Degradação de corante AB113 através de TiO2-Ag imobilizado em tecido de poliéster e radiação UV Felipe, B. H. S. 1*; Ladchumananadasivam, R. L. 1, Nascimento, J. H. O. ²; I. O. da Silva ¹; Neves, J.3; Teixeira, V.4 1: Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal, Brasil 2: Departamento de Engenharia Têxtil, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal, Brasil. 3: Departamento de Engenharia Têxtil, Universidade do Minho. Guimarães, Portugal. 4: Departamento de Física, Universidade do Minho. Guimarães, Portugal. * e-mail:
[email protected] Resumo Em tratamentos de efluentes têxteis pelo método da foto-oxidação catalítica, a separação dos fotocatalisadores da solução aquosa após reação pode ser muito difícil uma vez que as nanopartículas possuem forte tendência a se aglomerarem em certas condições formando partículas maiores, o que diminui a sua atividade fotocatalítica. Para resolver este problema tem sido utilizada com sucesso, a imobilização destas nanopartículas em diferentes suportes como vidro, metal, filmes poliméricos e fibras têxteis. Neste trabalho foi avaliado o uso do catalizador TiO 2-Ag nanorevestido em tecido de poliéster pelo método DC Magnetron Sputtering Pulsado (PDMS). O desempenho da atividade fotocatalítica do material foi determinado pela descoloração do corante AB113 em meio a fontes de radiação UV. Palavras-chave: Fotocatálise, TiO2, Ag, AB113, poliéster, PDMS, UV.
1
INTRODUÇÃO
Em tratamentos de efluentes têxteis pelo método da foto-oxidação catalítica, a separação dos fotocatalisadores da solução aquosa após reação pode ser muito difícil uma vez que as nanopartículas possuem forte tendência a se aglomerarem em certas condições formando partículas maiores, o que diminui a sua atividade fotocatalítica. Para resolver este problema tem sido utilizada com sucesso, a imobilização destas nanopartículas em diferentes suportes como vidro, metal, filmes poliméricos e fibras têxteis. A seleção do material suporte e a técnica utilizada na imobilização das nanopartículas de TiO2 são variáveis que podem influenciar nas propriedades funcionais, homogeneidade, adesão e na obtenção destes nanorevestimentos de TiO2. No entanto, a ação do desgaste pode gerar a necessidade de troca desses suportes e, por este motivo, vários materiais flexíveis têm sido desenvolvidos para futuras aplicações.1 As fibras têxteis são materiais muito empregados com esta finalidade por possuírem uma maior flexibilidade, serem facilmente adaptáveis a qualquer geometria e serem de baixo custo. Por estes motivos este projeto consiste na caracterização de um nanorevestimento de dióxido de titânio dopado com prata em tecido de
poliéster aromático. O método de imobilização utilizado foi o DC Magnetron Sputtering Pulsado (PDMS). Além disso foram feitos os testes de FRX, DRX, DSC, TGA e Absorbância. O desempenho da atividade fotocatalítica do tecido foi determinado pela descoloração do corante AB113 em meio a fontes de radiação UV. 1.1
Corante AB113
O corante Acid Blue 113 (AB113) é utilizado pela indústria têxtil para o tingimento e estampagem de materiais fibrosos de algodão, linho, lã, seda, poliamida e acrílicos, bem como suas misturas. Além da utilização na produção de papel, couro, alimentos e cosméticos. Pertece a abundante classe dos azo corantes, que são caracterizados pela forte intensidade de coloração e presença de um ou mais grupos azo em sua estrutura molecular.2 Considerado um bom indicador de eficiência nos ensaios de fotocatálise heterogênea, pois apresenta alta resistência a radiação UV.
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Figura 1. Estrutura molecular do corante Acid Blue 113
1.2
Processos Oxidativos Avançados
Atualmente, os Processos Oxidativos Avançados (POA) são reconhecidos uma das alternativas mais eficientes para a degradação de grande parte dos compostos presentes em efluentes industriais e domiciliares. São caracterizados pela geração de radicais de alto poder oxidante que podem promover a degradação de vários compostos poluentes. Dividemse em sistemas homogêneos e heterogêneos, onde os radicais podem ser gerados como ou sem irradiação UV.3
1.2.1
Figura 2. Representação esquemática dos princípios da fotocatálise heterogênea (KUNZ, 2001)
2 2.1
MATERIAIS E MÉTODOS Material suporte
Como suporte das nanopartículas foi utilizado tecido de poliéster. O material foi escolhido devido sua boa flexibilidade, estabilidade dimensional, resistência a abrasão, inerte e baixo custo.
Fotocatálise Heterogênea 2.2
Alguns POA envolvem a utilização de semicondutores como agentes geradores de sítios oxidativos e redutivos, dentre eles ZnO, WO3, SrO3, Fe2O3 e TiO2. Porém, este último tem sido o mais utilizado devido sua não toxidade, alta atividade fotoquímica, baixo custo, estabilidade em sistemas aquosos, estabilidade em uma ampla faixa de pH e grande estabilidade química.4 Além disso, diversos estudos tem mostrado um aumento da eficiência fotocatalítica quando associado com nanopartículas de Ag.5 O mecanismo de ação da fotocatálise heterogênea pode ser resumido em uma excitação eletrônica de um semicondutor gerando sítios oxidativos e redutivos em sua superfície, que são responsáveis pela mineralização de moléculas orgânicas adsorvidas.6
(Ti)superfície -OH + h+
(Ti)superfície -OH●
DC Magnetron Sputtering Pulsado (PDMS)
A síntese de nanocamadas via PDMS tem, atualmente, sido largamente estudada. O processo consiste em um bombardeamento de íons de argônio e oxigênio sobre um eletrodo de titânio e outro de prata, provocando um arranque de nanopartículas dos dois materiais e, em seguida, uma deposição e formação de nanocamadas na superfície do tecido de poliéster.7 O sistema PDMS destaca-se por gerar um baixo nível de contaminação ambiental, pois todo processo é realizado em um ambiente fechado, além de dispensar o uso de água, diferente dos demais processos.
2.3
Degradação do corante AB113
Equação 1
Para avaliar a eficiência da degradação do corante AB113 em meio a radiação UV e ao material sintetizado constituído de TiO2-Ag imobilizado em tecido de poliéster foi feito um corte de 3 cm de diâmetro no material e depositado no fundo de um béquer com 10 ml do corante numa concentração de 10 PPM, em seguida, a solução ficou durante 4 horas
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dentro de uma caixa de uma caixa de radiação Color Assissment Cabinet. As lâmpadas usadas foram Verivide D65 20 W e outra Philips UV TL-D BLB 18 W, numa distância de 12 cm da base do béquer contendo o corante. A temperatura nunca excedeu 32° C. A absorbância da solução foi medida a cada 15 minutos no Cary 50 Conc UV-Visible Spectrophotometer. A absorvância referente ao comprimento de onda 566 nm foi tomada como padrão para a análise da descoloração. 3
RESULTADOS E DISCURSSÕES
Figura 4. Gráfico da descoloração percentual do corante AB113 durante o processo de fotocatálise heterogênea usando a amostra de poliéster imobilizado com TiO2-Ag
Além do experimento de fotodegradação proposto, também foi investigado o comportamento do corante nas mesma condições do primeiro experimento discutido, porém, sem o agente catalizador. De acordo com o Gráfico 2, foi observado que o rendimento do processo com presença do agente catalizador foi consideravelmente maior que aquele com ausência, 87% e 28% respectivamente. Foram feitos 4 ciclos, Gráfico 3, para investigar a capacidade de reuso das amostras, observou-se que após o terceiro ciclo o rendimento fica abaixo de 50%.
Figura 5. Gráfico do rendimento relativo da amostra de poliéster imobilizado com TiO2-Ag após sucessivos ciclos de uso
4
Figura 3. Gráfico de absorbância da solução de AB113 durante o processo de fotocatálise heterogênea usando a amostra de poliéster imobilizado com TiO2-Ag
CONCLUSÕES
A presença de TiO2 e Ag antes e depois dos quatro ciclos de fotodegradação foram confirmadas a partir de testes de FRX, porém após quatro ciclos de fotodegradação foi observado uma redução. A partir de testes de absorbância do efluente tratado, foi observado uma descoloração de 87% e, após quatro ciclos, houve uma redução para 41%. 5
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro. 6
REFERÊNCIAS
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J. H. O. NASCIMENTO, Aplicação e caracterização de nanorevestimentos PVD e de outros materiais com comportamento termocromático e hidrofóbico em substratos têxteis, Universidade do Minho, Portugual, 2012
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M. LUČIĆA, N. MILOSAVLJEVIĆA, M. RADETIĆA, Z. ŠAPONJIĆB, M. RADOIČIĆB, M. K. KRUŠIĆA, The potential application of TiO2/hydrogel nanocomposite for removal of various textile azo dyes, Separation and Purification Technology, 122 (2014) 206-216 3 I. K. KONSTANTINOU, T. A. ALBANIS, TiO2-assisted photocatalytic degration of azo dyes in aqueous solution: kinetic and mechanistic investigations A review, Applied Catalysis B: Environmental, 49 (2004) 1-14 4 T. H. M. CERVANTES, D. A. M. ZAIA, H. SANTANA, Estudo da fotocatálise heterogênea sobre Ti/TiO2 na descoloração de corantes sintéticos, Química Nova, 32 (2009) 2423-2428 5 S. I. MOGAL, V. G. GANDHI, M. MISHRA, S. TRIPATHI, T. SHRIPATHI, P. A. JOSHI, D. O. SHAH, Single-Step Synthesis of Silver-Doped Titanium Dioxide: Influence of Silver on Structural, Textural, and Photocatalytic Properties, Ind. Eng. Chem. Res., 53 (2014) 5749-5758 6 A. KUNZ, P. PERALTA-ZAMORA, Novas tendências no tratamento de efluentes têxteis, Química Nova, 25 (2002) 78-82 7 O. CARP, C. L. HUISMAN, A. RELLER, Photoinduced reactivity of titanium dioxide, Progress in Solid Satate Chemistry 32 (2004) 33177 2
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