediation of contaminated soil. Nanoparticles zerovalentiron (nZVI) were synthesized by reducing ferric iron method using sodium borohydride as reducing agent at atmospheric conditions. The iron nanoparticles are obtained mainly in the zero valence state, without oxidation, and remain so for more than 20 days. The efficiency of iron nanoparticles in the degradation of organic compounds was also studied and the dye methylene blue was selected as the organic contaminant, in order to characterize the process of degradation / adsorption of the contaminant, emphasizing the determination of kinetic parameters.In the characterization of nanoparticles, both commercial and synthesized in the laboratory, XRD and TEM were performed. The diameter of iron nanoparticles, both the commercial and the synthesized, was in the range of 0-100 nm. In the study of the kinetics of degradation of the dye by the nanoparticles, the results showed that the reaction type is pseudo-second order, with the specific rate constant of 6.76*10-8 s-1. In the study of the adsorption between the dye and the soil, the results showed a better fit of the data to the Langmuir equation with a maximum amount of dye adsorbed 0.855 mgMB*gareia-1 and a Langmuir constant 3.310 L*mgMB-1.In this study fixed bed column, the results showed that zerovalent iron nanoparticles affect the time saturation of the column by contaminant. The test of adsorption of dye into the soil column obtained a time for the beginning of saturation of 12 hours, the degradation of the dye test with nZVI in column resulted in a time of 15 hours for the beginning of saturation the column with 0.64% of nZVI, for the column with 0.96% of nZVI the time was 25 hours and for the column with 1.28% of nZVI in a degradation time of 45 hours had not yet started to saturation. The degradation of the dye was confirmed by analysis of total organic carbon, where the relationship between carbon amount and the color shows the breakdown of the organic compound. A fixed bed model wasused to simulate the column study, which didn?t adapt to the experimental data..The results obtained from the characterization of nanoparticles synthesized in the laboratory show that the method employed, besides being easy to perform, gives good results. Its resemblance to the commercial nanoparticles insures that can be used in the remediation of soil and water contaminated. In this regard, the results obtained in column showed that the dye was degraded by iron nanoparticles and the amount of nZVI influences directly in the time of degradation. The results also indicate that interactions between iron and dye with the soil should be considered in environmental applications