Application of innovation strategies in the development of sustainable technologies for surface water remediation and smart materials against COVID-19

Abstract

A aplicação de estratégias de inovação levou ao desenvolvimento de tecnologias sustentáveis para dois desafios abordados nesta tese. A primeira tecnologia visava a remediação das águas superficiais, como as águas do Rio Doce ou das nascentes de Minas Gerais, Brasil. Foi examinada a possibilidade de usar os rejeitos da mineração de Serpentinito natural e o endocarpo de Macaúba após um tratamento alcalino, como alternativa sustentável para remoção de alumínio(III), ferro(III), chumbo(II), e manganês(II). O estudo utilizou um desenho experimental Box-Behnken para analisar o efeito da concentração inicial do metal, a dosagem do adsorvente e o tempo de adsorção, na eficácia da remoção dos metais. Os resultados demonstraram um desempenho expressivo, com taxas de remoção superiores a 80% para Al(III), Fe(III) e Pb(II) e 60% para Mn(II). Neste estudo aprofundou-se nos mecanismos de remoção, cinética, isotermas de adsorção e caracterização dos materiais. Os resultados das isotermas sugerem a quimissorção como o principal mecanismo do endocarpo de Macaúba tratado. Para o Serpentinito foram identificados mecanismos de fisissorção e quimissorção nas quais a formação de complexos com grupos OH- liberados e a troca iônica com Mg(II) do Serpentinito emergiram como principais contribuintes para o processo de remoção. Além disso, os ciclos de adsorção de íons metálicos e regeneração do adsorvente foram avaliados e exibem eficácia de remoção sustentada sem redução notável da capacidade do Serpentinito. Em contrapartida, o endocarpo de Macaúba tratado perde 50% da capacidade de adsorção após o primeiro ciclo de regeneração. A capacidade média de adsorção do Serpentinito e do endocarpo de Macaúba tratado foi de 0.71 e 0.23 mg g-1, respectivamente. A Macaúba tratada apresentou maior seletividade para adsorção de Mg(II) e Pb(II). O uso combinado de ambos os materiais reduziu com sucesso o teor de metais da água do Rio Doce e das nascentes até os padrões de água potável. Um processo descontínuo e contínuo é proposto e avaliado para escalonar a capacidade de adsorção dos materiais. A avaliação da tecnologia usando bases de dados de patentes e artigos mostrou a novidade da invenção apresentada. A valoração verificou o baixo custo desta tecnologia. No geral, este estudo mostra o potencial de ambos os materiais como base para métodos sustentáveis e econômicos para tratar a contaminação de águas superficiais com Al(III), Fe(III), Pb(II) e Mn(II). O segundo desafio abordado nesta tese foi o desenvolvimento de materiais inteligentes contra a COVID-19. O isolamento devido à pandemia começou no Brasil em março de 2020, coincidindo com o início das atividades desta tese. Em março de 2024, havia 774 milhões de casos confirmados e 7 milhões de mortes devido à pandemia de COVID-19, causada pelo SARS-CoV-2. Este trabalho enfatiza a importância da colaboração multidisciplinar na criação de estratégias de monitoramento e novos materiais para controlar a propagação viral, especialmente através de superfícies contaminadas ou fômites. A transmissão do fômite SARS-CoV-2 ainda não está clara. Um novo sistema virucida é proposto utilizando complexos de inclusão de clorexidina (CHX) com β-ciclodextrina (βCD) impregnados em matrizes de celulose ou têxteis para resolver esta dificuldade. As descobertas mostram que estas matrizes inativam o SARS-CoV-2 e reduzem os níveis virais nas superfícies durante 30 dias. Para a preparação dos compostos de inclusão foram utilizadas as metodologias de liofilização e spray-drying. As análises espectroscópicas e microscópicas mostraram a impregnação dos compostos de inclusão CHX-βCD nas matrizes. O escalonamento da produção do composto de inclusão usando spray-drying permitiu a produção em escala indústrial das matrizes virucidas. Esta opção inovadora e duradoura de desinfecção virucida de superfícies produzida nesta tese é o resultado de uma abordagem translacional em resposta à pandemia.