Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/35347
Type: Tese
Title: Estudo e desenvolvimento de estratégias de remoção de organofosforados de soluções aquosas utilizando sílicas porosas e policloreto de vinila
Authors: Samara Ben Berg Bomjardim Bahia
First Advisor: Tiago Antônio da Silva Brandão
First Co-advisor: Maria Helena Araujo
First Referee: Eduardo Nicolau dos Santos
Second Referee: Rodrigo Lassarote Lavall
Third Referee: Célia Machado Ronconi
metadata.dc.contributor.referee4: Elisa Souza Orth
Abstract: Este trabalho aborda o uso de silicatos e plásticos na remoção de organofosforados de soluções aquosas. Os estudos dividem-se em três partes: 1. estudo cinético da reação de hidrólise de organofosforados por sílicas porosas não-funcionalizadas; 2. aplicação de uma SBA-15 amino-funcionalizada coordenada com íons lantanídeos para a catálise da hidrólise do bis(2,4-dinitrofenil)fosfato; e, 3. estudo cinético da adsorção de etil paraoxon (POx) em tubo flexível de PVC. Na primeira parte, avaliou-se a capacidade das sílicas porosas MCM-41, SBA-15 e SiO2 em catalisar a hidrólise de di- e monoésteres de fosfato. Efeitos catalíticos superiores a 7000 vezes foram observados para a hidrólise de bis(4-nitrofenil)fosfato na presença dos materiais calcinados. Tais efeitos foram suplementados mediante um aumento súbito de velocidade, que foi consequência da hidratação e hidroxilação da superfície da sílica. As reações de hidrólise ocorrem via um mecanismo SN2(P), onde grupos silanóis são catalisadores ácido-geral na estabilização do grupo abandonador, enquanto grupos silóxido agem como catalisadores base-geral na ativação da molécula de água nucleofílica. Na segunda parte, sílicas mesoporosas do tipo SBA-15, funcionalizadas com grupos orgânicos amino/amônio e coordenadas com íons La(III) e Ce(III), foram utilizadas para a catálise da reação de hidrólise de BDNPP. Os materiais foram caracterizados por diferentes técnicas, apresentando um grau de funcionalização de 13% (m/m) e a coordenação de 0,5 a 1,5 % (m/m) dos lantanídeos. Fatores catalíticos entre 7-14 vezes para a hidrólise de BDNPP foram observados com esses materiais e a hidratação do material aumentou tais fatores para 66-95 vezes em relação à hidrólise espontânea. A adição de 0,1 M de peróxido de hidrogênio suplementou o estágio lento da reação e um fator catalítico de 63 vezes foi determinado. Esses estudos mostraram que esses materiais apresentam potencial para futuro desenvolvimento. Por fim, na terceira parte deste trabalho, avaliou-se a capacidade e a cinética de adsorção do paraoxon etílico (POx) por tubos flexíveis de PVC. A cinética de adsorção foi analisada usando modelos fenomenológicos e a análise de adsorção-dessorção de Langmuir (LAD). A cinética de adsorção seguiu um regime de difusão, no qual a adsorção do substrato da superfície externa do plástico para o seu interior foi limitada em todas as concentrações de POx. O progresso de adsorção dependeu de vários estágios, a velocidade de adsorção apresentou uma dependência hiperbólica descendente em relação ao aumento das concentrações iniciais de POx, sendo proporcional aos coeficientes de difusão estimados numericamente usando a análise LAD. Além disso, a adsorção exibiu uma dependência temporal de acordo com o modelo tipo-fractal de Vermeulen. As observações foram consistentes com um processo de adsorção dificultado pelo próprio adsorvato. Os materiais de sílica, independente do arcabouço estrutural, demonstraram ser excepcionalmente eficientes na catálise após a hidratação e a hidroxilação. Por sua vez, a adsorção de POx pelos tubos de PVC permitiu entender as consequências do processo de sorção e da aplicação desses materiais, tão importantes na agricultura e demais atividades humanas.
Abstract: This work addresses the use of silicates and plastics in the removal of organophosphates from aqueous solutions. The studies were divided into three parts: 1. kinetic study of the hydrolysis of organophosphates by non-functionalized porous silica materials; 2. application of an amino-functionalized SBA-15 coordinated with lanthanide ions to catalyze the hydrolysis of bis(2,4-dinitrophenyl)phosphate; and, 3. kinetic study of ethyl paraoxon (POx) adsorption onto a flexible PVC tube. In the first part, the capacity of the porous silicas MCM-41, SBA-15, and SiO2 to catalyze the hydrolysis of di- and mono- phosphate esters was evaluated. Catalytic effects greater than 7000 times were observed for the hydrolysis of bis(4-nitrophenyl)phosphate in the presence of the materials. Such effects were supplemented by a sudden increase in speed, which was consequence of the hydration and hydroxylation of the silica surface. Hydrolysis reactions occur via an SN2(P) mechanism, in which silanol groups are acid-general catalysts stabilizing the leaving group whereas siloxide groups act as general-base catalysts in the activation of the nucleophilic water molecule. In the second part, SBA-15 type mesoporous silicas, functionalized with organic amino/ammonium groups and coordinated with La(III) and Ce(III) ions, were used to catalyze BDNPP hydrolysis. The materials were characterized by different techniques, showing a degree of functionalization of 13% (w/w) and coordination of 0.5 to 1.5% (w/w) of the lanthanides. Catalytic factors between 7 and 14-fold for BDNPP hydrolysis were observed with these materials and the hydration of the materials increased these factors from 66 to 95-fold in relation to the spontaneous hydrolysis. The addition of 0.1 M hydrogen peroxide supplemented the slow reaction stage and a catalytic factor of 63-fold was determined. These studies showed that these materials have potential for future development and applications. Finally, in the third part of this work, the capacity and kinetics for the adsorption of ethyl paraoxon (POx) by flexible PVC tubes were evaluated. The adsorption kinetics was analyzed using phenomenological models and the Langmuir adsorption-desorption (LAD) analysis. The adsorption kinetics followed a diffusion regime, in which the adsorption of the substrate from the external surface of the plastic to its interior was limited in all POx concentrations. The adsorption progress depended of several stages, the adsorption rate showed a descending hyperbolic dependence in relation to the increase of the initial POx concentration, being proportional to the diffusion coefficients estimated numerically using the LAD analysis. In addition, the adsorption exhibited a temporal dependence according to the Vermeulen's fractal-type model. The observations were consistent with an adsorption process hindered by the adsorbate itself. Despite of different structural framework, the silica materials were exceptionally efficient in catalysis after hydration and hydroxylation. Moreover, the adsorption of POx onto PVC tubes allowed to understand the consequences of the sorption process and the application of these materials, highly important in agriculture and other human activities.
Subject: Compostos organofosforados
Hidrólise
Adsorção
Sílica
Cloreto de vinila
Silicatos
Plásticos
Águas residuais Purificação Remoção de fosfato
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química
Rights: Acesso Restrito
URI: http://hdl.handle.net/1843/35347
Issue Date: 11-Nov-2020
metadata.dc.description.embargo: 11-Nov-2021
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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