Synthesis and characterization of magnetic nanocomposites as adsorbents for the sequestration of dyes and antibiotic

Abstract

Hoje em dia, a remoção de contaminantes como corantes e antibióticos de águas residuais tornou-se uma tarefa necessária. Melhorar o desempenho dos adsorventes para facilitar o processo de adsorção e projetar métodos de separação destes adsorventes apos a remoção de contaminantes e de grande interesse cientifico e industrial. Nesta pesquisa, compósitos formados por ferrita de cobalto com quitosana, biosílica e caulinita foram sintetizados e empregados como adsorventes de azul de metileno, alaranjado II, vermelho do congo e doxiciclina. Os compósitos obtidos foram caracterizados por difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) microscopia eletrônica de transmissão (MET), espectroscopia na região do infravermelho, magnetômetro SQUID e adsorção de gas N2. Nanopartículas puras de CoFe2O4 foram sintetizadas por co-precipitação. O precipitado resultante foi secado empregando-se o método convencional (forno), e o processo de secagem por nebulização. Amostras de cobalto de ferritas obtidas a partir dos dois processos de secagem foram brevemente aplicadas a solução de azul de metileno, usado como um modelo de corante catiônico para se conhecer o efeito do processo de secagem sobre a adsorção de corantes. Os estudos mostraram que todas as amostras secas por nebulização tiveram melhor desempenho do que as outras na adsorção de azul de metileno (AM). Compósitos interligados de quitosana/CoFe2O4 obtidos por nebulização também foram sintetizados e utilizados como adsorventes para a remoção de alaranjado II e azul de metileno. O compósito magnético foi obtido na forma de microesferas com ferrita de cobalto encapsulada em quitosana. Os estudos da adsorção revelaram que o alaranjado II foi adsorvido mais favoravelmente do que o azul do metileno. O processo de adsorção e espontâneo e exotérmico. Estudos computacionais mostraram que a formação de ligações de hidrogênio entre o alaranjado II e o composto magnético (em pH acido e alcalino) contribuiu para sua melhor adsorção do que o azul metileno. A remoção de hidrocloridrato de doxiciclina (DOX), um antibiótico amplamente utilizado, de águas residuais pelo nanocompósito formado por CoFe2O4/silica de casca de arroz foi estudada. O adsorvente foi sintetizado pela co-precipitação de sais de ferro e cobalto misturados com uma solução de sílica de casca de arroz, cujo precipitado foi seco e calcificado em varias temperaturas. O nanocompósito recém preparado tem a área superficial especifica mais elevada (283 m2 g-1). O mecanismo de adsorção envolve interações n- eletrostáticas. Os dados de adsorção se ajustaram com a isoterma de Langmuir, tendo a capacidade de adsorção de monocamada de 835,47 e 581,44 mg g-1 para a amostra recém preparada e a calcinada a 700 C, respectivamente. A remoção do DOX e entropicamente impulsionada e de natureza espontânea. A capacidade de adsorção do compósito (253,6 mg g-1) foi maior do que a da biosilica (52,6 mg g-1), com processo exotérmico e espontâneo. Os modelos de Langmuir e Freundlich foram aplicados para explicar a isoterma de adsorção, cuja pseudo segunda ordem e mais aplicável para a cinética do mecanismo. A quantidade de azul de metileno removido aumentou com um aumento na forca iônica devido a sua dimerização. A regeneração e reutilização dos adsorventes mostraram que eles são economicamente viáveis. Nanopartículas de CoFe2O4 suportada sobre caulinita lamelar foram sintetizadas e empregadas na adsorção de doxiciclina e vermelho do congo a partir de solução aquosa. Os mecanismos comparativos da adsorção dos dois contaminadores mostraram que a adsorção de DOX foi influenciada pela ligação do hidrogênio e pela interação n-, enquanto a do vermelho do congo foi devido a interação hidrofóbica e a ligação do hidrogênio. No entanto, a adsorção dos dois contaminantes teve um ajuste melhor a isoterma de Langmuir, com uma capacidade máxima de adsorção de 400 mg g-1 a 333 K para DOX, e 547 mg g-1 em 298 K para o vermelho do congo. A remoção do DOX da solução aquosa foi favorecida por um aumento da temperatura (endotérmico), enquanto a do vermelho do congo foi exotérmica. Estudos termodinâmicos confirmaram que a adsorção dos dois contaminantes e viável e espontânea. A capacidade de adsorção das caulinitas foi melhorada pela secagem por nebulização de uma dispersão de argila e através de sua modificação superficial. As caulinitas secas por nebulização tiveram a maior área superficial especifica, de 102 m2g-1 e um melhor desempenho do que as caulinitas modificadas superficialmente e as naturais, com capacidade de adsorção de 168 mg/g (a 333 K). Os parâmetros termodinâmicos revelaram que o processo de adsorção e espontâneo em todas as temperaturas estudadas para as argila secas por nebulização.