Preparação de adsorventes mesoporosos para a adsorção de poluentes em águas

Mestrado Engenharia Química. Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental

O principal objectivo deste trabalho incidiu na preparação de adsorventes mesoporosos e modificação da sua química superficial de forma a introduzir grupos funcionais na superfície para produzir adsorventes com propriedades adequadas à adsorção de corantes em águas. A preparação do xerogel de carbono consistiu na policondensação do sol-gel de resorcinol com formaldeído. No início da polimerização adicionou-se carbonato de sódio, como catalisador básico, numa razão molar catalisador:resorcinol de 1:200. A etapa de pirólise deu-se num forno pirolítico vertical, sob uma atmosfera de azoto, a 100 mL/min, com uma taxa de aquecimento de 2 K/min. Após a preparação do xerogel de carbono procedeu-se à oxidação em fase líquida deste material com solução de ácido nítrico 0,2 mol/L. A oxidação do xerogel de carbono foi de 6 horas, sendo que estas foram divididas em intervalos de 3 horas, de forma a garantir que o ácido nítrico não perdesse a sua capacidade de oxidação. A caracterização da química superficial do xerogel de carbono oxidado e não oxidado foi efectuada pelo método de neutralização selectiva de Boehm e por dessorção a temperatura programada combinada com espectrometria de massa (TPD). O xerogel de carbono oxidado tem presente na sua superfície uma maior quantidade de grupos ácido carboxilicos, fenólicos, carbonilos e quinonas, quando comparado com o xerogel de carbono não oxidado. O xerogel de carbono não oxidado apenas apresenta na sua superfície baixas quantidades de grupos ácidos carboxilicos, carbonilos e quinonas. A caracterização textural do xerogel de carbono foi determinada através das isotérmicas de adsorção de N2 a 77 K. As isotérmicas de adsorção seguem o modelo de isotérmicas do tipo IV, característico de sólidos micro e mesoporosos. As áreas superficiais do xerogel de carbono oxidado e do xerogel de carbono não oxidado são 714 e 653 m2/g, respectivamente. O volume de microporos do xerogel de carbono oxidado é superior ao volume de microporos do xerogel de carbono não oxidado. Os seus valores correspondentes são 0,20 e 0,16 cm3/g. Estes materiais foram testados na adsorção de corantes com carácter ácido e básico, acid black e azul de metileno, respectivamente, em solução aquosa à temperatura de 25 ºC. O pH das soluções foi um dos parâmetros em estudo, sendo que se realizaram ensaios para pH inicial entre 6 e 8, pH 3 e pH 9. A adsorção do acid black foi favorecida em soluções com carácter ácido, enquanto que a adsorção de azul de metileno foi favorecido a pH 9. A introdução de grupos funcionais conduziu a um bom desempenho do xerogel. Os dados experimentais de equilíbrio de adsorção foram ajustados pelos modelos de Langmuir e Freundlich. O modelo de Langmuir ajustou melhor os valores experimentais de adsorção do acid black, enquanto os de adsorção de azul de metileno foram melhor ajustados pelo modelo de Freundlich

The main objective of this work dealt with the preparation of mesoporous adsorbents and modification of their surface chemistry in order to introduce functional groups on the surface to produce adsorbents with suitable properties for adsorption of dyes in water. The preparation of carbon xerogel consisted of the sol-gel polycondensation of resorcinol with formaldehyde. At the beginning of the polymerization was added sodium carbonate as basic catalyst in a molar ratio catalyst: resorcinol of 1:200. The pyrolysis step took place in a vertical pyrolytic oven under a nitrogen atmosphere of 100 mL/min, with a heating rate of 2 K/min. After the preparation of carbon xerogel proceeded to the liquid phase oxidation of this material with nitric acid solution 0,2 mol/L. The oxidation of carbon xerogel was 6 hours, and these were divided into 3 hours plus 3 hours, to ensure that nitric acid doesn’t lose its oxidation capacity. The characterization of the surface chemistry of oxidized and non oxidized carbon xerogel was made by Boehm selective neutralization method and temperature programmed desorption combined with mass spectrometry (TPD). The oxidized carbon xerogel have on its surface a greater amount of carboxylic acid groups, phenolic, carbonyl and quinones, when compared with the non-oxidized carbon xerogel. The non-oxidized carbon xerogel presents on its surface only low amounts of carboxylic acid groups, carbonyls and quinones. The textural characterization of the carbon xerogel was determined by the N2 adsorption isotherms at 77 K. The adsorption isotherms follow the model of the type IV isotherms, characteristic of micro and mesoporous solids. The surface areas of the oxidized and non-oxidized carbon xerogel are 714 and 653 m2/g, respectively. The micropore volume of the oxidized carbon xerogel is higher than the micropore volume of the non-oxidized carbon xerogel. Their corresponding values are 0,20 and 0,16 cm3/g. These materials were tested in the adsorption of dyes with acid and basic character, acid black and methylene blue, respectively, in aqueous solution at temperature of 25 ºC. The pH of the solutions was one of the parameters being studied, and experiments were held for initial pH between 6 and 8, pH 3 and pH 9. The introduction of functional groups led to a good performance of the xerogel. The adsorption of acid black was favored in acid solutions, while methylene blue adsorption was favored at pH 9. The adsorption isotherms were fitted to Langmuir and Freundlich models. The Langmuir model fitted the experimental values of the acid black adsorption, while the experimental values of methylene blue adsorption were better fitted to the Freundlich model.