Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais

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Acesso aberto (Open Access)
Obtenção de nanopartículas de ZnO dopado com nitrogênio para a reação fotocatalítica de redução do CO2
(Universidade Federal de Alfenas, 2016-02-29) Oliveira, Jéssica Ariane De; Giraldi, Tania Regina; Mendonça, Vagner Romito De; Hirano, Laos Alexandre
O acúmulo de gás carbônico (CO2) na atmosfera tem intensificado os problemas ambientais. Processos fotocatalíticos podem ser empregados para converter o CO2 em outros compostos com valores agregados. Para tanto, utilizam-se semicondutores como fotocatalisadores e um dos mais empregados é o óxido de zinco (ZnO). Geralmente a dopagem melhora a atividade fotocatalítica do semicondutor, logo, o presente estudo analisa metodologias de síntese de ZnO dopado com N (ZnO:N), utilizando a ureia como fonte de N. Foram analisadas quatro metodologias de dopagem pela adição de ureia em partículas de: (1) ZnO amorfo e (2) ZnO cristalino; e na solução de Zn (3) posteriormente ao agente polimerizante (AP) e (4) anteriormente ao AP. Os materiais obtidos foram submetidos a tratamento térmico (TT) em nove condições distintas (400 ºC, 450 ºC e 500 ºC por 2 h, 12 h e 24 h) e caracterizados por TGA/DTG, DRX, Raman, FTIR, XPS, DRS, BET e MEV-FEG. Por TGA/DTG, constatou-se que a temperatura de 400 ºC não foi adequada para a obtenção das partículas. Por DRX, observou-se que as amostras possuem a fase wurtzita do ZnO, os cristalitos se encontram em escala nanométrica e aumentam de tamanho conforme se aumenta a temperatura e o tempo do TT. Por Raman e por FTIR, verificou-se que maiores tempos de TT e/ou a metodologia 4 (M4) fornecem amostras com maior simetria e menos contaminantes adsorvidos na superfície. Por XPS, averiguou-se a dopagem de N na rede cristalina de algumas amostras previamente selecionadas. Por DRS, observou-se que o ZnO puro possui band gap inferior ao relatado na literatura, sendo esse fato relacionado ao método de síntese utilizado. Percebeu-se, pois, que as partículas sintetizadas em maiores tempos de TT e/ou pela M4 possuem maior definição de cristalinidade e menor quantidade de resíduos de síntese. Outras caracterizações foram feitas para ZnO puro (ZP) e para as amostras de ZnO:N obtidas pela M4, observando-se por BET e MEV-FEG uma tendência na diminuição de área superficial com o aumento da temperatura de TT, fato esse decorrente da formação de aglomerados em maiores temperaturas de TT. Por fim, empregaram-se ZP e as amostras sintetizadas pela M4 como fotocatalisadores na reação de fotorredução do CO2. Monitorou-se o avanço da reação pela produção de CH4, identificando-se que menores tempos de TT fornecem materiais com melhores atividades fotocatalíticas, já que maiores quantidades de CH4 foram identificadas para as amostras obtidas pela M4 e submetidas a tratamento térmico de 450 ºC por 2 h e 500 ºC por 2 h.
Acesso aberto (Open Access)
Obtenção de peças de Nb2O5 com biomassa inativa para aplicação em processos de adsorção
(Universidade Federal de Alfenas, 2023-01-10) Costa, Beatriz Caroline Da; Giraldi, Tania Regina; Figueiredo, Alberthmeiry Teixeira De; Paris, Elaine Cristina
O presente trabalho teve como principal objetivo a obtenção de pastilhas de Nb2O5 com biomassa inativa (aqui denominada lodo) e a avaliação da sua capacidade de adsorção, para íons manganês dispersos em meio aquoso. Primeiramente, o lodo foi caracterizado por análise térmica (TG/DTG), espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e difratometria de raios X (DRX). Então, foram obtidas pastilhas em proporção mássica 95% Nb2O5: 5% lodo, por prensagem uniaxial e submetidas a tratamento térmico em temperaturas de 300, 400, 500, 600 e 900ºC. As pastilhas foram caracterizadas por porosidade aparente, densidade aparente, difração de raios X (DRX), espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Ao analisar os resultados observou-se que no tratamento térmico em temperaturas de 300°C a 600ºC não se teve variações significativas nas características das peças, exceto na porosidade aparente, que aumentou gradativamente com o aumento da temperatura de tratamento térmico, variando de 35% para a amostra obtida a 300oC a 45% para amostra obtida a 900oC. Por outro lado, a amostra de 900oC sem lodo apresentou maior densidade e menor porosidade, fato evidenciado também por MEV. Nos estudos de adsorção para os íons Mn2+, não houve variação significativa da porcentagem de adsorção pelas pastilhas obtidas em diferentes temperaturas de tratamento térmico. Analisando as temperaturas extremas, obteve-se uma adsorção de 65% na pastilha tratada a 300ºC e 67% de adsorção nas amostras tratadas a 900ºC. As amostras obtidas a 300oC com lodo e sem lodo foram selecionadas para estudo de cinética de adsorção, isoterma de adsorção e reuso. A cinética de adsorção seguiu o modelo de pseudo segunda ordem tanto para as amostras com lodo como para as sem lodo. O modelo de isoterma que melhor se ajustou foi o de Freundlich paras a amostra sem lodo e de Langmuir para as amostras com lodo. Por fim, o material apresentou potencial aplicação para reuso. Utilizadas em cinco ciclos de adsorção, a porcentagem de Mn2+ foi em média 67% sem a ocorrência de dessorção. Assim, a pastilha apresenta estabilidade na retenção de íons Mn2+, e potencial para a aplicação e desenvolvimento de adsorventes para a remoção de íons metálicos.
Acesso aberto (Open Access)
Obtenção de ZnO na forma de peças para aplicação em fotocatálise
(Universidade Federal de Alfenas, 2018-07-26) Peçanha, Luiz Otavio Ottonicar; Giraldi, Tania Regina; Roveri, Carolina Del; Lopes, Osmando Ferreira
A fotocatálise é uma promissora alternativa para a descontaminação de efluentes contendo corantes. No entanto, são necessários esforços no sentido da imobilização dos catalisadores que permita a sua retirada do meio e reutilização. Fotocatalisadores a base de ZnO imobilizados foram obtidos pelos métodos de prensagem (variando-se a pressão de compactação) e por colagem de barbotina (variando-se a concentração de defloculante), com tratamento térmico a 800 °C. As amostras obtidas foram caracterizadas por porosidade aparente, densidade aparente, difração de raios X (DRX), análise termogravimétrica (TGA), espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). As propriedades físicas e estruturais das peças estão diretamente correlacionadas com o método de conformação. Os desempenhos fotocatalíticos das amostras foram atestados pela degradação de soluções de 5 a 50 mg/L de Rodamina B (RB) sob radiação UVC. As amostras obtidas por colagem apresentaram constante de velocidade de reação entre 1,68x10-2 min-1 e 1,87x10-2 min-1, enquanto as amostras prensadas apresentaram constantes de velocidade entre 9,9x10-3 min-1 e 1,16x10-2 min-1. Assim, as amostras obtidas por colagem apresentaram melhor desempenho fotocatalítico em relação às amostras prensadas, o que pode ser justificado pela diferença de porosidade aparente entre elas. Por meio da realização de múltiplos ciclos de degradação fotocatalítica pôde-se verificar que as amostras obtidas por colagem apresentaram estabilidade de desempenho fotocatalítico, enquanto as amostras prensadas demonstraram perda de eficiência fotocatalítica a partir do terceiro ciclo. Ao variar a concentração do corante, verificou-se que a quantidade de corante degradada aumentou com o aumento da concentração inicial de corante até a concentração ótima de 40 mg/L para as amostras prensadas e 30 mg/L para as amostras obtidas por colagem de barbotina.
Acesso aberto (Open Access)
Síntese de filmes de óxido de zinco nanoestruturados para aplicações em fotocatálise
(Universidade Federal de Alfenas, 2021-08-16) Souza, Graziela De; Giraldi, Tania Regina; Paris, Elaine Cristina; Freschi, Gian Paulo Giovanni
O desenvolvimento de filmes nanoestruturados vem sendo amplamente estudado para diversas aplicações, dentre elas a fotocatálise. Atualmente, um dos grandes desafios em sustentabilidade é desenvolver estratégias para o tratamento de efluentes em corpos de água contaminados por substâncias tóxicas provenientes das atividades industriais. Dentre os Processos Oxidativos Avançados (POA’s) a fotocatálise é uma alternativa muito estudada pela eficiência em degradar poluentes. O óxido de zinco é um dos semicondutores mais utilizados como catalisador em processos fotocatalíticos. Considerando esses fatores, o presente trabalho teve por objetivo produzir filmes nanoestruturados de ZnO pelo método de síntese hidrotermal assistido por micro-ondas. As variáveis estudadas foram: o tipo de substrato, o tempo de síntese e o tratamento térmico na formação dos filmes. Os filmes foram depositados em substratos de vidro e em substrato de óxido de estanho dopado com flúor (FTO). Foram feitas síntese com 10 minutos e com 30 minutos de duração. Parte das amostras foram submetidas à tratamento térmico a 600ºC e as demais passaram por secagem em estufa. Os filmes foram caracterizados por difração de raios X (DRX), espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourrier (FT-IR), microscopia eletrônica de varredura por emissão em campo (MEV-FEG), microscopia de força atômica (AFM) e espectroscopia UV-Vis no modo reflectância difusa (DRS). Os filmes foram utilizados em ensaios fotocatalíticos na degradação do corante Rodamina B, sob radiação UVC. Foram realizados também ensaios de reuso. Todos os filmes apresentaram estrutura cristalina hexagonal wurtzita. Os filmes sintetizados em substrato de vidro apresentaram bandgap de 3,3 a 3,7eV. No caso desses filmes a variação do tempo de síntese foi crucial para a definição da estrutura dos filmes: filmes sintetizados em 30 minutos apresentam melhor distribuição de aglomerados com o substrato preenchido de forma mais uniformes. A atividade fotocatalítica na degradação de Rodamina B desses filmes foi de 38% (síntese em 10 minutos) a 48% (síntese em 30 minutos) no caso das amostras secas em estufa. Com tratamento térmico a eficiência aumenta para 68% (síntese em 10 minutos) a 76% (síntese em 30 minutos). Para filmes sintetizados em substrato de FTO, os valores de bandgap variaram de 3,3 a 3,5eV. Inicialmente a estrutura obtida apresentou formato lamelar. Após tratamento térmico a 600ºC, tanto na síntese com duração de 10 minutos quanto na de 30 minutos, os filmes apresentaram superfície totalmente preenchida por ZnO. Assim, no caso dos filmes depositados em FTO, o diferencial foi o tratamento térmico pós síntese. A atividade fotocatalítica na degradação de Rodamina B desses filmes foi de 34% (síntese em 10 minutos) e 43% (síntese em 30 minutos) no caso das amostras secas em estufa. Com o tratamento térmico a eficiência aumenta para 59% (síntese em 10 minutos) e 53% (síntese em 30 minutos). Os filmes obtidos em substrato de vidro com tratamento térmico pós síntese foram utilizados em ensaios de reuso para a degradação de Rodamina B. Conclui-se que após 5 ciclos os filmes mantêm boa atividade fotocatalítica, acima de 50%.
Acesso aberto (Open Access)
Síntese e caracterização de zeólitas nanoestruturadas para adsorção de íons Mn2+ em meio aquoso
(Universidade Federal de Alfenas, 2019-07-19) Oliveira, Anderson Maida Siqueira; Giraldi, Tania Regina; Del Roveri, Carolina; Mendonça, Vagner Romito De
Cada vez mais se tem dado atenção ao que diz respeito à poluição dos recursos hídricos por metais pesados. Uma das principais questões ambientais envolvidas na indústria e na mineração é o tratamento dos efluentes gerados por essas atividades. Na atividade mineradora, a drenagem ácida das minas é outro problema comum. É nesse contexto que emerge um crescente interesse no desenvolvimento de metodologias de tratamento de ambientes aquáticos, que promovam eficientemente a remoção dessas substâncias, tal qual o processo de adsorção. Assim sendo, o presente trabalho teve como principal interesse a obtenção de nanopartículas de zeólitas e a avaliação da sua capacidade de adsorção, para íons Mn2+ dispersos em meio aquoso. As partículas de zeólita foram sintetizadas na forma de pó, pelo método sol-gel, seguido por envelhecimento hidrotérmico sob radiação micro-ondas e várias sínteses foram realizadas. Variou-se durante as sínteses a proporção de reagentes, a temperatura do meio reacional, o tempo de envelhecimento hidrotérmico e a fonte precursora de sílica, de modo a estabelecer a influência desses parâmetros nas características estruturais e morfológicas das partículas. Os primeiros testes de síntese visaram a obtenção de uma nova rota de formação de zeólitas, utilizando dióxido de silício cristalino como reagente e não se mostram eficientes quanto à formação da estrutura zeolítica. A maior parte da sílica cristalina permaneceu sem reagir e algumas partículas de zeólita se apresentaram como uma impureza minoritária. Os valores de área superficial e volume de poros encontrados no material sintetizado foram muito baixos em relação à zeólita comercial. Já nas sínteses seguintes, conduzidas com sílica pirogênica amorfa, houve a formação da estrutura GIS quando a temperatura adota foi de 140ºC, com uma hora de tratamento hidrotermal. Testes de adsorção foram conduzidos para avaliar a remoção de íons Mn2+ utilizando esta zeólita como adsorvente. A adsorção do íon apresentou-se como altamente favorável para a zeólita Na-P1, com o maior percentual de remoção obtido em pH 8, com uma concentração de partículas de 1g/L e sendo o processo controlado pelo modelo cinético de pseudosegunda ordem. A isoterma de adsorção teve um bom ajuste ao modelo de Langmuir, sendo a capacidade de adsorção máxima calculada pelo método de 44,05mg de Mn2+ por 1 grama de zeólita.
Acesso aberto (Open Access)
Síntese, caracterização e aplicação de zeólita para adsorção dos íons Mn e Zn em solução aquosa
(Universidade Federal de Alfenas, 2024-07-30) Costa, Tayane De Sousa; Giraldi, Tania Regina; Roveri, Carolina Del; Paris, Elaine Cristina
É grande a atenção ao que diz respeito à poluição dos recursos hídricos por contaminantes inorgânicos, principalmente envolvendo a atividade industrial e nesse contexto cresce o interesse no desenvolvimento de metodologias de tratamento que promovam a remoção dessas substâncias do meio aquoso. A adsorção é uma promissora alternativa para a descontaminação de efluentes contendo íons metálicos, e as zeólitas por sua vez têm demonstrado bom desempenho neste papel. Neste trabalho, buscou-se sintetizar zeólitas pelo método sol-gel, seguido por tratamento hidrotérmico sob radiação micro-ondas, para posteriormente avaliar a capacidade de adsorção de íons metálicos Mn2+ e Zn2+ do material sintetizado. As tentativas de síntese envolveram variações nos parâmetros de processo, mas não resultaram na formação das zeólitas, conforme confirmado pela ausência de picos cristalinos nos resultados de DRX. Foi portanto, utilizada a zeólita comercial tipo LTA, a qual foi caracterizada e aplicada em adsorção dos íons metálicos Mn2+ e Zn2+ em solução aquosa. Os resultados das análises revelaram que a zeólita comercial estudada possui uma estrutura cristalina bem definida, confirmada por DRX. Por microscopia eletrônica de varredura, observou-se partículas com morfologia cúbica e tamanho médio de 5 µm. O resultado de FTIR revelou a presença de ligações Si-O típicas de aluminossilicatos. Além disso, a isoterma de adsorção de nitrogênio demonstrou um perfil tipo II, indicativo de uma estrutura mesoporosa a macroporosa. O potencial zeta medido foi de -45,0 mV, sugerindo uma carga superficial altamente negativa em meio aquoso, o que é favorável para a adsorção de cátions metálicos. Para a realização dos experimentos de adsorção, foi feito um estudo do pH das suspensões de zeólitas para evitar a precipitação dos cátions como hidróxidos. Em seguida, testes cinéticos variando o tempo de contato entre as partículas de zeólita e as soluções com íons a 10 mg.L-1 e 50 mg.L-1 foram realizados. Os resultados indicaram que a adsorção de Mn2+ e Zn2+ atingiu altas porcentagens em todos os tempos de contato. Os ensaios de adsorção foram promissores, demonstrando a alta capacidade de adsorção da zeólita LTA, mostrando que o tempo de equilíbrio foi de obtido já em 1 min e a velocidade de adsorção seguiu a cinética de primeiraordem. Os ensaios de isoterma de adsorção mostraram que a zeólita LTA demonstrou uma capacidade significativa de remoção dos íons Mn2+ e Zn2+, mesmo em concentrações mais elevadas. O modelo que melhor se ajustou para Zn2+ e para Mn2+, foi o de Langmuir. Assim, constou-se que a superfície do adsorvente tem boa capacidade de adsorção para os íons, confirmando a maior eficiência do adsorvente para Zn2+ em comparação a Mn2+.
Acesso aberto (Open Access)
Uso de hidroxiapatita na adsorção do íon Mn2+ e posterior estudo de liberação para aplicação como fertilizante
(Universidade Federal de Alfenas, 2020-07-10) Ruellas, Thamara Machado De Oliveira; Giraldi, Tania Regina; Bertholdo, Roberto; Brondi, Ariadne Missono
O manganês é um elemento essencial aos organismos vivos em baixas quantidades, uma vez que participa de algumas sínteses proteicas, de funcionamentos enzimáticos e por ser cofator de diversas enzimas. Também é um micronutriente necessário para as plantas, sendo utilizado como fertilizante. Entretanto, em altas quantidades, pode ocasionar sérios problemas à saúde humana, tais como síndromes neurológicas, alteração de tamanho de recém-nascidos, entre outros. Sua forma bivalente Mn2+, estável em solução e altamente solúvel, apresenta grande potencial poluente. Dessa forma, é importante investigar maneiras eficazes de retirar os íons Mn2+ do meio aquoso visando a diminuição do efeito nocivo de sua presença no meio. Atrelado ao efeito maléfico do excesso de Mn2+ em águas residuárias, existe o efeito benéfico deste íon quando utilizado como fertilizante. Dessa forma, o foco de estudo desta dissertação é o de utilizar hidroxiapatita comercial e hidroxiapatita sintetizada pelo método da coprecipitação na adsorção de íons Mn2+. A escolha da hidroxiapatita como adsorvente foi feita com base em seu potencial adsortivo e de seu uso como fertilizante. Posteriormente, ambas as hidroxiapatitas, juntamente com o íon adsorvido, tiveram seu potencial de uso como fertilizante avaliado pelo estudo da liberação dos íons Mn2+ e fosfato em um meio que simula o solo. Sendo assim, a presente dissertação estuda a retirada de Mn2+ de um meio onde a presença do íon produz efeitos maléficos e procura redirecioná-lo positivamente ao agronegócio. As caracterizações das hidroxiapatitas foram satisfatórias, sobretudo para a hidroxiapatita coprecipitada, que apresentou maior área superficial (60,40 m²/g) do que a hidroxiapatita comercial (40,61 m²/g), além de maior pureza de acordo com a análise de DRX, FTIR e análise térmica. Os ensaios de adsorção de íons Mn2+ foram realizados próximos ao ponto isoelétrico. A microscopia de transmissão (MET) revelou menores tamanhos médios de partícula para a hidroxiapatita coprecipitada (13,32 nm), com formato esférico, do que para a hidroxiapatita comercial (22,60 nm), com formato de bastonete. Os resultados de adsorção de íons Mn2+ obtidos são promissores, apresentando um perfil de adsorção favorável para ambas as hidroxiapatitas, com capacidade máxima de adsorção de 14,07 mg/g para a hidroxiapatita comercial e de 27,93 mg/g para a hidroxiapatita coprecipitada, ajustados ao modelo de Langmuir para temperatura ambiente, pH 7, 30 minutos de contato e 2,5 g/L de hidroxiapatita. O estudo de liberação em meio de ácido cítrico 2% (m/v) a 40°C obteve também resultados positivos, com liberação de manganês e fósforo para ambas as hidroxiapatitas, sendo que os resultados para a hidroxiapatita coprecipitada foram superiores, uma vez que apresentou maior liberação de macronutriente (fósforo) e menor de micronutriente (manganês) no período estudado de cinco dias. De forma geral, ambas as hidroxiapatitas comercial e coprecipitada apresentaram resultados favoráveis, oferecendo uma possível alternativa de redirecionamento de íons Mn2+, em conjunto com a hidroxiapatita, como fontes de micronutriente e macronutriente na área dos fertilizantes minerais.

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