Síntese de biocarvão decorado com ferrita de cobalto: caracterização e aplicações

Abstract

Melhores técnicas de manejo de resíduos de biomassa vêm sendo incentivadas, visando-se minimizar os impactos ambientais gerados pelo seu descarte inadequado. Dentre essas, destaca-se a conversão da biomassa por processos termoquímicos, para a obtenção de biocarvão (BC). Este pode ser utilizado como suporte de catalisadores, como as ferritas, por exemplo. Nesse sentido, este trabalho teve como objetivo produzir um BC, derivado de eucalipto, decorado com ferrita de cobalto (BC/CoFe2O4), caracterizá-lo e aplicá-lo em diferentes fins. A CoFe2O4 foi sintetizada por co-precipitação na presença do BC. O BC e o BC/CoFe2O4 apresentaram 5,8 e 8,4% de umidade, teor cinzas de 24,1 e 30,0%, e voláteis de 75,5 e 69,5%, respectivamente. Os teores de C e O foram de 58 e 12,5% para BC e 52 e 13,9% BC/CoFe2O4. A razão H/C foi ~0,5 e O/C ~0,2 para ambos os materiais. Ambos os materiais se mostraram estáveis termicamente, com perdas de massas 40% em TGA/DTG em temperaturas acima de 400 C. Ambos os materiais apresentaram grupos oxigenados, observados por FTIR. O pHPCZ do BC foi 7,01 e BC/CoFe2O4 6,78. Por espectroscopia Raman verificou-se a presença das bandas D em 1363 cm-1 e G em 1607 cm-1, e razão ID/IG, de 1,07 no BC e 0,74 no BC/CoFe2O4. Por DRX, foi observado que o BC apresentou picos referentes a quartzo, dolomita e calcita e o BC/CoFe2O4 picos característicos da CoFe2O4. Por MEV foi observado que BC apresentou superfície em forma de placas e o BC/CoFe2O4 apresentou esferas irregulares atribuídas a CoFe2O4. Foi possível observar por MET a presença de esferas irregulares, com 6,6 ± 0,9 nm, nas lamelas de carbono do BC/CoFe2O4. O padrão de difração de elétrons de área selecionada (SAED) do BC/CoFe2O4 apresentou planos de cristalinos da CoFe2O4. Os elementos O (74,97%), Co (8,86%) e Fe (16,17%) foram observados no BC/CoFe2O4 por Dispersão em Energia (EDS) e confirmados por ICP-OES. Os materiais foram aplicados (1) na degradação do corante têxtil vermelho direto 80 (VD80) e (2) na modificação de eletrodo de pasta de carbono para detecção de paracetamol. O monitoramento foi realizado por Absorção Molecular UV-Vis em 526 nm. Obteve-se ~100% de remoção após 180 minutos nas seguintes condições: Dose de BC/CoFe2O4 = 1 g L-1, [VD 80] = 25 mg L-1, pH 3, temperatura 30 ± 5 °C e luz UV. A lacuna (h+) e O2•- são as espécies responsáveis pela degradação. A modificação de eletrodo de pasta de carbono para detecção de paracetamol (PAR) foi realizada em eletrodo de pasta de carbono (CPE), o CPE BC/CoFe2O4 25 apresentou limite de detecção 0,028 μmol L −1 e faixa linear 0,416 a 31,5 µmol L-1. Palavras-chave: Nanomateriais. Processos Oxidativos Avançados. Voltametria. Paracetamol. Fotocatálise. Corantes têxteis.Best practices for biomass waste management have been encouraged to minimize the environmental impacts resulting from improper disposal. Among these practices, the conversion of biomass through thermochemical processes to obtain biochar (BC) stands out. BC can be used as a catalyst support, such as ferrites, for instance. In this context, this study aimed to produce BC derived from eucalyptus, decorated with cobalt ferrite (BC/CoFe2O4), characterize it, and apply it for different purposes. CoFe2O4 was synthesized by co-precipitation in the presence of BC. BC and BC/CoFe 2O4 had moisture contents of 5.8% and 8.4%, ash contents of 24.1% and 30.0%, and volatiles of 75.5% and 69.5%, respectively. Carbon and oxygen contents were 58% and 12.5% for BC and 52% and 13.9% for BC/CoFe2O4. The H/C ratio was approximately 0.5, and O/C was approximately 0.2 for both materials. Both materials showed thermal stability, with mass losses of approximately 40% in TGA/DTG at temperatures above 400°C. Both materials presented oxygenated groups, as observed by FTIR. The pH PZC was 7.01 for BC and 6.78 for BC/CoFe2O4. Raman spectroscopy revealed the presence of D bands at 1363 cm-1 and G bands at 1607 cm-1, with an ID/IG ratio of 1.07 for BC and 0.74 for BC/CoFe2O4. X-ray diffraction (XRD) analysis showed that BC exhibited peaks related to quartz, dolomite, and calcite, while BC/CoFe2O4 exhibited characteristic CoFe2O4 peaks. Scanning electron microscopy (SEM) revealed that BC had plate-like surfaces, whereas BC/CoFe2O4 had irregular spheres attributed to CoFe2O4. Transmission electron microscopy (TEM) showed the presence of irregular spheres, with a size of 6.6 ± 0.9 nm, on the carbon lamellae of BC/CoFe2O4. The selected area electron diffraction (SAED) pattern of BC/CoFe2O4 displayed crystal planes of CoFe2O4. The elements oxygen (74.97%), cobalt (8.86%), and iron (16.17%) were observed in BC/CoFe2O4 by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) and confirmed by ICP-OES. The materials were applied (1) in the degradation of the textile dye Direct Red 80 (DR80) and (2) in the modification of a carbon paste electrode for paracetamol detection. Monitoring was carried out by UV-Vis Molecular Absorption at 526 nm. Approximately 100% removal was achieved after 180 minutes under the following conditions: BC/CoFe2O4 dose = 1 g L-1, [DR80] = 25 mg L-1, pH 3, temperature 30 ± 5 °C, and UV light. The generation of holes (h+) and O2•- were responsible for the degradation. The modification of the carbon paste electrode for paracetamol (PAR) detection was performed on a carbon paste electrode (CPE), with CPE BC/CoFe 2O4 25 displaying a detection limit of 0.028 μmol L −1 and a linear range of 0.416 to 31.5 µmol L-1. Keywords: Nanomaterials. Advanced Oxidative Processes. Voltammetry. Paracetamol. Photocatalysis. Textile dyes.