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Uso de hematita potencializada com sítios ácidos em processos tipo-Fenton

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Resumo

Neste trabalho foi desenvolvido um catalisador preparado por meio da sulfatação da superfície de óxidos de ferro para aplicação em processos oxidativos avançados e utilizado na degradação de diferentes corantes orgânicos. Foi preparado um percursor, a goethita, por meio da técnica de coprecipitação e, posteriormente, esse precursor foi impregnado com solução aquosa de ácido sulfúrico, seguido de tratamento térmico à 500°C por 3 horas. Ao sofrer esse tratamento térmico, a goethita é convertida à fase hematita. Os catalisadores foram caracterizados por Espectroscopia Raman e Difração de Raios X, que possibilitaram identificar as fases de ferro. Antes da sulfatação a goethita foi a principal fase identificada e após o procedimento com ácido sulfúrico a hematita prevaleceu. A microscopia eletrônica de varredura acoplado espectroscópio de raios X por energia dispersiva permitiu analisar a morfologia dos catalisadores, sendo que estes são constituídos por uma distribuição não segregada dos principais elementos constituintes nas amostras. Os estudos por Espectroscopia de Absorção Molecular na Região do Infravermelho identificaram os grupos funcionais presentes na estrutura dos catalisadores, no qual pôde-se constatar bandas características das fases goethita e hematita, assim como as bandas características da ligação do grupo sulfato com o metal do óxido. As Análises Térmicas (TG, DTG e DTA), permitiram analisar a estabilidade térmica dos catalisadores. A goethita é estável até os 40°C, a partir dessa temperatura começa a saída de moléculas de água. Já a hematita, apresenta uma perda de massa gradual, atribuída à desidroxilação de grupos Fe-OH. As hematitas sulfatadas apresentaram perda de massa próxima a 450 °C referente à decomposição de sulfato. Com o estudo das Isotermas de Fisissorção de Nitrogênio foi possível mensurar a área superficial específica dos catalisadores, sendo que aqueles submetidos a mais de um ciclo consecutivos tiveram os maiores valores de área. Com relação à acidez superficial, obtida pela retrotitulação dos grupos ácidos, foi possível determinar o número de sítios ácidos superficiais dos catalisadores, sendo que após a sulfatação a acidez do óxido aumentou cerca de 18 vezes. A cinética de degradação dos corantes mostrou 90% de redução do azul de Metileno em 9 minutos e para o violeta cristal e preto Remazol B, 87% e 80%, respectivamente, em 18 minutos. O catalisador aplicado em fase heterogênea foi bastante promissor, pois manteve sua atividade por mais de um ciclo reacional consecutivo, ou seja, após os 20 minutos de reação o catalisador ainda possuía atividade catalítica. Os testes de lixiviado mostraram que os grupamentos funcionais adicionados à superfície do catalisador não foram lixiviados para fase homogênea, garantindo assim a viabilidade operacional do processo. Após a perda de atividade no quinto ciclo, o catalisador pôde ser regenerado por tratamento térmico em atmosfera oxidante, a partir de uma nova carga de solução aquosa de ácido sulfúrico. Após regeneração, o catalisador apresentou excelente capacidade catalítica, sendo capaz de realizar vários ciclos de degradação do azul de metileno.

Abstract

In this work, a catalyst was prepared by sulfating the surface of iron oxides for application in advanced oxidative processes and used in the degradation of different organic dyes. A precursor, goethite, was prepared using the coprecipitation technique and, subsequently, this precursor was impregnated with an aqueous solution of sulfuric acid, followed by heat treatment at 500 ° C for 3 hours. When undergoing this heat treatment, goethite is converted to the hematite phase. The catalysts were characterized by Raman Spectroscopy and X-Ray Diffraction, which made it possible to identify the iron phases. Before sulfation, goethite was the main phase identified, and after the procedure with sulfuric acid, hematite prevailed. The scanning electron microscopy coupled with an X-rays spectroscope by dispersive energy allowed to analyze the morphology of the catalysts, which are constituted by a non-segregated distribution of the main constituent elements in the samples. The Molecular Absorption Spectroscopy studies in the Infrared Region identified the functional groups present in the catalyst structure, in which it was possible to verify characteristic bands of the goethite and hematite phases, as well as the characteristic bands of the bonding of the sulfate group with the oxide metal. The Thermal Analyzes (TG, DTG, and DTA), allowed to analyze the thermal stability of the catalysts. Goethite is stable up to 40 °C, from which temperature water molecules start to leave. Hematite, on the other hand, presents a gradual loss of mass, attributed to the dehydroxylation of Fe-OH groups. Sulfated hematites showed a loss of mass close to 450 ° C related to sulfate decomposition. With the study of Nitrogen Physisorption Isotherms, it was possible to measure the specific surface area of the catalysts, and those submitted to more than one consecutive cycle had the highest area values. Regarding the surface acidity, obtained by the back-titration of the acid groups, it was possible to determine the number of surface acidic sites of the catalysts, and after sulfation, the acidity of the oxide increased about 18 times. The degradation kinetics of the dyes showed a 90% reduction in methylene blue in 9 minutes and for crystal violet and black Remazol B, 87% and 80%, respectively, in 18 minutes. The catalyst applied in a heterogeneous phase was very promising, as it maintained its activity for more than one consecutive reaction cycle, that is, after the 20 minutes of reaction, the catalyst still had catalytic activity. The leachate tests showed that the functional groups added to the catalyst surface were not leached to a homogeneous phase, thus guaranteeing the operational viability of the process. After the loss of activity in the fifth cycle, the catalyst could be regenerated by heat treatment in an oxidizing atmosphere, from a new charge of aqueous sulfuric acid solution. After regeneration, the catalyst showed excellent catalytic capacity, being able to carry out several cycles of methylene blue degradation.

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ARAÚJO, A. F. Uso de hematita potencializada com sítios ácidos em processos tipo-Fenton. 2020. 84 p. Tese (Doutorado Multicêntrico em Química) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2020.

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