Fotocatalisador a base de ZnO a partir de resíduos de pilhas alcalinas: síntese, caracterização e aplicação na remoção de corante têxtil

Abstract

Neste trabalho, um fotocatalisador à base de ZnO foi sintetizado a partir de resíduos de pilhas alcalinas (PAs), utilizando o método de calcinação nas temperaturas de: 600 (PA_600), 700 (PA_700) e 800 ºC (PA_800). Os materiais foram caracterizados por diferentes técnicas. Por Difração de Raios X (DRX), observou-se a predominância de ZnO com estrutura hexagonal de wurtzita nos três materiais. No PA_600, além de ZnO, foram observados picos de Zn metálico, fornecendo indícios da formação de uma heteroestrutura Zn/ZnO. Por Espectroscopia Raman, foi comprovada a formação de ZnO, sendo observado indício da existência de vacâncias de oxigênio no PA_600. Todos os materiais apresentaram estabilidade térmica por Análise termogravimétrica (TGA), com perda de aproximadamente 5% de massa entre 0-900 C. A energia de band gap ficou entre 3,14-3,19 eV, determinada por Espectroscopia de Reflectância Difusa (ERD). Devido às diferenças estruturais indicadas por DRX e Raman, a morfologia do PA_600 foi investigada por Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), em que se observou um formato, predominantemente, de nanobastões e a presença de nanopartículas de Zn metálico. O Ponto de Carga Zero (PCZ) do PA_600 foi determinado em 6,53. Após caracterização, os materiais foram aplicados na remoção do corante Vermelho Direto 80 (VD80) via processo fotocatalítico. O PA_600 apresentou maior eficiência, apresentando 30% ± 3,6 de remoção frente a 20% ± 0,4 dos demais materiais. Estudos cinéticos empregando PA_600 foram realizados, nos quais se observou que a remoção é favorecida em pH 2, [VD80] inicial de 20 mg L -1 e 40 mg de PA_600 . Experimentos com inibidores de radicais mostrou que o mecanismo de remoção ocorre, principalmente, por oxidação direta nas vacâncias fotogeradas (h +BV ) e indireta por radicais •OH - . Remoções de aproximadamente 75% ± 4,2 e 60% ± 8,5 foram obtidas sob radiação UV e visível, respectivamente, em 48 h de reação, demonstrando a vantagem do material que pode ser ativado por radiação solar. O material foi submetido a ensaios de reuso, em que observou-se uma perda de 51% de eficiência a partir do 2 ciclo reacional. Palavras-Chave: Degradação. Corantes Têxteis. Processos Oxidativos Avançados.

In this work, a photocatalyst composed by ZnO was synthesized from alkaline batteries (PAs) wastes, using the calcination method at temperatures of: 600 (PA_600), 700 (PA_700) and 800 ºC (PA_800). The materials were characterized by different techniques. By X-Ray Diffraction (XRD), the predominance of ZnO with hexagonal wurtzite structure was observed in the three materials. In PA_600, in addition to ZnO, peaks of metallic Zn were observed, providing evidence of the formation of a Zn / ZnO heterostructure. By Raman Spectroscopy, the formation of ZnO was proven, with evidence of the existence of oxygen vacancies in the PA_600. All materials showed thermal stability by Thermogravimetric Analysis (TGA), with a loss of approximately 5% of mass between 0-900 Cº. The band gap energy was between 3.14-3.19 eV, determined by Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS). Due to the structural differences indicated by XRD and Raman, the morphology of the PA_600 was investigated by Transmission Electron Microscopy (TEM) and Scanning Electron Microscopy (SEM), in which a predominantly nanorods format and nanoparticles of metallic Zn were observed. The Zero Charge Point (ZCP) of the PA_600 was determined to be 6,53. After characterization, the materials were applied to remove the Direct Red Dye 80 (VD80) via a photocatalytic process. PA_600 showed greater efficiency, with 30% ± 3,6 removal compared to 20% ± 0,4 of other materials. Kinetic studies using PA_600 were performed, in which it was observed that the removal is favored at an initial pH 2, [VD80] initial of 20 mg L -1 and 40 mg of PA_600. Experiments with radical inhibitors showed that the removal mechanism occurs mainly by direct oxidation in photogenerated vacancies (h + BV ) and indirectly by radicals •OH - . Removals of approximately 75% ± 4,2 and 60% ± 8,5were obtained under UV radiation and visible light, respectively, in 48 h of reaction, demonstrating the advantage of the material that can be activated by solar radiation. The material was subjected to reuse tests, in which the loss of 51% of efficiency was observed after the second reactional cycle. Keywords: Degradation. Textile Dyes. Advanced Oxidative Processes.