Processo Fenton heterogêneo baseado em hidróxidos duplos lamelares para o tratamento de efluente urbano

Autor(es)

Nayara de Melo Costa Serge

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Araraquara. 2023-03-30.
• Instituição: Universidade Estadual Paulista (Unesp). Instituto de Química. Araraquara
• Data de defesa: 2023-03-17
• Orientador: Raquel Fernandes Pupo Nogueira

Resumo

O interesse na aplicação de Hidróxidos Duplos Lamelares (HDLs) como catalisadores no processo Fenton heterogêneo tem se tornado frequente devido às suas interessantes propriedades estruturais, baixo custo de produção, facilidade de síntese, possibilidade de incorporação de diferentes tipos de elementos em uma mesma estrutura e aplicação em condições de neutralidade. O aprimoramento e uso desses materiais como catalisadores no tratamento de efluente de uma estação de tratamento de esgoto (ETE), traria benefícios à saúde humana e ao meio ambiente. Estas perspectivas, motivaram a realização deste trabalho, onde foram sintetizados HDLs baseados em CuMgFe para a ativação de diferentes agentes oxidantes, peróxido de hidrogênio (H2O2), persulfato (PDS = S2O8 2-), e peroximonosulfato (PMS = HSO5 - ) na geração de espécies reativas para a degradação de fármacos e inativação de patógenos em efluente de ETE. Inicialmente foram sintetizados dois tipos de HDLs do tipo piroaurita (MgFe- CO3 e CuMgFe-CO3) pelo método de coprecipitação a pH constante para avaliar a influência da inserção de Cu no HDL na degradação do antibiótico sulfatiazol (STZ) no escuro e sob radiação LED-Vis. As análises de XPS confirmaram a inserção de Cu(II) na estrutura do HDL e a presença de Cu(I) após a reação, o que aumentou a eficiência de degradação de 150 μg L-1 de STZ, onde após 90 min de reação não foi possível detectar o contaminante utilizando 4 mmol L-1 de H2O2 e 0,5 g L-1 de CuMgFe-CO3, em pH 7,5, sob irradiação LED-Vis. Tendo em vista o potencial do HDL com cobre em remover o antibiótico em pH próximo ao neutro e a alta estabilidade mesmo após 4 ciclos de reuso, decidiu-se estudar a influência do ânion na atividade catalítica. Quatro HDLs de CuMgFe foram sintetizados, com variação do ânion interlamelar: B(OH)4 -, CO3 2-, NO3 - e SO4 2-, para a remoção do fármaco anticâncer 5-fluorouracil (5-FU) no escuro e sob radiação solar. Os resultados de DRX e XPS mostraram que os catalisadores foram sintetizados com pureza de fase e os respectivos ânions foram intercalados. A aplicação do processo de degradação no escuro, mostrou que o ânion interlamelar tem um forte efeito nas propriedades catalíticas do HDL, apresentando a seguinte sequência de constante de velocidade de pseudo-primeira ordem (k): CuMgFe-B(OH)4 > CuMgFe-NO3 > CuMgFe-SO4 > CuMgFe- CO3. A alta eficiência do HDL com boro foi explicada com base nos resultados de FTIR e XPS, que mostraram as interações B-O e B-OH, as quais foram responsáveis por induzir modificações na densidade eletrônica de CuMgFe-B(OH)4 , acelerando a redução de Cu(II) e Fe(III) e favorecendo assim a geração de espécies reativas de oxigênio no processo Fenton. Este catalisador propiciou a completa degradação de 200 μg L-1 de 5-FU sob radiação solar após 20 min e após 40 min no escuro, com eficiência de degradação mantida acima de 90% até o quarto ciclo de reuso na presença de 10 mmol L-1 de H2O2 e 0,5 g L-1 de HDL. O excelente desempenho de CuMgFe-B(OH)4 na degradação de 5-FU, motivou os estudos para a aplicação deste catalisador na degradação simultânea dos antibióticos sulfametoxazol (SMX), ciprofloxacina (CIP), cefalexina (CFX) e amoxicilina (AMX) e inativação dos patógenos Escherichia coli e Enterococcus faecalis com diferentes oxidantes, H2O2, PDS e PMS. Em cada sistema com os diferentes oxidantes, CuMgFe-B(OH)4 se comportou diferente. O PMS ativado pelo HDL foi o processo mais eficiente e proporcionou mais de 90% de remoção de todos os antibióticos após 120 min e inativação completa dos patógenos usando 0,5 g L-1 de HDL e 4 mmol L-1 de PMS. Entretanto, o sistema HDL com H2O2 foi eficiente para a desinfecção, mas não para a degradação de antibióticos devido à formação de complexos entre os cátions presentes na estrutura do catalisador e H2O2. O sistema ativado por PDS ocorre por uma via não radicalar envolvendo principalmente oxigênio singlete e Cu(III) com remoção de antibióticos, mas com capacidade de desinfecção limitada para Enterococcus faecallis. Nos experimentos realizados nesta tese, observou-se uma elevada estabilidade dos HDLs sintetizados e um excelente desempenho em condições neutras, o que é importante para a aplicação destes materiais como catalisadores. (AU)

• Processo FAPESP: 18/17517-0 - Hidróxidos duplos lamelares como catalisadores em processo foto-Fenton heterogêneo para a degradação de fármacos presentes em efluente hospitalar
• Beneficiário: Nayara de Melo Costa Serge
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado