Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-876VTZ
Type: Tese de Doutorado
Title: Preparação de novos catalisadores do tipo fenton heterogêneos, à base de óxidos de ferro formados em litologia de Itabirito
Authors: Marcio Cesar Pereira
First Advisor: José Domingos Fabris
First Co-advisor: Rochel Montero Lago
First Referee: Andrea Paesano Junior
Second Referee: Joseph William Stucki
Third Referee: Eduardo Nicolau dos Santos
metadata.dc.contributor.referee4: Wagner da Nova Mussel
Abstract: Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de novos materiais à base de geomaterial, formado sobre itabirito, para uso em sistemas catalíticos do tipo Fenton heterogêneo. O geomaterial estudado é extremamente rico em óxidos de ferro, i. e. hematita ( Fe2O3) e goethita ( FeOOH). No entanto, ele é praticamente inativo cataliticamente em reações com H2O2. Assim, o principal objetivo deste trabalho foi o de desenvolver catalisadores ativos usando o geomaterial como precursor. Para isso, dois tratamentos foram realizados: (1) solubilização das fases de ferro do geomaterial, redução química parcial dos íons Fe3+ e precipitação das fases de ferro; (2) redução química de Fe3+, na estrutura da hematita e goethita, por reações com carvão obtido da queima de sacarose. No tratamento (1) as amostras foram solubilizadas com HCl concentrado, o Fe3+ solúvel reduzido quimicamente com diferentes quantidades de Na2SO3 e as novas fases de ferro precipitadas com NaOH. No tratamento (2), os compósitos de solo/carvão foram obtidos a partir de impregnação de sacarose no geomaterial, seguido de tratamento térmico em diferentes temperaturas de aquecimento em atmosfera de ar. Os materiais sintetizados foram caracterizados por análises químicas de Fe2+ e Fe total, medidas de reflectância difusa, medidas de área superficial, espectroscopia Mössbauer do 57Fe e difratometria de raios X. Os resultados obtidos para o tratamento (1) indicaram que os principais produtos formados foram uma solução sólida de magnetita-maghemita em todos os materiais, além de ferridrita na amostra I-3, lepidocrocita na Fe-4, feroxita na I-4 e pequenas quantidades de hematita na I-6. A atividade catalítica dos materiais na degradação do azul de metileno, usado como uma molécula modelo, foi significativamente melhor em relação à amostra não alterada. Estudos cinéticos mostraram que a ordem da reação de degradação do azul metileno é 1 em relação à concentração do corante e do catalisador e aproximadamente 0,5 em relação à concentração de H2O2. O mecanismo proposto de degradação do corante é similar ao do sistema do tipo Fenton heterogêneo e ocorre via radicais livres. Fe2+ estrutural, na estrutura da magnetita, e feroxita foram os responsáveis pela atividade catalítica daqueles sistemas. A remoção de cor da solução do corante e conversão de carbono orgânico em inorgânico foi 80 e 14%, respectivamente, após 150 minutos de reação. Os resultados obtidos para o tratamento (2) mostraram que hematita e goethita podem reagir com CO para formar espécies químicas reduzidas como magnetita e wüstita. A atividade catalítica desses materiais mostrou-se significativamente melhor na degradação do azul de metileno, em relação à amostra não alterada. A formação de wüstita foi induzida pelo aumento no teor de carvão nos compósitos. Compósitos contendo cobalto foram fortemente ativos na degradação do corante. O cobalto teve um papel importante na estabilização de wustita e para evitar processos de sinterização durante o processo de aquecimento. Estudos cinéticos mostraram que a ordem da reação de degradação do corante foi igual a 1 em relação à concentração do azul de metileno e catalisador e 0,5 em relação à de H2O2. As espécies de Fe2+ e Co2+ foram as responsáveis pela atividade catalítica dos materiais. O mecanismo de degradação do azul de metileno ocorre via radicais hidroxila, que pode ser verificado através de alguns fragmentos no espectro de massa (ESI-MS). Os materiais apresentaram forte potencial para descoloração e mineralização do azul de metileno em meio aquoso.
Abstract: In this thesis is discussed the development of new materials based on geomaterial, formed on itabirite, to use in heterogeneous Fenton-like catalytic systems. The geomaterial studied is extremally iron oxides-rich, i. e., hematite and goethite. However, it is practically inative towards H2O2 reactions. Thus, the main objective this work was to develop active catalysts using the geomaterial as precursor. For this propose, two treatments was carried out: (1) solubilization of iron oxides from geomaterial, chemical reduction and precipitation of new iron phases (2) chemical reduction of Fe3+, in the hematite and goethite structures, through reaction with charcoal obtained from sucrose burn. In the treatment (1) the samples was dissolved with concentrated HCl, the soluble Fe3+ was chemically reduced with different Na2SO3 contents and the new iron phases precipitated using NaOH. In the treatment (2) the soil/charcoal composites was obtained from impregnation of sucrose on the geomaterial and further the materials was thermally treated at different heating temperatures in air atmosphere. The synthesized materials was characterized by chemical analysis of Fe2+ and total Fe, diffuse reflectance measurements, surface area measurements, 57Fe Mössbauer spectroscopy and X-ray diffraction. The results obtained for the treatment (1) indicated that the main products formed was a solid solution of magnetite-maghemite in all materials, beyond ferrihydrite in sample I-3, lepidocrocite in the Fe-4, feroxyhite in the I-4 and small amounts of hematite in the I-6 sample. The catalytic activity of the materials towards methylene blue degradation, used as model molecule in this study, was significatively better than unaltered sample. Kinetic studies showed that reaction order of methylene blue degradation was 1 in respect to dye and catalyst concentration and approximately 0.5 in respect to H2O2 concentration. The mechanism of methylene blue degradation proposed is similar to the heterogeneous Fenton-like and occur via free radicals. Fe2+, in the magnetite structure, and feroxyhite, was the active sites in those systems. The color removal from dye solution and conversion of organic carbon into inorganic carbon was 80 and 14%, respectively, after reaction 150 min. The results obtained to the treatment 2 showed that hematite and goethite could react with CO to form reduced species such as magnetite and wüstite. The catalytic activity of these materials showed significatively better than unaltered sample in the methylene blue degradation. Optimal heating temperature of the soil/charcoal composites was found be 600 C. Wüstite formation was induced by the increase in the charcoal content in the composites. Co-bearing composites was strongly active in the dye degradation. Cobalt had an important role in the stabilization of wüstite and avoids the sintering process during the heating of the composites. Kinetic studies showed that the reaction order is 1 in respect to methylene blue and catalyst concentration and 0.5 in respect to H2O2 concentration. Fe2+ and Co2+ species was the active sites in those systems. The mechanism of methylene blue degradation occurs via hydroxyl radical, which could be verified by some fragments in the mass spectra (ESI-MS). The materials presented a strong potential to discoloration and mineralization of methylene blue in aqueous medium.
Subject: Físico-química
Ferro Minas e mineração
Química
Catalisadores
Oxidos de ferro
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-876VTZ
Issue Date: 5-Mar-2009
Appears in Collections:Teses de Doutorado

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
tese_marcio_cesar_pereira___ufmg___21_mar_2009.pdf3.3 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.