Estudo da remoção de cromo (VI) de sistemas aquosos por nanopartículas de cobalto

Abstract

O presente trabalho avaliou a eficiência das nanopartículas de cobalto (NPs Co) na remoção de Cr(VI) em solução aquosa. As NPs Co foram sintetizadas pelo método de redução química. O material foi caracterizado pelas técnicas de Microscopia Eletrônica de Transmissão, Difração de Raios X e Potencial de Carga Zero (PCZ). As nanopartículas tiveram tamanhos inferiores a 50 nm, foram identificados picos referentes ao cobalto metálico a 47,87 o e 75,84 o , e picos do óxido de cobalto (CoO) a 34,7 o , 39,55 o , 57,2 o e 68,6 o . O PCZ obtido foi de 9,075. Foram avaliados diferentes parâmetros na cinética do processo de adsorção, como tempo de equilíbrio, pH, dose de adsorvente, concentração de Cr(VI) e temperatura. A eficiência do processo reacional foi monitorada por Espectrofotometria de Absorção Molecular UV-Vis usando a 1,5-difenilcarbazida. Os melhores resultados obtidos foram em pH 2,00, com a utilização da dose de 1,0 g L -1 de NPs Co e concentração de Cr(VI) a 40,0 mg L -1 , obtendo-se uma remoção de aproximadamente 90% em 10 horas de reação. Estudos indicam que o método de remoção é caracterizado por uma etapa de adsorção devido a interações eletrostáticas entre o ânion (CrO 42- ) e as NPs Co, carregadas positivamente. Na sequência ocorre uma etapa de redução de Cr(VI) a Cr(III), e, por fim, co-precipitação de Cr(III) na forma de Cr(OH) 3 sobre as NPs Co. O modelo que melhor se ajustou aos dados de adsorção foi o de Langmuir, com coeficiente de correlação de 0,980. A capacidade máxima de adsorção de Cr(VI) em NPs Co foi de 66,6 mg g -1 . O mecanismo de adsorção de Cr(VI) foi explicado pelo modelo cinético de pseudo-segunda ordem (R 2 =0,994). Os parâmetros termodinâmicos, incluindo a energia livre de Gibbs (ΔG o = -18,4, -19,3, -20,6, -20,9, -21,7 Kj mol -1 ), entalpia (ΔH o = 4,88 KJ mol -1 ), e a entropia (ΔS o = 81,0 J mol -1 K -1 ) foram estudadas a diferentes temperaturas (15, 25, 35, 45 e 55° C). Os resultados mostraram que a adsorção de Cr(VI) em nanopartículas de cobalto foi de natureza endotérmica. A vantagem do uso das NPs Co é que elas podem ser removidas do processo através de campo magnético. Porém, o seu reuso não apresentou resultados satisfatórios, uma vez que no segundo ciclo de uso a remoção de Cr(VI) foi inferior a 30%. Essa dissertação é dividida em dois capítulos: o capítulo 1 traz uma introdução, seguida de uma revisão da literatura; e o capítulo 2 apresenta a metodologia adotada e os resultados, com as respectivas discussões.

Present work evaluated the cobalt nanoparticles (Co NPs) efficiency in Cr (VI) removal at aqueous solution. The Co NPs were synthesized by chemical reduction method. Material was characterized by Transmission Electron Microscopy, X-Ray Diffraction and Zero Load Potential (PZC) techniques. Nanoparticles had sizes smaller than 50 nm, cobalt metal peaks were identified at 47.87° and 75.84°, and cobalt oxide (CoO) peaks at 34.7°, 39.55°, 57.2° and 68.6°. PZC was 9.075. Different parameters were evaluated about the adsorption process kinetics, such as equilibrium time, pH, adsorbent dose, Cr (VI) concentration and temperature. Reaction process efficiency was monitored by UV-Vis Molecular Absorption Spectrophotometry using 1,5-diphenylcarbazide. The best results were obtained at pH 2.0, using the 1.0 g L -1 dose of Co NPs and Cr (VI) concentration at 40.0 mg L -1 , a removal of approximately 90% was obtained with 10 hours of reaction. Studies have shown that the removal method is characterized by an adsorption step due to electrostatic interactions between the anion (CrO 42- ) and positively charged Co NPs. After that a step of reducing Cr(VI) to Cr(III) happens, a thermodynamically favorable process and, finally, co- precipitation of Cr(III) as Cr(OH) 3 on NPs Co. The model that best fitted at adsorption data was Langmuir, with a 0.980 of correlation coefficient. Maximum adsorption capacity of Cr(VI) in Co NPs was 66.6 mg g -1 . Cr(VI) adsorption mechanism was explained by the kinetic model of pseudo-second order (R 2 = 0.994). Thermodynamic parameters that includes Gibbs free energy (ΔG o = -18.4, -19.3, -20.6, -20.9, -21.7 Kj mol -1 ), enthalpy (ΔH o = 4.88 KJ mol -1 ), and the entropy (ΔS o = 81.0 J mol -1 K -1 ) were studied at different temperatures (15, 25, 35, 45 and 55°C). It showed a spontaneuos adsorption of Cr(VI) in cobalt nanoparticles and an endothermic nature reaction, being its use viable and promising in the removal of this metal in contaminated effluents. Advantage use of Co NPs is that they can be removed from the process by magnetic field. However, its reuse did not present satisfactory results, since in the second cycle of use Cr(VI) removal was less than 30%. This dissertation is divided into two chapters: Chapter 1 is an introduction, followed by a review of the literature; and chapter 2 presents the methodology adopted and the results, with the respective discussions.