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http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/16828
Tipo: | Dissertação |
Título: | Desenvolvimento de hidrocarvões funcionalizados com óxido de grafeno para a remediação de águas contaminadas com nitrato |
Autor(es): | Santos, Mikaele Lorrany Siqueira |
Primeiro Orientador: | Oliveira, Leonardo Mendonça Tenório de Magalhães |
metadata.dc.contributor.advisor-co1: | Duarte, José Leandro da Silva |
metadata.dc.contributor.referee1: | Zanta, Carmem Lucia de Paiva e Silva |
metadata.dc.contributor.referee2: | Silva, Júlio Cosme Santos da |
metadata.dc.contributor.referee3: | Bernardo, Vanderson Barbosa |
Resumo: | A contaminação por nitrato em águas subterrâneas e superficiais, causada pelo uso excessivo de fertilizantes, descarte inadequado de resíduos e entre outros é um problema ambiental sério. Concentrações de nitrato acima de 10 mg.L⁻¹ podem formar compostos tóxicos, como nitrito e nitrosaminas, representando riscos à saúde. Métodos tradicionais de remoção são restritos, induzindo à busca por alternativas como novos materiais para processos de adsorção. O hidrocarvão, um material poroso rico em carbono, é amplamente utilizado na adsorção de poluentes, mas sua eficiência para remoção de ânions, como o nitrato, é limitada devido à carga negativa da superfície em certos pH. O óxido de grafeno, com suas propriedades superiores e grupos funcionais ativos, surge como um reforço. Ao combiná-lo com o hidrocarvão, obtém-se um compósito, em que o hidrocarvão atua como matriz lignocelulósica de suporte. Desse modo, esse trabalho objetivou o desenvolvimento de compósitos de hidrocarvão funcionalizados com óxido de grafeno, derivados da biomassa de cana-de-açúcar, visando aprimorar a capacidade de adsorção de nitrato em águas contaminadas. A síntese dos materiais foi realizada a partir da palha (cana-de-açúcar) utilizando processos térmicos e químicos para garantir uma estrutura porosa e funcional. Para a síntese dos Óxidos de Grafeno, foram empregadas duas rotas: via óxido de ferro (OG-Fe₃O₄) e a outra utilizando ferroceno (OG-Fe(C₅H₅)₂). Além disso, quatro rotas de síntese foram adotadas para os compósitos, incluindo a via hidrotermal ((HC/OG-Fe₃O₄ I) e (HC/OG-Fe(C₅H₅)₂ I)) e a via de heterojunção ((HC/OG-Fe₃O₄ II) e (HC/OG-Fe(C₅H₅)₂ II)). Após a síntese, os materiais foram caracterizados morfologicamente e funcionalmente. Foi possível confirmar a eficácia dos compósitos OG-Fe(C₅H₅)₂ para remoção de nitrato. A caracterização estrutural por DRX mostrou o padrão de óxido de grafeno com uma distância interplanar de 0,70 nm em torno de 11°, enquanto a FTIR identificou grupos oxigenados funcionais como -OH e -COOH, essenciais para a adsorção. Com ponto de carga zero em pH 5,6, o hidrocarvão apresentou carga positiva em pH ácido, favorecendo interações eletrostáticas com nitrato. A análise de MEV revelou cavidades e porosidades, enquanto a estabilidade térmica foi favorecida pela alta proporção de carbono e a cinética seguiu o modelo de pseudo segunda ordem, com adsorção rápida entre 15 a 40 minutos. Em pH 4, os compósitos removeram até 72% do nitrato, enquanto em pH neutro mantiveram 67%, indicando seu potencial para aplicações industriais sem necessidade de ajustes ácidos. O estudo detalhou também a sinergia entre interações eletrostáticas e ligações de hidrogênio, auxiliando na captura dos íons nitrato. O desempenho robusto em pH neutro, aliado à rápida cinética de adsorção, posiciona o compósito HC/OG-Fe(C₅H₅)₂ como uma alternativa prática e eficiente em viii tratamento de água, podendo reduzir custos e simplificar etapas sem comprometer a eficiência na remoção de nitrato. |
Abstract: | Nitrate contamination in groundwater and surface water, caused by excessive fertilizer use, improper waste disposal, and other sources, is a serious environmental problem. Nitrate concentrations above 10 mg.L⁻¹ can form toxic compounds, such as nitrite and nitrosamines, posing health risks. Traditional removal methods are limited, leading to the search for alternatives, such as new materials for adsorption processes. Hydrochar, a porous carbon-rich material, is widely used for pollutant adsorption, but its efficiency for anion removal, such as nitrate, is limited due to its negative surface charge at certain pH levels. Graphene oxide, with its superior properties and active functional groups, emerges as an enhancer. Combining it with hydrochar results in a composite where hydrochar acts as a lignocellulosic support matrix. Thus, this work aimed to develop graphene oxide-functionalized hydrochar composites derived from sugarcane biomass to improve nitrate adsorption capacity in contaminated water. The synthesis of the materials was carried out from sugarcane straw using thermal and chemical processes to ensure a porous and functional structure. For the synthesis of Graphene Oxides, two routes were employed: via iron oxide (OG-Fe₃O₄) and using ferrocene (OG-Fe(C₅H₅)₂). Furthermore, four synthesis routes were adopted for the composites, including the hydrothermal route ((HC/OG-Fe₃O₄ I) and (HC/OG-Fe(C₅H₅)₂ I)) and the heterojunction route ((HC/OG-Fe₃O₄ II) and (HC/OG-Fe(C₅H₅)₂ II)). After synthesis, the materials were characterized morphologically and functionally. The effectiveness of OG-Fe(C₅H₅)₂ composites for nitrate removal was confirmed. Structural characterization by XRD showed the graphene oxide pattern with an interplanar distance of 0.70 nm around 11°, while FTIR identified oxygenated functional groups such as -OH and -COOH, essential for adsorption. With a point of zero charge at pH 5.6, hydrochar exhibited a positive charge in acidic pH, favoring electrostatic interactions with nitrate. SEM analysis revealed cavities and porosities, while thermal stability was enhanced by the high carbon content, and the adsorption kinetics followed the pseudo-second-order model, with rapid adsorption between 15 to 40 minutes. At pH 4, the composites removed up to 72% of nitrate, while at neutral pH, they maintained 67%, indicating potential for industrial applications without acidic adjustments. The study also detailed the synergy between electrostatic interactions and hydrogen bonds, aiding in nitrate ion capture. The robust performance at neutral pH, combined with rapid adsorption kinetics, positions the HC/OG-Fe(C₅H₅)₂ composite as a practical and efficient alternative for water treatment, x potentially reducing costs and simplifying processes without compromising nitrate removal efficiency. |
Palavras-chave: | Carbonização hidrotérmica Compósitos Cana-de-Açúcar Adsorção Hydrothermal carbonization Composites Sugarcane biomass Adsorption |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal de Alagoas |
Sigla da Instituição: | UFAL |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química |
Citação: | SANTOS, Mikaele Lorrany Siqueira. Desenvolvimento de hidrocarvões funcionalizados com óxido de grafeno para a remediação de águas contaminadas com nitrato. 2025. 74 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2024. |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/16828 |
Data do documento: | 16-ago-2024 |
Aparece nas coleções: | Dissertações e Teses defendidas na UFAL - CTEC |
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