Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-85TTWV
Tipo: Tese de Doutorado
Título: Investigação da adsorção de arsênio e ácidos organofosfônicos em minerais de alumínio através de uma nova abordagem baseada na teoria do funcional de densidade
Autor(es): Augusto Faria Oliveira
Primeiro Orientador: Helio Anderson Duarte
Primeiro membro da banca : Fernando Rei Ornellas
Segundo membro da banca: Itamar Borges Júnior
Terceiro membro da banca: José Domingos Fabris
Quarto membro da banca: Willian Ricardo Rocha
Resumo: O arsênio é um elemento ubíquo, encontrado na atmosfera, em águas superficiais e subterrâneas, solos e rochas, e também nos seres vivos. Sua mobilização no meio ambiente depende de vários fatores como clima, intemperismo e atividade biológica, por exemplo. Entretanto, fatores antropogênicos como a mineração e queima de combustíveis fósseis também são responsáveis por uma importante parcela do impacto do arsênio sobre o meio ambiente. É bem conhecido que o As(III) apresenta maior mobilidade no meio ambiente que o As(V), o que se explica pela alta reversibilidade da adsorção do As(III) em minerais como óxidos e hidróxidos de alumínio. Contudo, resultados experimentais de EXAFS indicam que o As(III) se adsorve quimicamente nesses minerais, o que parece ser conflitante com sua alta mobilidade, uma vez que complexos de adsorção química deveriam estar fortemente ligados. Nesta tese, cálculos teóricos foram utilizados na modelagem da adsorção do As(III) na interface gibbsita/água através de dois mecanismos diferentes. A gibbsita é um hidróxido de alumínio com área superficial expressiva, disponível como um dos principais componentes do bauxito. Inicialmente, cálculos da teoria do funcional de densidade (DFT) foram aplicados a modelos de cluster finitos, gerando evidência de que, ao contrário do As(V), o As(III) não se adsorve por meio de um mecanismo ácido-base, mas por um mecanismo não-dissociativo em que ligações O-H não precisam ser rompidas. O mecanismo não-dissociativo permite conciliar a alta remobilização do As(III) com as evidências experimentais da ocorrência de adsorção química na superfície da gibbsita. Apesar dos cálculos teóricos estarem em bom acordo com os dados de EXAFS, a energia de adsorção relativa dos vários sítios investigados nos leva a concluir que a energia de adsorção sofre forte influência das interações de longa distância e, por isso, modelos mais complexos precisam ser utilizados. A fim de melhorar a descrição da adsorção do As(III), um estudo detalhado da estrutura geométrica e eletrônica da gibbsita foi realizado usando-se o método tight-binding baseado no funcional de densidade com correção de carga autoconsistente (SCC-DFTB). Esse estudo permitiu a observação dos estados eletrônicos intrínsecos da superfície e das modificações ocasionadas na estrutura eletrônica pela restrição do tamanho dos modelos. Cálculos DFT também foram realizados, mostrando que, além de envolver um esforço computacional consideravelmente menor, o método SCC-DFTB fornece dados confiáveis, com pequenas discrepâncias em relação aos métodos DFT. Em seguida, o estudo da adsorção do As(III) foi realizado através de cálculos SCC-DFTB; foram usados modelos de cluster e modelos periódicos. Novas evidências foram obtidas em favor do mecanismo de adsorção não-dissociativo. Também foi demonstrada a influência dos efeitos de longa distância sobre as energias de adsorção e sobre a geometria dos adsorvatos, especialmente naqueles do mecanismo não-dissociativo. Conseqüentemente, um novo modelo foi proposto para a superfície da gibbsita. Nesse modelo, além das interações de longa distância, o efeito do solvente foi acrescentado a partir da inserção de uma camada de moléculas de água sobre a superfície. A interface gibbsita/água foi, portanto, modelada explicitamente através da simulação por dinâmica molecular usando-se o método SCC-DFTB, ou seja, por uma abordagem completamente quântica. Foi observado que a presença da água não altera significativamente a estrutura eletrônica da superfície, mas as moléculas de água interagem fortemente com os grupos aquo e hidroxila da gibbsita por meio de ligações de hidrogênio. Portanto, há interações bastante específicas na interface sólido/líquido que podem explicar a dificuldade em se conciliar definitivamente os resultados teóricos com os resultados experimentais obtidos para As(III) adsorvido em gibbsita. Finalmente, a aplicação do método SCC-DFTB foi estendida aos sistemas auto-estruturados. A adsorção de ácidos alquilfosfônicos em corundum ( -Al2O3) foi estudada por SCC-DFTB. O sítio de adsorção preferencial para diferentes números de coordenação foi estimado. Os cálculos realizados permitem concluir que o aumento do número de ligações entre a superfície e o adsorvato aumenta a regioseletividade. Portanto, os resultados apresentados nesta tese são importante referências no estudo da adsorção do As(III) em gibbsita, pois mostram a influência de efeitos provenientes da estrutura periódica do sólido, bem como do solvente. Importantes aspectos da interface sólido/líquido, que antes eram desprezados, foram discutidos e incorporados na modelagem. Enfim, a faixa de aplicações do método SCC-DFTB foi ampliada, permitindo-nos antever, a médio prazo, a aplicação desta metodologia em sistemas auto-estruturados, supramoleculares e nano-reatores.
Abstract: Arsenic is an ubiquitous element found in the atmosphere, surface and ground waters, soils and rocks, as well as in living beings. The mobilization of arsenic in the environment depends on various factors such as climate, weathering, and biologic activity, for example. However, anthropogenic factors such as mining and burning of fossil fuels have added an important contribution to the impact of arsenic in the environment. It is well known that As(III) shows higher mobility in the environment than As(V), which can be explained by the high reversibility of As(III) adsorption on minerals such as aluminum oxides and hydroxides. Nevertheless, EXAFS experimental results pointed out that As(III) chemically adsorbs on these minerals, which appears to be in conflict with its high mobility as it is expected for chemical adsorption complexes to be strongly attached. In this thesis theoretical calculations have been used to model the adsorption of As(III) in the gibbsite/water interface following two different mechanisms. Gibbsite is an aluminum hydroxide with expressive surface area, available as one of the main components of bauxite. Initially, density functional theory (DFT) calculations were applied to finite cluster models, resulting in evidence that, oppositely to As(V), As(III) does not adsorb following an acid-base mechanism, but a non-dissociative one, by which OH bonds do not break. The non-dissociative mechanism conciliates the high remobilization of As(III) and the experimental evidences of chemical adsorption on the gibbsite surface. Although theoretical calculations are in good agreement with EXAFS data, the relative adsorption energies of the investigated sites lead us to conclude that the adsorption energies are strongly affected by long-range interactions and, therefore, more complex models must be used. A detailed study on the geometric and electronic structure of gibbsite was carried out in order to enhance the description of As(III) adsorption. In this study the self-consistent charge density-functional based tight-binding (SCC-DFTB) method was used. In this study the intrinsic electronic states of the surface as well as the changes in the electronic structure caused by restricting the size of the models were observed. DFT calculations were also carried out and showed that, besides involving considerably less computational effort, the SCC-DFTB method gives reliable results, with minor discrepancies from DFT methods. Thereafter, the adsorption of As(III) was studied using SCC-DFTB calculations with cluster and periodic models. New evidences were gathered in favor of the non-dissociative adsorption mechanism. Also, the influence of long-range effects upon the adsorption energies and the adsorbate geometries was demonstrated, especially in the case of the non-dissociative mechanism. Consequently, a new model was proposed for the gibbsite surface. Besides the long-range interactions, the solvent effect was also included by adding a layer of water molecules over the surface. Therefore, the gibbsite/water interface was explicitly modeled by molecular dynamics simulation using the SCC-DFTB method, i.e. , following a totally quantum-mechanical approach. It was observed that the presence of water does not significantly affect the electronic structure of the surface, but the water molecules strongly interact with aquo and hydroxyl groups on gibbsite through hydrogen bonds. Thus, there are very specific interactions in the solid/liquid interface that may explain the difficulty to definitely conciliate the theoretical and experimental results obtained for the As(III) adsorbed on gibbsite. At last, the application of SCC-DFTB was extended to self-assembled systems. The adsorption of alkylphosphonic acids on corundum ( -Al2O3) was studied with SCC-DFTB. The favored adsorption site for different coordination numbers was estimated. The calculations allow to conclude that the increase of the number of bonds between the surface and the adsorbate also increase the regioselectivity. Hence, the application range for the SCC-DFTB method was broadened, allowing for the prediction, in a middle term, the application of this method to self-assembled, supra-molecular and nano-reactor systems.
Assunto: Arsênio
Físico-química
Adsorção
Idioma: Português
Editor: Universidade Federal de Minas Gerais
Sigla da Instituição: UFMG
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-85TTWV
Data do documento: 22-Fev-2008
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