Estudo teórico sobre adsorção de grupo fosfato em minerais ricos em alumínio

Abstract

Um dos grandes problemas enfrentados pela agricultura brasileira é a baixa disponibilidade do macronutriente fósforo (P), em decorrência de sua grande interação com os componentes do solo, tais como óxidos e hidróxidos ricos em alumínio e ferro. Logo, se mostra relevante o estudo que aprofunde o entendimento sobre os mecanismos de retenção de grupo fosfato em minerais adsorventes ricos em alumínio, tal como a gibbsita. Para tanto, realizou-se o estudo da interação do fósforo com superfícies modeladas a partir da gibbsita, utilizando a teoria do funcional da densidade (DFT) com condições periódicas de contorno. Os estudos mostraram que um modelo estrutural bilamelar de hidróxidos de alumínio é eficiente para simular adequadamente a superfície da gibbsita. A adsorção do fósforo na superfície foi avaliada através da formação de complexos monodentados e bidentados. A título de comparação, a análise de adsorção na superfície foi estendida para sulfato, silicato e nitrato, espécies que competem pelos sítios adsortivos com o fósforo no solo. Tendo em vista a importância da água para o transporte de nutrientes, sua influência foi avaliada através do estudo da interação da molécula de ácido fosfórico com a superfície em três condições: i - em um ambiente anidro, ii- em presença de água com formação de complexos de esfera interna e iii - em presença de água com formação de complexo de esfera externa. A análise dos resultados sugere que a imobilização dos grupos fosfatos se dá pela alta estabilidade que é alcançada, quando o fosfato é absorvido na superfície no modo de coordenação monodentado. Comparativamente à adsorção de sulfato, nitrato e silicato, a adsorção de fósforo se mostrou mais favorável energeticamente, em acordo com resultados experimentais. A presença de água na superfície contribui favoravelmente para a formação de complexos de esfera externa. Assim, conclui-se que os resultados apresentados neste trabalho auxiliam para um maior entendimento dos dados experimentais, através de uma perspectiva microscópica. Palavras-chave: Gibbsita. Fosfato. DFT.One of the major problems faced by Brazilian agriculture is the low availability of the macronutrient phosphorus (P), due to its great interaction with soil components, such as oxides and hydroxides rich in aluminum and iron. Therefore, the study that deepens the understanding of the phosphate group retention mechanisms in aluminum-rich adsorbent minerals, such as gibbsite, is relevant. For that reason, the study of the interaction of phosphorus with surfaces modeled from gibbsite was carried out, using the level of density functional theory (DFT) with periodic boundary conditions. The studies showed that a bilamellar structural model of aluminum hydroxides is efficient to adequately simulate the gibbsite surface. Phosphorus adsorption on the surface was evaluated through the formation of monodentate and bidentate complexes. By way of comparison, the surface adsorption analysis was extended to sulfate, silicate and nitrate, species that compete for adsorption sites with phosphorus in the soil.In view of the importance of water for nutrient transport, its influence was evaluated by studying the interaction of the phosphoric acid molecule with the surface under three conditions: i - in an anhydrous environment, ii- in the presence of water with formation of inner-sphere complexes and iii - in the presence of water with formation of an outer-sphere complex. The analysis of the results suggests that the immobilization of phosphate groups is due to the high stability that is achieved when the phosphate is absorbed on the surface in the monodentate coordination mode. Compared to the adsorption of sulfate, nitrate and silicate, the adsorption of phosphorus was shown to be more energetically favorable, in agreement with experimental results. The presence of water on the surface favorably contributes to the formation of outer sphere complexes. Therefore, it is concluded that the results obtained throughout this work help in a better understanding of the experimental data through a microscopic perspective. Keywords: Gibbsite. Phosphate. DFT.