Mineração urbana: beneficiamento de componente catódico de pilhas para a síntese de catalisadores aplicados em processos de degradação

Carregando...
Imagem de Miniatura

Notas

Editores

Coorientadores

Título da Revista

ISSN da Revista

Título de Volume

Editor

Universidade Federal de Lavras

Faculdade, Instituto ou Escola

Departamento

Departamento de Química

Programa de Pós-Graduação

Programa de Pós-graduação em Agroquímica

Agência de fomento

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Tipo de impacto

Áreas Temáticas da Extenção

Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

Dados abertos

Resumo

Historicamente, o termo lixo tem sido utilizado para designar os subprodutos das atividades humanas e produtos pós-consumo. No entanto, nos últimos anos, a compreensão de que esses refugos são passíveis de serem reutilizados, reciclados ou transformados em recursos valiosos levou a uma mudança na terminologia usada para descrevê-los. Em vez de lixo, eles são agora referidos como "resíduos" ou "materiais recicláveis", e uma variedade de tecnologias e práticas estão sendo desenvolvidas para recuperar e reutilizar esses materiais de forma mais sustentável. Dentro deste contexto, e tendo em vista o elevado volume de resíduos eletroeletrônicos gerados anualmente, o presente trabalho teve como objetivo principal a modificação de resíduos de pilhas para aplicação como catalisadores em processos de degradação. A pasta eletrolítica, componente da porção catódica de pilhas comuns de zinco-carbono, rica em óxidos de manganês, foi submetida a etapas de pré-tratamento, como homogeneização e lixiviação neutra. Este material foi denominado de BM e empregado na síntese dos demais catalisadores. Dois tratamentos foram propostos para o melhoramento da atividade catalítica do sólido precursor BM: tratamento térmico em atmosfera inerte com fluxo de nitrogênio (BM_N₂) e ativação ácida com ácido sulfúrico (H2SO4), seguida por tratamento térmico em atmosfera inerte com fluxo de nitrogênio (BM_H+/N₂). Os materiais BM, BM_N₂ e BM_H+/N₂ foram caracterizados quanto suas propriedades químicas e texturais, empregando diferentes técnicas, como Difratometria de raios-X (DRX), Microscopia eletrônica de varredura (MEV), Porosimetria de adsorção/condensação gasosa, Espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS), dentre outras. Os resultados evidenciaram diferentes modificações na pasta eletrolítica pré-tratada após os tratamentos realizados, especialmente relacionados a composição química e características superficiais, como o aumento de porosidade e área superficial específica BET. Por meio da análise de DRX, foi possível identificar diferentes fases cristalinas no sólido precursor (BM) e, após os tratamentos (BM_N₂ e BM_H+/N₂), bem como observar diferenças no perfil cristalino. A atividade catalítica dos materiais foi avaliada inicialmente na reação de decomposição de peróxido de hidrogênio (H2O2), que consiste em uma etapa importante para a produção de espécies reativas de oxigênio em reações do tipo Fenton. O material submetido a ativação ácida (BM_H+/N₂) apresentou alta atividade na reação estudada por diversos ciclos catalíticos em comparação aos outros materiais. Posteriormente, os catalisadores foram aplicados em processos de oxidação de contaminante orgânico, utilizando o azul de metileno (AM) como molécula modelo. Paralelamente a esse estudo, diferentes moléculas, como ácido ascórbico (AA), ácido cítrico (AC), ácido fórmico (AF) e hidroquinona (HQ) foram avaliadas como cocatalisadores na reação de degradação do AM. Foi observado que o AC apresenta um efeito inibitório na reação de degradação do AM, resultando em uma diminuição na eficiência da reação. Por outro lado, HQ e o AF atuam em um processo sinérgico com os catalisadores preparados, promovendo um aumento na degradação do AM. O efeito promotor da atividade catalítica foi observado quando a HQ foi utilizada nas concentrações de 1,65 mmol L-1 e 16,5 mmol L-1 e o AF na concentração de 57,9 mmol L-1.

Abstract

Historically, the term "trash" has been used to refer to the byproducts of human activities and post-consumer products. However, in recent years, the understanding that these scraps can be reused, recycled, or transformed into valuable resources has led to a change in the terminology used to describe them. Instead of "trash," they are now referred to as "waste" or "recyclable materials," and a variety of technologies and practices are being developed to recover and reuse these materials more sustainably. Within this context, and considering the high volume of electronic waste generated annually, the main objective of this study was the modification of battery waste for application as catalysts in oxidation processes. The electrolyte paste, a component of the cathodic portion of common zinc-carbon batteries, rich in manganese oxides, underwent pretreatment steps such as homogenization and neutral leaching. This material was named BM and employed in the synthesis of the other catalysts. Two treatments were proposed to improve the catalytic activity of the BM precursor solid: thermal treatment in an inert atmosphere with a nitrogen flow (BM_N₂) and acid activation with sulfuric acid (H2SO4), followed by thermal treatment in an inert atmosphere with a nitrogen flow (BM_H+/N₂). The BM, BM_N₂, and BM_H+/N₂ materials were characterized for their chemical and textural properties using different techniques such as X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Gas Adsorption/Condensation Porosimetry, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), among others. The results revealed different modifications in the pre-treated electrolytic paste after the performed treatments, especially regarding chemical composition and surface characteristics, such as increased porosity and specific surface area (BET). XRD analysis enabled the identification of different crystalline phases in the precursor solid (BM) and after the treatments (BM_N₂ and BM_H+/N₂), as well as the observation of differences in the crystalline profile. The catalytic activity of the materials was initially evaluated in the decomposition reaction of hydrogen peroxide (H2O2), which is an important step for the production of reactive oxygen species in Fenton-like reactions. The material subjected to acid activation (BM_H+/N₂) exhibited high activity in the studied reaction over multiple catalytic cycles compared to the other materials. Subsequently, the catalysts were applied in organic contaminant oxidation processes using methylene blue (MB) as a model molecule. Concurrently with this study, different molecules such as ascorbic acid (AA), citric acid (AC), formic acid (AF), and hydroquinone (HQ) were evaluated as co-catalysts in the degradation reaction of MB. It was observed that AC has an inhibitory effect on the degradation reaction of MB, resulting in a decrease in reaction efficiency. On the other hand, HQ and AF act synergistically with the prepared catalysts, promoting an increase in MB degradation. The promoting effect on catalytic activity was observed when HQ was used at concentrations of 1.65 mmol L-1 and 16.5 mmol L-1, and AF at a concentration of 57.9 mmol L-1.

Descrição

Área de concentração

Agência de desenvolvimento

Palavra chave

Marca

Objetivo

Procedência

Impacto da pesquisa

Resumen

ISBN

DOI

Citação

CAETANO, A. A. Mineração urbana: beneficiamento de componente catódico de pilhas para a síntese de catalisadores aplicados em processos de degradação. 2023. 93 p. Tese (Doutorado em Agroquímica)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2023.

Link externo

Avaliação

Revisão

Suplementado Por

Referenciado Por

Licença Creative Commons

Exceto quando indicado de outra forma, a licença deste item é descrita como Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International