Nanomateriais magnéticos para a remoção de elementos não-essenciais em águas

Abstract

A concentração de elementos não-essenciais em águas naturais é um parâmetro essencial na avaliação do seu estado ambiental, de acordo com os padrões de qualidade em vigor na Europa. Os elementos não-essenciais que se encontram em ambientes aquáticos são frequentemente provenientes de fontes antropogénicas, para além de fontes naturais, pelo que as suas concentrações devem ser monitorizadas e controladas. A quantificação rigorosa de níveis vestigiais desses elementos exige novos métodos analíticos e, no caso destes se encontrarem em concentrações acima dos Padrões da Qualidade Ambiental, devem ser implementadas medidas para diminuir a sua concentração. Neste contexto, o desenvolvimento de métodos analíticos sensíveis é uma necessidade e os materiais multifuncionais, como por exemplo nanoadsorventes, são uma alternativa promissora. Efetivamente têm sido investigados diversos nanomateriais para a remoção de elementos não-essenciais em águas, mas a maioria dos estudos foram realizados em água ultrapura e avaliada a remoção de um único contaminante. No presente trabalho foram desenvolvidos novos nanoadsorventes magnéticos obtidos a partir da funcionalização química de magnetite coloidal (Fe3O4) e de outras ferrites de metais de transição (Mn, Co). Estes nanoadsorventes uma vez caracterizados foram usados na remoção e/ou monitorização de elementos não-essenciais como o Hg, Cd, Pb e As em águas. O trabalho desenvolvido permitiu controlar as características morfológicas e a química de superfície dos nanoadsorventes, para aumentar a eficiência de remoção dos elementos em estudo em soluções aquosas de composição variável além da obtenção de materiais que podem ser removidos da solução de uma forma simples por aplicação de um campo magnético externo. Foi possível obter nanopartículas funcionalizadas com grupos ditiocarbamato que removeram mais de 99% de Hg, Cd e Pb de soluções aquosas. A elevada afinidade deste tipo de nanopartículas pelo Hg permitiu desenvolver uma nova metodologia para extração, pré-concentração e quantificação de níveis vestigiais deste elemento em águas naturais. As nanopartículas de ferrite de cobalto ou manganês foram usadas para remover As, tendo-se obtido remoções superiores a 84%. Na maioria dos casos, os materiais desenvolvidos permitiam diminuir concentrações de As, Cd, Pb e Hg semelhantes às existentes em descargas de águas residuais para valores inferiores aos limites estabelecidos para águas com qualidade para o consumo humano ou para reutilização em regas. Neste trabalho, foram também formuladas misturas de nanoadsorventes, combinando diferentes nanopartículas magnéticas, que permitiram diminuir simultaneamente em mais de 80% a concentração de vários elementos não-essenciais presentes em águas naturais de matriz salina.

In In accordance with quality standards implemented in Europe, the concentration of non-essential elements in natural waters is a relevant parameter for assessing their environmental quality. Non-essential elements found in aquatic environments are often coming from anthropogenic sources and contribute for the degradation of the ecosystems, and so their concentration should be judiciously monitored and controlled. The accurate quantification of trace levels of these elements requires new analytical methods and when concentrations are above Environmental Quality Standards there is a need to implement actions in order to decrease its concentration. In this context, the development of new analytical methods that are able to measure very low levels is needed and multifunctional materials such as nanosorbents is a promising alternative. Simultaneously, these type of materials has been used as sorbents for the removal of non-essential elements from water, but in most of the studies they were applied in ultra-pure water and on the removal of a single contaminant. The present work developed new magnetic nanosorbents obtained from the chemical functionalization of colloidal magnetite (Fe3O4) and other transition metal ferrites (Mn, Co). The nanosorbents were characterized and investigated in the removal and/or monitoring of non-essential elements (Hg, Cd, Pb and As). The performed work included the control of morphological characteristics and of the surface chemistry of nanosorbents aiming to achieve high efficient capture of the studied elements. Furthermore, it also demonstrates that nanosorbents can be easily removed from water samples by applying an external magnetic field. The obtained dithiocarbamate-functionalized magnetite removed more than 99% of Hg, Cd and Pb from aqueous solutions. The high affinity of these nanoparticles to capture Hg ions from waters, allowed to develop a methodology for extraction, pre concentration and quantification of mercury at trace levels in natural waters. Cobalt and manganese ferrite nanoparticles were used for removal As, and more than 84 % of As was removed from water. In most cases the sorbents were able to decrease the concentrations of non-essential elements from values in the discharge of wastewaters to values lower than the guideline value for drinking water quality or for water reuse in watering. In this work, formulations of magnetic nanosorbents were made by combining different types of magnetic nanoparticles in order to decrease simultaneously more than 80% of the concentration of non-essential elements in saline natural waters.