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Síntese de compósitos a base de akaganeita com cobre e fósforo: aplicação no processo fenton

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Resumo

Práticas industriais levam a geração de imenso volume de efluente que na maioria das vezes contém substâncias problemáticas e quando descartadas de maneira incorreta causam danos ao meio ambiente que podem ser irreversíveis. Nesse contexto, processos de oxidação avançados (POA’s), que são um conjunto de reações químicas capazes de gerar radical hidroxila, e podem ser empregados para tratamento de efluentes contendo matéria orgânica, podendo alcançar a completa mineralização. Dentre os POA’s, a reação Fenton gera radical hidroxila pela reação entre espécies férricas ou ferrosas e o oxidante peróxido de hidrogênio a qual foi escolhida neste trabalho para degradar a molécula modelo azul de metileno. A fase de óxido de ferro akaganeita (AK) e akaganeita dopada com cobre (AKCu) foi utilizada para síntese do fosfeto de ferro (FeP) e fosfeto de ferro e cobre(FeCuP), e esses materiais foram aplicados no processo Fenton heterogêneo. Os elementos constituintes dos materiais foram identificados pela técnica de fluorescência de raios X portátil, a morfologia e distribuição dos elementos foram avaliadas por microscopia eletrônica de varredura com sistema de energia dispersiva de raios x, que revelou uma superfície irregular e distribuição de partículas heterogênea. O espectro de infravermelho mostrou bandas características do óxido de ferro akaganeita. Pela técnica de Difração de Raios X, ficou comprovada a obtenção dos materiais sintetizados. O teste de evolução de oxigênio permitiu identificar que os materiais possuem atividade catalítica. Por meio do mesmo teste em meio orgânico ficou evidente que o mecanismo de degradação do azul de metileno predominante é radicalar. A cinética de degradação do azul de metileno foi conduzida em três temperaturas diferentes, à medida que a temperatura foi elevada a atividade do catalisador AKCu diminuiu, enquanto a fase akaganeita apresentou boa atividade nos diferentes testes realizados. O fosfeto de ferro e cobre exibiu excelente atividade catalítica alcançando 98% de remoção do azul de metileno do meio reacional. Com a determinação de velocidade das reações nas diferentes temperaturas, a reação na presença do compósito FeCuP chega a ser cerca de 243 vezes mais rápida que seu precursor AKCu. O reuso dos materiais foi avaliado em quatro ciclos diferentes. A partir do segundo ciclo, a fase AK praticamente perdeu sua atividade, o que não aconteceu com os outros materiais que de forma reduzida ainda apresentam atividade no quarto ciclo.

Abstract

Industrial practices lead to the generation of a vast volume of effluent that often contains problematic substances, and when improperly disposed of, can cause irreversible damage to the environment. In this context, advanced oxidation processes (AOPs), which are a set of chemical reactions capable of generating hydroxyl radicals, can be employed for treating effluents containing organic matter, aiming for complete mineralization. Among the AOPs, the Fenton reaction generates hydroxyl radicals through the reaction between ferric or ferrous species and the oxidant hydrogen peroxide, which was chosen in this study to degrade the model molecule methylene blue. The phase of akaganeite iron oxide (AK) and copper-doped akaganeite (AKCu) was used for the synthesis of iron phosphide (FeP) and iron and copper phosphide (FeCuP). These materials were applied in the heterogeneous Fenton process. The elemental composition of the materials was identified using portable X-ray fluorescence, and the morphology and distribution of elements were evaluated by scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy, revealing an irregular surface and heterogeneous particle distribution. The infrared spectrum showed characteristic bands of akaganeite iron oxide. X-ray diffraction confirmed the synthesis of the materials. The oxygen evolution test allowed the identification of catalytic activity in the materials. Through the same test in an organic medium, it became evident that the predominant degradation mechanism of methylene blue is radical-based. The degradation kinetics of methylene blue were conducted at three different temperatures. As the temperature increased, the activity of the AKCu catalyst decreased, while the akaganeite phase showed good activity in the various tests conducted. Iron and copper phosphide exhibited excellent catalytic activity, achieving 98% removal of methylene blue from the reaction medium. By determining reaction rates at different temperatures, the reaction in the presence of the FeCuP composite was found to be about 243 times faster than its precursor AKCu. The reuse of materials was evaluated over four different cycles. From the second cycle onward, the AK phase practically lost its activity, which did not happen with the other materials, which still showed reduced activity in the fourth cycle.

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CERQUEIRA, G. H. C. Síntese de compósitos a base de akaganeita com cobre e fósforo: aplicação no processo fenton. 2023. 54 p. Dissertação (Mestrado Multicêntrico em Química de Minas Gerais) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2023.

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