Uso de nanopartículas de ferro zero na remediação ambiental de águas contaminadas por compostos organoclorados

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Remediação de solos contaminados com produtos farmacêuticos – oxidação / redução química

Actualmente, a poluição do ar, água e solo são problemáticas nas quais se têm centrado diversos estudos. Reduzir ou eliminar a concentração dos diversos poluentes presentes nestes meios é uma meta que se pretende atingir. Neste âmbito, têm sido desenvolvidos diversos estudos e trabalhos, utilizando diversas tecnologias, como químicas e biológicas, de forma a conseguir-se atingir este fim. Esta tese teve como principal objectivo estudar a remediação de solos contaminados com produtos farmacêuticos recorrendo à oxidação/redução química. Assim, começou por se estudar a remediação de água contaminada com ibuprofeno, uma vez, que a matriz líquida é mais fácil de estudar que o solo. Neste âmbito escolheram-se os seguintes reagentes para estudar a descontaminação da água: permanganato de potássio, reagente de Fenton e nanopartículas de ferro zero valente. Analisando os resultados obtidos nestas análises, verificou-se que o permanganato de potássio não foi capaz de reduzir a concentração de ibuprofeno presente na água. No entanto, o reagente de Fenton e as nanopartículas produzidas a partir do extracto da casca de castanha e do chá conseguirem reagir com o ibuprofeno, apresentando taxas de degradação de 90 % e 77 %, respectivamente, nas melhores condições experimentadas. Com os resultados obtidos, passou-se a analisar solos contaminados com o ibuprofeno, utilizando o reagente de Fenton e as nanopartículas produzidas a partir de um extracto de chá. Verificou-se que estes reagentes conseguiram reduzir a concentração de ibuprofeno presente no solo (areia) para valores residuais, obtendo-se taxas de degradação acima de 95 % após 5 dias de reacção. Conclui-se que, o objectivo principal desta tese foi cumprido pois foi reduzida, e quase eliminada, a concentração do ibuprofeno presente no solo, recorrendo à oxidação/redução química.

Avaliação ecotoxicológica de solos contaminados por ibuprofeno

Os produtos farmacêuticos são substâncias químicas muito utilizados em medicina, veterinária e ainda na agricultura. Nos anos 90, foi descoberta a presença de fármacos em meio aquático, verificando-se que a sua remoção nas Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) não era completa. Durante as duas últimas décadas foi identificada a presença de mais de oitenta compostos no meio ambiente e actualmente são considerados poluentes emergentes. Podem contaminar solos e águas, depois de serem usados e excretados (inalterados ou metabolizados) por humanos e animais, ou quando são indevidamente lançados directamente no meio ambiente. Os estudos ecotoxicológicos efectuados com estes poluentes têm sido direccionados, sobretudo, para as águas, existindo uma ausência de trabalhos sobre solos. O Ibuprofeno (IB) é um anti-inflamatório não esteróide, utilizado também como analgésico e antipirético, sendo um dos produtos farmacêuticos mais vendidos em todo o mundo, o que justifica a sua forte presença no meio ambiente. Por isso, e dada a ausência de trabalhos ecotoxicológicos de solos contaminados por fármacos, o IB foi o produto farmacêutico selecionado para a realização deste trabalho. A ecotoxicidade pode ser avaliada através de bioensaios. Estes têm a capacidade de avaliar a toxicidade de uma determinada substância de forma global, usando organismos vivos que funcionam como bio-indicadores. O presente trabalho tem como objectivos avaliar o impacte causado nos solos pelo IB, testar a toxicidade de dois processos de descontaminação para remover o referido fármaco dos solos assim como avaliar a toxicidade provocada por águas residuais, de três unidades hospitalares e de uma indústria farmacêutica. Esta avaliação foi efectuada através de ensaios de toxicidade aguda de germinação e de alongamento de raiz de sementes de alface, variedade bola de manteiga (Lactuca sativa), em solo arenoso. Os ensaios de ecotoxicidade aguda em solos contaminados por IB foram realizados para uma gama de concentrações entre 0,1 e 1000 μg/L. Verificou-se uma redução do número de sementes germinadas e do comprimento médio da planta no solo contaminado com 0,5 e 20 μg/L de IB. No solo contaminado com 1000 μg/L de IB observou-se uma redução da germinação, acompanhada por uma indução de crescimento da raiz da espécie Lactuca sativa. Os dois tratamentos de descontaminação de solos, reagente de Fenton e Nanopartículas de ferro zero valente, revelaram toxicidade, tendo-se obtido uma percentagem de germinação entre 32,2 ± 3,5 e 48,5 ± 6,2 e inibição do crescimento da raiz do organismo teste em cerca de 85,0 %. Em relação às águas residuais hospitalares verificou-se uma redução da percentagem de germinação entre 31,1 ± 5,0 e 72,3 ± 12,4 e uma inibição do crescimento da raiz situada entre 13,0 ± 6,4 e 20,2 ± 10,0 %. Para a água residual industrial ocorreu uma inibição da percentagem de germinação de 60,5 ± 13,1, contudo nas plantas germinadas observou-se uma indução do crescimento da raiz de 14,9 ± 7,7 %.

Remediação de solos contaminados por compostos farmacêuticos

O recente surgimento de nanopartículas de ferro valente-zero (nFZV), um material com elevada capacidade de remediação de solos por via de reacções de oxidação/redução pode ser uma opção viável para a remoção de fármacos do solo. A sua aplicação já é uma realidade em alguns tipos de solos contaminados por compostos específicos e, com este trabalho, procura-se estudar a sua capacidade de remediação de solos contaminados por compostos farmacêuticos, recorrendo-se a uma tecnologia “verde” de síntese destas nanopartículas. Esta tecnologia é bastante recente, ainda não aplicada no campo de trabalho, que se baseia no uso de folhas de certas árvores para produzir extratos naturais que reduzem o ferro (III) a ferro zero valente, formando nFZV. Desta forma procedeu-se, à escala laboratorial, ao estudo da eficiência das nFZV na degradação de um fármaco – paracetamol – e comparou-se com a eficiência demonstrada por oxidantes, muito utilizados hoje em dia em casos de remediação in situ como o permanganato de potássio, o peróxido de hidrogénio, o persulfato de sódio e o reagente de Fenton. O estudo foi efectuado em dois meios diferentes: solução aquosa e solo arenoso. De forma muito sucinta, o estudo baseou-se na introdução dos oxidantes/nFZV em soluções/solos contaminados com paracetamol e consequente monitorização do processo de remediação através de cromatografia líquida de alta eficiência. Nos ensaios com soluções aquosas contaminadas com paracetamol, o permanganato de potássio e o reagente de Fenton revelaram capacidade para degradar o paracetamol, atingindo mesmo um grau de degradação de 100%. O persulfato de sódio também demonstrou uma capacidade de degradação do paracetamol, chegando a atingir 99% de degradação, mas apenas recorrendo ao uso de um volume de oxidante elevado quando comparado com os outros dois oxidantes já referidos. Por outro lado, o peróxido de hidrogénio não demonstrou qualquer capacidade de degradação do paracetamol, pelo que o seu uso não passou desta fase. Verificou-se também que o uso de ferro granulado para o tratamento de água contaminada com paracetamol revelou resultados diferentes dos observados no uso de nFZV, obtendo-se eficiências de 87%. Existiram dificuldades analíticas na quantificação do paracetamol, especificamente relacionadas com o uso do extracto de folhas de amoreira, cuja composição continha substâncias que causaram dificuldades acentuadas na análise dos cromatogramas. Por fim, um pequeno teste de combinação do reagente de Fenton com os fenómenos de biodegradação resultantes dos microrganismos presentes em folhas do extracto de chá preto demonstrou que este pode ser uma área que pode e deve ser mais estudada. Desta forma, a utilização das nFZV para o tratamento de água contaminada com paracetamol não permitiu a retirada de conclusões seguras sobre a capacidade que as nFZV produzidas com extractos de folhas de amoreira e de chá preto têm de degradação do paracetamol. Nos testes de remediação de solos contaminados os resultados demonstraram que, mais uma vez, tanto o permanganato de potássio como o reagente de Fenton se revelam como os melhores oxidantes para a degradação do paracetamol, obtendo-se a degradação total do paracetamol. Por outro lado, voltou a ser necessário uma elevada quantidade de persulfato de sódio quando comparada com os dois anteriores, para que ocorra a degradação desta mesma quantidade de paracetamol, demonstrando mais uma vez que, apesar de não ideal, o persulfato demonstra capacidade de degradação do paracetamol.

Eliminação de dioxinas em cinzas volantes com nanopartículas de ferro

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Ferro zero: uma nova abordagem para o tratamento de águas contaminadas com compostos orgânicos poluentes

Anthropogenic pollution of groundwater and surface water has become a very serious environmental problem around the world. A wide range of toxic pollutants is recalcitrant to the conventional treatment methods, thus there is much interest in the development of more efficient remediation processes. Degradation of organic pollutants by zero-valent iron is one of the most promising approaches for water treatment, mainly because it is of low cost, easy to obtain and effective. After a general introduction to water pollution and current treatments, this work highlights the advances, applications and future trends of water remediation by zero-valent iron. Special attention is given to degradation of organochloride and nitroaromatic compounds, which are commonly found in textile and paper mill effluents.

Propriedades magnéticas de nanopartículas de ferro em substratos antiferromagnéticos

The effect of finite size on the magnetic properties of ferromagnetic particles systems is a recurrent subject. One of the aspects wide investigated is the superparamagnetic limit where the temperature destroys the magnetic order of ferromagnetic small particles. Above the block temperature the thermal value of the magnetic moment of the particle vanishes, due to thermal fluctuations. The value of the blocking temperature diminishes when the size of the particle is reduced, reflecting the reduction of the anisotropy energy barrier between the uniform states along the uniaxial axis. The increasing demand for high density magnetic media has recently attracted great research interest in periodic arrangements of nanometric ferromagnetics particles, approach in the superparamagnetic limit. An interesting conjecture is the possibility of stabilization of the magnetic order of small ferromagnetic particles (F) by interface coupling with antiferromagnetic (AF) substrate. These F/AF systems may also help to elucidate some details of the effect of exchange bias, because the effect of interface roughness and the paper of domain walls, either in the substrate or the particle, are significantly reduced. We investigate the magnetic phases of small ferromagnetic particles on a antiferromagnetic substrate. We use a self-consistent local field method, incorporating the interface field and the dipole interaction between the spins of the ferromagnetic particle. Our results indicate that increasing the area of the interface favors the formation of the uniform state. Howere above a critical height value appears a state non-uniform is formed where the spins of in the particle s free surface are rotated with respect to the interface spins direction. We discuss the impact of the competition between the dipolar and interface field on the magnetic charge, that controls the field of flux leakage of the particle, and on the format of the hysteresis curves. Our results indicate that the liquid magnetic charge is not a monotonically increasing function of the height of the particle. The exchange bias may display anomalous features, induced for the dipolar field of the spins near the F/AF interface

Influência da estrutura de corantes azo na cinética de degradação por processo foto-Feton e ferro zero e na toxicidade

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Degradação dos fármacos ciprofloxacino e sertalina pelos processos ferro zero e foto-Fenton - aplicação em amostras de efluentes de estação de tratamento de esgoto

Pós-graduação em Química - IQ

Determinação de fósforo em biodiesel utilizando eletrodo quimicamente modificado com nanopartículas de ferro

Once petroleum is na exhaustible source of energy, alternative fuels are having more prominence. A much discussed option for replacing fossil fuels is the use of biofuels derived from oils or fats, especially biodiesel. The biodiesel preparation is through a reaction named transesterification, a reaction of triglycerides with a short chain alcohol with a catalyst, producing a mixture of fatty acid esters and glycerol. According to ANP (National Petroleum Agency) specifications, biodiesel can have contaminants due to the catalyst or oil used on its synthesis, such as phosphorus, wich can damage the catalytic converter and cause significant increase in the particles emission. This project aims to develop na alternative method using chemically modified electrodes with iron nanoparticles for determination of phosphorus in biodiesel. For the formation of the iron nanoparticles film on the surface of a glassy carbon electrode, was used a iron sulfate solution. The film was formed after 10 successive cycles, with a scanning speed of 50 mV s-1 and a potential range of -0,9 to -1,25 V. To reduce possible oxides on the surface and activate the electrode, it has been subjected to a cathodic polarization with a potential of -1,25 V for 15 minutes in a sodium hydroxide solution. In cyclic voltammograms obtained in the study of the speed of scanning, there is an increase in the intensity of the anodic and cathodic current peaks. The cathodic peak current varied linearly with the square root of scan rate, showing that the electrode is controlled by diffusion. After successive additions of phosphate there is a linear variation in the current peak in the concentration range of 1,0 x 10-7 a 1,0 x 10-6 mol L-1. To determine if the concentration of phosphorus in real sample, the method of adding standard was used by adding aliquots of phosphate ions in the solution containing soy biodiesel extracted with ....

Síntese hidrotérmica de nanopartículas de 'TI''O IND.2', de nanocompósitos metal/'TI''O IND.2' e degradação oxidativa de 4-clorofenol em reator membranar fotocatalítico

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Nucleação de vortices e paredes de domínio em nanoestruturas magnéticas

We report a theoretical investigation of the magnetic phases and hysteresis of exchange biased ferromagnetic (F) nanoelements for three di erent systems: exchange biased nanoparticles, exchange biased narrow ferromagnetic stripes and exchange biased thin ferromagnetic lms. In all cases the focus is on the new e ects produced by suitable patterns of the exchange energy coupling the ferromagnetic nanoelement with a large anisotropy antiferromagnetic (AF) substrate. We investigate the hysteresis of iron and permalloy nanoparticles with a square basis, with lateral dimensions between 45 nm and 120 nm and thickness between 12 nm and 21 nm. Interface bias is aimed at producing large domains in thin lms. Our results show that, contrary to intuition, the interface exchange coupling may generate vortex states along the hysteresis loop. Also, the threshold value of the interface eld strength for vortex nucleation is smaller for iron nanoelements. We investigate the nucleation and depinning of an array of domain walls pinned at interface defects of a vicinal stripe/AF bilayer. The interface exchange eld displays a periodic pattern corresponding to the topology of the AF vicinal substrate. The vicinal AF substrate consists of a sequence of terraces, each with spins from one AF subalattice, alternating one another. As a result the interface eld of neighboring terraces point in opposite direction, leading to the nucleation of a sequence of domain walls in the ferromagnetic stripe. We investigated iron an permalloy micrometric stripes, with width ranging from 100 nm and 300 nm and thickness of 5 nm. We focused in domain wall sequences with same chirality and alternate chirality. We have found that for 100nm terraces the same chiraility sequence is more stable, requiring a larger value of the external eld for depinning. The third system consists of an iron lm with a thickness of 5 nm, exchange coupled to an AF substrate with a periodic distribution of islands where the AF spins have the opposite direction of the spins in the background. This corresponds to a two-sublattice noncompensated AF plane (such as the surface of a (100) FeF2 lm), with monolayer-height islands containing spins of one sublattice on a surface containing spins of the opposite sublattice. The interface eld acting in the ferromagnetic spins over the islands points in the opposite direction of that in the spins over the background. This a model system for the investigation of interface roughness e ects. We have studied the coercicivity an exchange bias hysteresis shift as a function of the distance between the islands and the degree of interface roughness. We have found a relevant reduction of coercivity for nearly compensated interfaces. Also the e ective hysteresis shift is not proportional to the liquid moment of the AF plane. We also developed an analytical model which reproduces qualitatively the results of numerical simulations

Preparação e caracterização de nanocompósitos de Fe@SiO2, Fe@Fe3O4 e Fe3O4@PNIPAM

Pós-graduação em Química - IQ

Desenvolvimento de processos oxidativos avançados para degradação de agrotóxicos em meio aquoso

Atualmente há uma crescente preocupação quanto à qualidade dos recursos hídricos, e essa notória inquietação se deve em parte ao aumento na demanda e consumo de água a nível global, uma vez que o crescimento econômico, juntamente com o desenvolvimento tecnológico, agrícola e industrial conduz a poluição ambiental. Neste contexto, os agrotóxicos, apresentam um alto fator de risco para a qualidade dos recursos hídricos, pois essas substâncias geralmente são tóxicas e não biodegradáveis. Diante deste cenário, um dos maiores desafios nos dias atuais é a eliminação de uma parte significativa, dessa poluição, a qual é causada por esses contaminantes orgânicos tóxicos. O processo clássico de oxidação biológica falha na eliminação de compostos tóxicos, bem como de contaminantes orgânicos recalcitrantes. Além disso, os processos físico-químicos, como a adsorção em carvão ativado, floculação, e a filtração por membranas, apenas transferem esses contaminantes de fase, sem que ocorra a sua destruição. Sendo assim, surge a necessidade da adoção de técnicas que possam ser destrutivas a essas espécies. Os Processos Oxidativos Avançados, surgem como um caminho alternativo para diminuir e eliminar os resíduos desses contaminantes orgânicos. Por tanto, tiveram-se como objetivos neste trabalho: (i) desenvolver e otimizar um processo Fenton empregando ferro zero e peróxido de hidrogênio (Fe0 /H2O2) (ii) utilizar como fonte de ferro zero para o processo Fenton limalha de ferro, a qual é um resíduo da atividade metalúrgica na cidade de Rio Grande (iii) otimizar o tempo de reação (TR) e tempo de homogeneização (TH) para a Fotocatálise Heterogênea empregando um catalisador de sílica dopada com dióxido de titânio e dicloreto de tris (2,2-bipiridina) rutênio II (iv) desenvolver um método cromatográfico empregando LC-DAD para realizar o monitoramento da degradação dos agrotóxicos (v) empregar a LC-MS/MS para confirmar a degradação dos agrotóxicos e monitorar a formação de produtos (vi) empregar IC para monitorar a formação de espécies iônicas (vii) realizar a determinação de COT para estimar a mineralização do carbono orgânico dissolvido. Para tanto, um total de seis agrotóxicos foram selecionados para a o estudo de degradação: bentazona, carbofurano, clomazona, diurom, tebuconazole e piraclostrobina. O sistema Fe0 /H2O2 desenvolvido para a degradação dos agrotóxicos mostrou ser eficiente. A eficiência de degradação foi fortemente afetada pelo pH, massa de limalha de ferro e concentração de peróxido de hidrogênio. As melhores condições para a degradação foram: pH 2,0, 5 mmol L-1 H2O2 e 2,0 g de limalha de ferro. No tempo total de 20 min o carbono orgânico total foi reduzido levando a mineralização de 55%, com taxas de degradação que variaram de 51 a 100%. A utilização de recirculação no sistema Fe0 /H2O2 elevou a taxa de degradação dos agrotóxicos bentazona e carbofurano. As taxas variaram de 93 a 100% de degradação, com um tempo total de reação de 120 min, chegando a 63% de mineralização. O sistema TiO2/UV também mostrou-se adequado a degradação dos agrotóxicos. As condições ótimas foram 20 mg de catalisador, pH 7, TH de 15 min e TR de 110 min. O sistema apresentou taxas de degradação que variaram de 71 a 99,98%. Levando a mineralização de 97,60% da demanda de carbono orgânico.