Remoção magnética de poluentes orgânicos de águas utilizando nano-adsorventes híbridos O/I de carragenano

Abstract

Este trabalho teve como principal objetivo o estudo de remoção de dois poluentes orgânicos, o azul de metileno (AM), um corante sintético, e o metoprolol (MTPL), um beta-bloqueador, de soluções aquosas por via da adsorção, utilizando como adsorvente nanopartículas magnéticas revestidas com um material híbrido orgânico/inorgânico de k-carragenano. O adsorvente é composto por um núcleo de nanopartículas de magnetite (Fe3O4) de aproximadamente 50 nm de diâmetro, encapsuladas por um material híbrido composto por uma rede siliciosa contendo o biopolímero k-carragenano ligado covalentemente. A sua preparação envolve 3 etapas de síntese, monitorizadas por espectroscopia de infravermelho e análise elementar. O adsorvente apresenta uma área superficial de 38,4 m2.g-1, propriedades magnéticas e superfície funcionalizada com grupos sulfonato provenientes do biopolímero. Os estudos de remoção para ambos os poluentes compreenderam o estudo da cinética de adsorção e o estudo da isotérmica, seguindo-se do ajuste dos resultados a modelos. No caso do AM, verificou-se que se atinge o equilíbrio após 1 hora, tendo sido o modelo cinético pseudo-2ª ordem o que melhor se ajusta aos resultados com R2> 0,999. A isotérmica de adsorção do AM apresenta um comportamento inusual, do tipo Z e qmáx=578,66 mg/gads, este valor é superior ao reportado na literatura para outras nanopartículas revestidas de biopolímero. Na remoção de MTPL, atingiu-se o equilíbrio cinético após 8h mas o seu máximo de adsorção foi alcançado em apenas 15 min, não sendo realizada nenhum tipo de modelação. A isotérmica de adsorção do MTPL apresenta um comportamento tipo L, sendo o modelo de isotérmica de Sips que melhor se ajustou aos resultados com R2= 0,9607, e obteve-se experimentalmente um qmáx=323,06 mg/gads, valor este superior ao reportado para outros adsorventes estudados. Por último foi estudada a regeneração e reutilização das nanopartículas para a remoção de AM, tendo-se verificado que estas são regeneráveis e que mantêm uma elevada performance com taxas de remoção acima de 96% após 5 ciclos de reutilização.

The purpose of this dissertation was to study the removal of two organic pollutants from aqueous solutions: methylene blue (MB) -a synthetic dye- and metoprolol (MTPL) - a beta-blocker. To accomplish it we have used magnetic nanoparticles coated with a k-carrageenan organic/inorganic hybrid shell as adsorbent. The adsorbents are core@shell composite nanoparticles comprising magnetite (Fe3O4) as core. They have approximately 50 nm diameter and as shell a hybrid material composed by a siliceous network containing the biopolymer k-carrageenan covalently bonded. Their preparation involve 3 steps all monitored by infrared spectroscopy and elemental analysis. These composites have magnetic properties, specific surface area of 38.4 m2.g-1 and surface functionalized with sulfonate groups from the biopolymer. The removal studies of both pollutants comprise the adsorption kinetic study and the isotherm study, followed by the fitting of experimental data to mathematical models. The results have shown that MB removal reaches the equilibrium after 1 hour. The model that describes better these results was the pseudo-second order model with R2>0.999. The isotherm for MB adsorption display an unusual behavior similar to type-Z isotherm and qmáx=578.66 mg/gads. This MB adsorption capacity is significantly higher than those reported for other biopolymers coated nanoparticles in the literature. Regarding the MTPL removal, the equilibrium was reached after 8h but the maximum adsorption was achieved in only 15 minutes. Hence, it was not possible to fit the data to any model with precision. The MTPL isotherm has a type-L behaviour and qmáx=323.06 mg/gads. The model that describes better these results was Sips isotherm with R2= 0.9607. The MTPL adsorption capacity is higher than those reported for other adsorbents in the literature. Lastly the regeneration and reuse of the sorbent particles for MB removal was investigated. We have concluded that they are reusable and they keep a high performance (removal ability over 96% after 5 desorption steps).