Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/47519
Type: Tese
Title: Propriedades termodinâmicas, estruturais e eletrônicas da hematita, goethita e ferridrita e o efeito das substituições isomórficas por alumínio nos processos de adsorção de água e arsenato revelados por cálculos DFT.
Authors: Walber Goncalves Guimaraes Junior
First Advisor: Hélio Anderson Duarte
First Co-advisor: Guilherme Ferreira de Lima
First Referee: Hélio Anderson Duarte
Second Referee: Guilherme Ferreira de Lima
Third Referee: Juarez Lopes Ferreira da Silva
metadata.dc.contributor.referee4: Alexandre Amaral Leitão
metadata.dc.contributor.referee5: Willian Ricardo Rocha
José Domingos Fabris
Abstract: A hematita (Hem, α-Fe2O3), goethita (Goe, α-FeOOH) e seus isomorfos de alumínio coríndon (Cor, α-Al2O3) e diásporo (Dia, α-AlOOH), além da ferridrita (Fh, Fe5O8H), são oxidróxidos presentes nos Latossolos e responsáveis por vários processos de interesse ambiental e geoquímicos. Esses materiais são também utilizados como adsorventes, para a remoção e imobilização de arsênio presentes nos rejeitos de mineração de ouro e outros metais nobres. Cálculos computacionais de estrutura eletrônica baseados no Funcional de Densidade (DFT) e Ondas Planas (PW) foram realizados para modelar as estruturas minerais com o objetivo de estimar propriedades eletrônicas e termodinâmicas e o efeito das substituições isomórficas de ferro nos mecanismos de adsorção de água e arsenato. As estruturas para Hem, Goe e Cor foram revisitadas e comparadas com os cálculos correspondente para o Dia. Os resultados demonstraram que a energia de adsorção de água segue a tendência Cor > Hem > Goe > Dia, ocorrendo preferencialmente via mecanismo dissociativo. Dia e Goe apresentam valores de energia de adsorção de água bem menores que os seus correlatos Cor e Hem. O processo termodinâmico de substituição isomórfica de ferro por alumínio não é favorável no nível de teoria utilizado. Este resultado indica que o processo de substituição é controlado cineticamente explicando as diferentes percentagens de substituição isomórfica reportados na literatura. A estabilidade de fase dos sistemas substituídos foi investigada variando o potencial químico da água indicando que a formação favorável da fase Hem-Cor, partindo da fase Goe-Dia. A Fh é um mineral nanométrico de difícil análise devido ao seu alto grau de desordem. Um modelo adequado a modelagem computacional foi proposto e está coerente com a fase 6L disponível em bancos cristalográficos. A análise termodinâmica da substituição isomórfica de ferro por alumínio na Fh é favorável em cerca de 8,5% em fração molar. O mecanismo de adsorção dissociativo da água é favorecido também para a Fh. O processo de adsorção das espécies de As(V), H2AsO4- e HAsO42- , nas superfícies desses sistemas foi investigado. Para os processos a adsorção via mecanismo bidentado-binuclear é a forma mais estável para a fixação de As(V), em média, cerca de 18 kJ mol-1 mais estável que os outros sítios de adsorção. A presença de alumínio substituindo o ferro favorece a adsorção de As(V). Os resultados demonstram que as energias de adsorção de água e As(V) estão na mesma ordem de grandeza para a Hem, Cor e Fh. A adsorção de As(V) em Goe e Dia é mais favorável que a adsorção de água. Esta tese representa importante avanço para o entendimento ao nível molecular dos oxidróxidos de ferro e alumínio e de sua reatividade química em relação à adsorção de água e As(V).
Abstract: Hematite (Hem, α-Fe2O3), goethite (Goe, α-FeOOH), and their aluminum isomorphous corundom (Cor, α-Al2O3) and diaspore (Dia, α-AlOOH), besides ferrihydrite (Fh, Fe5O8H), are oxyhydroxides present in latosols and responsible for several processes of environmental and geochemical interest. These materials are also used as adsorbents for the removal and immobilization of arsenic present in the tailings of gold and other noble metal ores. Computational calculations of electronic structure based on Density Functional (DFT) and Plane waves (PW) were performed for these materials to estimate the electronic and thermodynamical properties and the effect of the aluminum isomorphic substitutions involved in water and arsenate adsorption. Hem, Goe, and Cor were revisited and compared with the calculations for Dia. The results demonstrated that the adsorption energy of water follows the tendency Cor > Hem > Goe > Dia, occurring preferentially through a dissociative mechanism. Dia and Goe present lower water adsorption energies compared to the correlated Cor and Hem. The thermodynamic process of isomorphic substitution of iron by aluminum is not favorable in the used level of theory. These results indicate that the substitution process is kinetically controlled, and this explain the large ratios of isomorphic substitution reported in the literature. The phase stability of the substituted system was investigated by varying the chemical potential of water to show that the formation of Hem-Cor from the Goe-Dia phase is favorable. Fh is a nanometric mineral of difficult analyses due to its high degree of disorder. An adequate computational model was proposed, and it is coherent with the 6L phase available in the crystallographic database. The thermodynamic analysis of the isomorphic substitution of iron by aluminum in Fh is favorable up to molar ratio 8.5%. The As(V), H2AsO4 - e HAsO4 2-, adsorption process in the mineral surfaces was investigated. The bidentate-binuclear mechanism for the adsorption is the most stable for As(V), with an estimated value of 18 kJ mol-1 more stable than other adsorption sites. The occurrence of aluminum substituting the iron favors the adsorption of As(V). The results demonstrated that the water and As(V) adsorption energies are in the same order of magnitude as Hem, Cor, and Fh. The adsorption of As(V) in Goe and Dia is more favorable than the water adsorption. This thesis represents an important advance for the understanding at a molecular level of the oxyhydroxides of iron and aluminum and their chemical reactivity concerning the water and As(V) adsorption.
Subject: Físico-química
Óxidos
Adsorção
Arsênio
Funcionais de densidade
Hematita
Resíduos de arsênio
Ouro
Minas e mineração
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/1843/47519
Issue Date: 29-Oct-2021
metadata.dc.description.embargo: 29-Oct-2023
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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