Memoria para optar al título de Químico / El uso de agentes de refuerzo en caucho natural permite la obtención de materiales compuestos (compósitos) con características y propiedades mejoradas con respecto al material prístino y su aplicación tecnológica. La mejora en las propiedades por el agente de refuerzo depende principalmente del grado de dispersión del refuerzo, la interacción entre el refuerzo y la matriz, la naturaleza y tipo de refuerzo y el proceso utilizado para la preparación del material compuesto. En este trabajo se ha realizado el estudio de la influencia del uso de dos materiales de refuerzo (un sistema de refuerzo híbrido) sobre las propiedades mecánicas y térmicas de nanocompósitos de caucho natural (NR) usando nanotubos de carbono multipared (MWCNT) y montmorillonita (MMT). Los nanocompósitos se prepararon mediante mezclado de suspensiones acuosas de los refuerzos con el látex de caucho natural prevulcanizado. El uso de este tipo de sistemas ha arrojado que la resistencia a la tracción aumentó hasta un 46 % respecto del caucho natural y el módulo de tensión correspondiente al 100% de deformación experimentó un incremento de hasta 540 % en comparación al caucho natural. Esto fue atribuido a un efecto sinérgico entre los refuerzos nanométricos utilizados. Técnicas de caracterización como difracción de rayos X y microscopia de transmisión electrónica (TEM) mostraron que la montmorillonita se encuentra parcialmente intercalada. Estas técnicas junto a espectroscopia Raman han mostrado que existe una influencia de la arcilla en la dispersión de los nanotubos. La estabilidad térmica se evaluó con el análisis termogravimétrico, encontrándose que el nanocompósito con refuerzo híbrido presenta mayor estabilidad. El análisis macanodinámico reveló que el material con refuerzo híbrido es más rígido. De todos los análisis se concluyó que los nanocompósitos con refuerzo híbrido presentan un aumento sustancial de sus propiedades en comparación con los nanocompósitos con un solo refuerzo. El mejor resultado se obtuvo para nanocompósitos con menor contenido de MWCNT / The use of reinforcing agents in natural rubber allows the production of composite materials with enhanced properties compared to the pristine material and amplifies its technological application. The improvement in properties by the strengthening agent mainly depends on the degree of dispersion of the reinforcement, the interaction between the reinforcement and the matrix, the nature and type of reinforcement and the process used for the preparation of the composite. The aim of this work was to study the influence of using the combination of two reinforcement materials (a hybrid reinforcement) on the mechanical and thermal properties of nanocomposites of natural rubber (NR) using multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) and montmorillonite (MMT). The nanocomposites were prepared by mixing the aqueous suspensions of the reinforcements with the prevulcanized natural rubber latex. The use of such systems has yielded materials with the tensile strength increased 46% higher than that of the natural rubber and the modulus corresponding to 100% of deformation experienced an increase of 540% compared to natural rubber. This was attributed to a synergistic effect between nanreinforcements used. Characterization techniques such as X-ray diffraction and transmission electron microscopy (TEM) showed that the montmorillonite clay was partially intercalated by polymeric chains. These techniques along with Raman spectroscopy have shown that there is an influence of the clay in the dispersion of the nanotubes. The thermal stability of the composites was evaluated by thermogravimetric analysis. It was found that the nanocomposites prepared by using hybrid reinforcement were thermally more stable. Dynamic mechanical analysis revealed that the material reinforced by hybrid reinforcement is stiffer than those using a single reinforcement. From all analysis it was concluded that the nanocomposite with hybrid reinforcement exhibited a substantial increase of its properties compared to nanocomposites with a single reinforcement. The best result was obtained for nanocomposites with lower MWCNT content / Fondecyt

Submitted by LIVIA FREITAS (livia.freitas@ufba.br) on 2016-04-11T15:45:25Z No. of bitstreams: 1 Tese Doutorado - Daniel Ribeiro de Mendonça - Final.pdf: 5380381 bytes, checksum: ccba772111f9b9544ab170e5a5ab8a06 (MD5) / Approved for entry into archive by LIVIA FREITAS (livia.freitas@ufba.br) on 2016-04-11T15:46:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese Doutorado - Daniel Ribeiro de Mendonça - Final.pdf: 5380381 bytes, checksum: ccba772111f9b9544ab170e5a5ab8a06 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-11T15:46:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Doutorado - Daniel Ribeiro de Mendonça - Final.pdf: 5380381 bytes, checksum: ccba772111f9b9544ab170e5a5ab8a06 (MD5) / Neste trabalho foi realizado o estudo do processo de obtenção de biodiesel metílico de sebo bovino (BMSB) empregando-se o hidróxido de potássio (KOH) como catalisador alcalino homogêneo e a argila Montmorillonita (K10) pura e ativada (H2SO4-K10) como catalisadores ácidos heterogêneos. A atividade catalítica do KOH foi investigada na transesterificação metílica do sebo bovino e para os catalisadores K10 e H2SO4-K10 foram investigadas na transesterificação do sebo bovino, na esterificação dos ácidos graxos do sebo bovino e, adicionalmente, em ambas as rotas simultaneamente. Nestes experimentos, as variáveis reacionais estudadas foram: a temperatura do sistema, o tempo, a razão molar metanol:sebo bovino (ou metanol:ácidos graxos do sebo bovino) e a razão mássica catalisador:sebo bovino (ou catalisador:ácidos graxos do sebo bovino). Os experimentos foram desenvolvidos de acordo com o Planejamento Fatorial Completo e o Planejamento Matriz de Doehlert. Os efeitos e as interações entre os efeitos das variáveis reacionais sobre a pureza e o rendimento do biodiesel, obtidos ao final da reação, foram avaliados através da realização de Análise Estatística da Variância. As elevadas purezas alcançadas através do uso do H2SO4-K10 na transesterificação do sebo bovino e do K10 na esterificação metílica dos ácidos graxos do sebo bovino foram de até 98 % para os dois catalisadores, demonstrando que os catalisadores são ativos para estes sistemas reacionais e promissores para a produção do BMSB. O biodiesel metílico do sebo bovino obtido foi caracterizado e as análises indicaram que o mesmo atende às especificações constantes na Resolução nº 14 da Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, com exceção da massa específica que ficou abaixo da faixa especificada. O reuso dos catalisadores K10 e H2SO4-K10 mostrou que os mesmos desativam significativamente após o primeiro uso. Isto resultou em baixas purezas em termos de ésteres metílicos de sebo bovino em todos os ciclos. Contudo, os catalisadores K10 e H2SO4-K10 mostraram-se ativos para catalisar a transesterificação e a esterificação a partir do emprego de outros álcoois como o etanol, propanol e butanol.

Una de las características más importantes del polipropileno (PP) es su versatilidad, la que hace posible, por ejemplo, su modificación mediante distintos métodos físicos y químicos ampliando su rango de aplicaciones. Entre las modificaciones que se le pueden hacer al PP se encuentra el mezclado con cargas, y en particular con nano-cargas, las que tienen al menos una dimensión en escala nanométrica. Las arcillas, y sobre todo, la montmorillonita (MMT), son una de las nano-cargas más usadas para la preparación de nanocompuestos de PP, aun cuando deben ser tratadas para darles un carácter organofílico (o-MMT). El método más usado hasta el momento para generar las mezclas de PP y o-MMT es el mezclado en fundido ya que es un proceso pos-reactor que resulta fácil de implementar con equipamiento de procesamiento habitual. Sin embargo, la aplicación de este método suele requerir el uso de un agente compatibilizante con cierto grado de polaridad, como es el PP modificado con anhídrido maleico. Los avances logrados en la preparación de nanocompuestos de PP y o-MMT han sido muchos desde que se comenzaron a estudiar hace un par de décadas. Sin embargo, los materiales que se han obtenido usando mezclado en fundido con compatibilizantes no presentan el nivel de mejora en sus propiedades que se observan en otros nanocompuestos poliméricos. Una técnica similar, aun casi no explorada y de fácil implementación a nivel industrial, es aquella que no utiliza compatibilizante sino que trata de generarlo in-situ, durante el mezclado, mediante la modificación química del polímero. Se plantea así el objetivo de esta tesis, que es obtener nanocompuestos basados en PP y MMT por mezclado reactivo en fundido, con buen grado de desagregación y exfoliación de las partículas de arcilla de manera de mejorar propiedades físicas del PP. Durante el desarrollo del trabajo se ha explorado el efecto del funcionalizante durante el procesamiento reactivo con intención de generar el compatibilizante in-situ, se han analizado distintas políticas de incorporación de componentes al medio de reacción, y se han evaluado las propiedades de flujo, térmicas y de barrera de los materiales obtenidos en función de sus características estructurales, concentración de componentes y procedimiento de mezclado. Los resultados obtenidos muestran que: es posible obtener nanocompuestos de PP y arcilla por funcionalización in-situ usando tanto anhídrido maleico (AM) como acrilato de n-butilo (BA). Se ha encontrado, además, que el mezclado secuencial, en el que se funde el PP y se agrega la arcilla a mitad del tiempo total de procesamiento durante el mezclado reactivo, es el procedimiento que genera mayor intercalación y/o grado de exfoliación de la arcilla tanto al usar AM como BA. Este mecanismo produce materiales en los que la permeabilidad al oxígeno y la velocidad de degradación oxidativa del PP son disminuidas significativamente sin afectar de manera notable la transparencia del polímero o sus procesos de cristalización y fusión. Además, la disminución del peso molecular de la matriz polimérica hace que las propiedades de flujo de los compuestos obtenidos no superen las del PP, lo que es otra consecuencia beneficiosa desde el punto de vista tecnológico. / One of the most important features of polypropylene (PP) is its versatility, which makes it possible, for example, the modification using different physical and chemical methods increasing its range of applications. Among the modifications that can be made to PP, one is the mixing with fillers, and particularly, with nano-fillers, which have at least one dimension in the nanoscale. The clays, and especially montmorillonite (MMT), are one of the nano-fillers more used in preparing nanocomposites of PP, even though they must be treated to give them organophilic characteristics (o-MMT). The method most used so far to produce the mixing of PP and o-MMT is melt mixing, since it is a post-reactor process that may be easily implemented with standard processing equipment. The application of this method generally requires the use of a compatibilizing agent with some degree of polarity, such as maleic anhydride grafted PP (PPgA). In the last decades there have been many advances in the preparation of compatibilized nanocomposites of PP and o-MMT using melt mixing. However, the materials that have been obtained so far using this methodology do not show the level of improvement in properties that have been observed in other polymeric nanocomposites. A similar technique, still almost unexplored and that can be easily implemented on an industrial level, is the one that does not use a compatibilizer but rather generates it in-situ during mixing by chemical modification of the polymer. This raises the goal of this thesis, which is to obtain nanocomposites based on PP and MMT using reactive melt mixing, with good degree of delamination and disintegration of the clay particles in order to achieve improved physical properties. During the development of the work, the effect of the functionalization of the polymer during the reactive processing has been explored trying to generate the compatibilizer in-situ. Also, different policies of incorporating components to the reaction medium have been considered, and the flow, thermal and barrier properties of the obtained materials have been evaluated as a function of the structural characteristics of the composites, the concentration of the components, and the type of mixing process. The obtained results show that: it is possible to obtain nanocomposites of PP and MMT using in-situ functionalization with both, maleic anhydride (AM) and n-butyl acrylate (BA). It has been found also that the sequential mixing, which begins by melting the PP and contemplates the addition of the clay half the way during the reactive mixing, is the procedure that generates the greater intercalation and/or the largest degree of exfoliation of the clay, both with AM and BA. This mechanism produces materials that display oxygen permeability and oxidative degradation rate that are significantly smaller than in PP without affecting considerably the transparency of the original polymer and its crystallization and melting processes. Moreover, the reduction of the molecular weight of the polymeric matrix makes that the flow properties of the obtained compounds are smaller than those of the original PP, which is another beneficial result from the technological point of view.

Memoria para optar al título de Ingeniero en Alimentos / Debido a la constante necesidad de preservar los alimentos, el hombre ha desarrollado diversos sistemas de conservación, entre ellos la utilización de películas comestibles que protegen al alimento del medio y retardan la pérdida de agua. Frente a la actual demanda de productos naturales y biodegradables, se han desarrollado películas en base a biopolímeros, los cuales son típicamente hidrofílicos lo que perjudica sus propiedades de barrera. Una solución a esto es la incorporación de nanopartículas. El objetivo de este trabajo fue el evaluar el efecto de la incorporación de nanopartículas de arcilla, montmorillonita, sobre la permeabilidad al vapor de agua (PVA) y propiedades mecánicas en películas de quitosano y quitosano-proteínas de quínoa. El efecto sobre la permeabilidad se midió utilizando el método de la copa húmeda, se determinaron los parámetros de secado y propiedades mecánicas. Para las películas de quitosano el PVA ronda los 0,298 (g•mm/kPa•d•m2) y se reduce el alargamiento porcentual un 20% y la resistencia casi se duplica para la adición de arcilla al 5%. Para las películas de quitosano-proteínas de quínoa el menor PVA fue 0,305 (g•mm/kPa•d•m2) de la película al 5%, lo que no generó cambios en las propiedades mecánicas. Se concluyó que la adición de arcilla en las películas de quitosano, no es adecuada para disminuir su permeabilidad al vapor de agua, mientras que al adicionarlas aumentan la rigidez y resistencia de la película. Por su parte la adición de arcilla al 5% en películas de quitosano-proteínas de quínoa, se muestra efectiva al disminuir la permeabilidad al vapor de agua, sin afectar las propiedades mecánicas en relación al control

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Orientadores: Florencia Cecília Menegalli, Paulo José do Amaral Sobral / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-17T09:34:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 VillamanDieguez_MariaCristina_M.pdf: 3299521 bytes, checksum: b5bf8aa7ece9693c382d364d2a207cb4 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: A aplicação da nanotecnologia na elaboração de filmes nanocompósitos, tem sido muito utilizada nos últimos anos na área de desenvolvimento de materiais biodegradáveis. Os nanocompósitos são misturas de polímeros orgânicos e partículas nanométricas, entre as mais estudadas para esta aplicação está a montmorillonita (MMT), uma argila mineral composta por capas de aluminatos e silicatos hidratados. Neste projeto foram elaborados filmes nanocompósitos (F.NC) baseados em farinha de amaranto (FA) e MMT, utilizandose o método de intercalação por solução. Foram realizados estudos preliminares para escolher o processo mais indicado para a inclusão da MMT na solução filmogênica (SF). Experimentaram-se quatro processos, que compreenderam diferentes tipos e velocidades de agitação e distintos tempos onde era adicionada a MMT (antes ou depois do processo térmico). As análises de microscopia óptica revelaram que o processo em que se utilizou uma agitação forte (7.000 rpm) e que a gelatinização do amido ocorreu na presença da MMT, foi o único que conseguiu obter uma matriz filmogênica homogênea. Por meio deste processo elaboraram-se filmes e analisaram-se por microscopia eletrônica de varredura (MEV), onde se confirmou a formação de uma matriz homogênea, na superfície e na secção transversal dos filmes. Para o desenho experimental foi utilizado um delineamento composto central rotacional DCCR 22, para se estudar o efeito da concentração da argila [CMMT] e da temperatura do processo (TP), nas propriedades dos filmes. Trabalhou-se numa faixa de [CMMT] entre 0% a 9,4% (m/m), com uma concentração fixa de glicerol de 25%, na qual os filmes obtidos eram facilmente manipuláveis. Como resultado observouse que o aumento simultâneo da [CMMT] (m/m) e da TP, produz um aumento na tensão e, conseqüentemente uma diminuição da elongação destes filmes. A propriedade de solubilidade também foi afetada por ambos os fatores. Realizaram-se análises estatísticas para maximizar o valor de tensão e minimizar a solubilidade destes filmes. Encontraramse que as condições ótimas para conseguir esse propósito foram: [CMMT] = 9,4% e TP = 83°C. Nessa T P, quando a CMMT foi aumentada de 0 a 9,4% a tensão aumentou de 1.20 MPa para 1.61 MPa e a solubilidade diminuiu de 48.2% a 44.98%. Interessante foi o resultado obtido para a permeabilidade ao vapor de água (PVA), que decresceu em 96% ao ser adicionada a MMT / Abstract: The application of nanotechnology in the development of nanocomposite films has been the most widely used in recent years in the development of biodegradable materials. Nanocomposites are mixtures of organic polymers and nano-sized particles, among the most studied for this application, is montmorillonite (MMT), a mineral clay composed of layers of hydrated silicates and aluminates. Were carried out preliminary studies to determine what would be the most appropriate process for the production of amaranth flour films (FA) and montmorillonite (MMT) by the method of intercalation by solution. We compared different types of agitation and the differences in the addition of the nanoclay before or after the heat treatment. Optical microscopy analysis revealed that process with vigorous shaking (7.000 rpm) and where gelatinization of the starch occurred in the presence of montmorillonite, was the only one forming a homogeneous matrix. Using Scanning Electron Microscopy (SEM) we were able to corroborate the production of a homogeneous matrix in both, the surface and cross sections. Then the study of the effect of clay content [CMMT] and process temperature (TP) on the production of amaranth flour/clay nanocomposite films was investigated. Since easily manageable films were obtained at concentrations ranging from 0% to 9,4 % (w/w) of MMT and 25% glycerol, these conditions were chosen in the DCCR 22 experimental design. The simultaneous rise on [CMMT] (w/w) and TP, resulted on increased tensile strength and, consequently, decreased elongation at break values. Solubility was also affected by both factors. Statistical analysis was performed to maximize the tensile strength and to minimize the solubility of these films. A concentration of 9,4% at a temperature of 83°C was found to be optimal for this purpose. At that TP, when CMMT was increased from 0 to 9,4% the tensile strength was increased from 1.20 MPa to 1.61 MPa and the solubility (%) was decreased from 48.2% to 44.98%. Interestingly, the water vapor permeability (WVP) values were decreased by 96% upon addition of MMT / Mestrado / Mestre em Engenharia de Alimentos

Orientador: Maria do Carmo Gonçalves / Tese (doutorado) - Universadade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-13T18:47:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Romero_RafaelleBonzanini_D.pdf: 28876791 bytes, checksum: 2296e157df643bcd91224ad26360f6ce (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Nanocompósitos de biopolímeros com silicatos lamelares podem ser desenvolvidos para criar uma nova classe de materiais eco-friendly, podendo contribuir para aplicações inovadoras de polímeros. Esses materiais têm despertado grande interesse, devido principalmente à facilidade de obtenção, bem como às suas propriedades químicas, físicas e mecânicas. Neste trabalho foram preparados nanocompósitos de acetato de celulose pelos métodos de intercalação em solução e no estado fundido, onde os efeitos de diferentes solventes, de agentes modificadores da argila e de condições de processamento foram investigados nas suas propriedades estruturais, morfológicas, térmicas e mecânicas. No método de intercalação em solução, os resultados obtidos indicaram que a dispersão e delaminação da argila são alcançadas somente quando ocorreram interações favoráveis entre o solvente, a argila e o polímero. Neste caso, os nanocompósitos apresentaram melhores propriedades térmicas e dinâmico-mecânicas em relação ao acetato de celulose puro. No método de intercalação no estado fundido, os resultados obtidos evidenciaram a intercalação do acetato de celulose entre as lamelas da argila, promovida pela afinidade química favorável entre o polímero, o plastificante e a argila. Além disso, as estruturas intercaladas foram parcialmente delaminadas sob ação do cisalhamento imposto durante o processo de extrusão, resultando em nanocompósitos com partículas intercaladas e também esfoliadas. Devido a estas características, os nanocompósitos obtidos apresentaram propriedades mecânicas e de barreira superiores às apresentadas pelo acetato de celulose puro. Baseado nos dois métodos investigados neste trabalho, pode-se concluir que a escolha apropriada dos aditivos e das condições de preparação é extremamente importante para promover interações favoráveis entre as partículas de argila e o polímero, que por sua vez são necessárias para a desejada melhora nas propriedades finais desses materiais / Abstract: Nanocomposites of bio-based polymers with layered silicates can be used to create new eco-friendly materials, and can open ways towards the innovative applications of polymers. These materials are interesting, mainly due to their easy preparation, as well as their chemical, physical and mechanical properties. Cellulose acetate nanocomposites was prepared in this work by using solution and melt intercalation methods, where the effect of the different solvents, clay modified agents and processing conditions were investigated in terms of their structural, morphological, thermal and mechanical properties. The obtained results, in the solution intercalation method, showed that the dispersion and delamination of the clay were reached only when favorable interactions were promoted between the solvent, clay and polymer. In this case, the nanocomposites presented enhanced thermal and dynamic-mechanical properties in relation to the pure cellulose acetate. The results obtained in the melt intercalation method showed the intercalation of the cellulose acetate chains into the silicate platelets, which was promoted by the favorable chemical affinity between the polymer, plasticizer and clay. Apart from this, the intercalated structures were partially delaminated by the shearing imposed during the extrusion process, resulting in nanocomposites formed by intercalated as well as exfoliated clay particles. Due to these characteristics, the nanocomposites presented enhanced mechanical and barrier properties compared to pure cellulose acetate. Based on the two methods investigated in this work, it can be concluded that the appropriate choice of additives and preparation conditions of preparation is extremely important to promote favorable interactions between the clay particles and the polymer, that in turn are necessary for the desired enhancement in the final properties for these materials / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciencias Quimicas

Entre las diferentes tecnologías que existen para eliminar contaminantes del agua, la adsorción se presenta como uno de los métodos más eficientes, económicos y fáciles de desarrollar técnicamente. Sin embargo, después de llevar a cabo la adsorción, los adsorbentes son difíciles de separar de la solución utilizando técnicas de separación tradicionales. En los últimos años, los adsorbentes magnéticos han surgido como una nueva generación de materiales para la descontaminación ambiental. Este método de separación simplemente implica la aplicación de un campo magnético externo que puede ser generado por diferentes fuentes (por ejemplo, imanes permanentes, corrientes alternas, etc.) para extraer el adsorbente. En este trabajo de tesis se propone un nuevo material adsorbente de fácil recuperación formado por nanopartículas de magnetita y montmorillonita para su posterior uso en la remoción de cationes y aniones de interés ambiental, utilizando al azul de metileno como representante de un contaminante catiónico y orgánico, y al arsénico (arseniato y sus especies protonadas en medio acuoso) como representante de contaminantes aniónicos e inorgánicos. A continuación se presenta un estudio sistemático de las propiedades de cada uno de los sólidos, comenzando por una caracterización general de las fases cristalinas y sus partículas, siguiendo por las propiedades reactivas de las superficies y culminando con la evaluación de las capacidades de adsorción frente a sustancias contaminantes. En cuanto a la reactividad superficial cabe mencionar que se evalúa con detenimiento la reactividad de los grupos superficiales en cada sólido, sus propiedades de protonación-desprotonación, de complejación superficial y de desarrollo de cargas eléctricas estructurales y superficiales en diferentes planos o caras cristalinas. Además se desarrolla un método sencillo para cuantificar la velocidad de captación de partículas magnéticas por campos magnéticos. Los resultados muestran que la montmorillonita posee una gran capacidad para captar el azul de metileno y una nula capacidad para adsorber al As(V). Por el contrario, la magnetita y otras nanopartículas magnéticas como las ferritas de níquel resultaron ser muy buenas adsorbentes de As(V) y muy malas adsorbentes de azul de metileno. Las mezclas magnetita-montmorillonita se comportaron como heteroagregados frente a campos eléctricos y campos magnéticos aplicados. Sin embargo, en estudios de adsorción, cada sólido adsorbió de manera independiente las sustancia por la que tiene alta afinidad. Estas conclusiones están demostradas por un conjunto muy variado de estudios por medio de espectroscopías, difractometría, microscopías, adsorción de gases, isotermas de adsorción, movilidades electroforéticas, etc., en diversas condiciones experimentales. Por último, la comprensión de los procesos básicos de adsorción aportó una base sólida para entender cómo se comportan los sistemas estudiados y porqué lo hacen de esa manera, tanto en sistemas puros como en mezclas magnetita-montmorillonita. Tal entendimiento permite ahora predecir el comportamiento del sistema en muy variadas condiciones de trabajo y sintonizar sus propiedades para que adsorba el contaminante deseado en las cantidades requeridas. / Among the different existing technologies to remove pollutants contaminants from water, adsorption has become one of the most efficient, economical and less difficult to carry out technically. In spite of this, after adsorption took place, the adsorbents are usually difficult to separate from the solution using traditional separation techniques. In the past few years, magnetic adsorbents have emerged as a new generation of materials for environmental decontamination. The separation with these materials simply involves the application of an external magnetic field that can be generated by different sources (e.g., permanent magnets, alternating currents, etc.) to extract the adsorbent with the attached pollutant. In this thesis, a new easy-to-recover adsorbent material is developed and proposed. It is constituted by magnetite and montmorillonite nanoparticles and used in the removal of cations and anions of environmental interest, employing methylene blue as the representative of a cationic and organic contaminant, and arsenic (arsenate and its protonated species in aqueous media) as the representative of anionic and inorganic contaminants. A systematic study of the properties of each solid, starting with a general characterization of the crystalline phases and their particles, followed by an investigation of the reactive properties of their surfaces, and ending with the evaluation of the adsorption capacities of the mentioned pollutants is presented. Regarding the surface reactivity, the reactive properties of the surface groups in each solid, their protonation-deprotonation behavior, the formation of surface complexes, and the development of structural and surface charges in different crystalline planes are carefully evaluated. In addition, a simple method is developed to quantify the rate of uptake of magnetic nanoparticles particle by external magnetic fields. The obtained results show that montmorillonite has a great capacity to uptake methylene blue and zero capacity to adsorb As(V). In contrast, magnetite and other magnetic nanoparticles such as nickel ferrites turned out to be very good As(V) adsorbents and very poor methylene blue adsorbents. The magnetite-montmorillonite mixtures behaved as heteroaggregates in the presence of applied electric fields and magnetic fields. However, in adsorption studies, each solid independently adsorbed the substance for which it has affinity. These conclusions are demonstrated by a very diverse set of studies by means of spectroscopy, diffractometry, microscopy, gas adsorption, adsorption isotherms, electrophoretic mobilities, etc., in various experimental conditions. Finally, the understanding of the basic processes taking place during adsorption provided a solid basis to understand how the studied systems behave and why they do it that way, both in pure systems and in magnetite-montmorillonite mixtures. Such understanding allows to predict the behavior of the system in different working conditions and to tune its properties so that it adsorbs the desired pollutant in the required quantities.

Neste estudo, investigaram-se mudanças nas propriedades coloidais de uma esmectita pilarizada com polihidroxicátion de alumínio. A solução pilarizante foi preparada mediante gotejamento de solução NaOH 0,4 mol L-1 em solução de AlCl3.6H2O 0,2 mol L-1, a qual foi adicionada à suspensão de argila de 1% m/m. Para avaliar mudanças nas propriedades das argilas, recorreu-se às técnicas de titulação potenciométrica descontínua, análise química total, DRX, FTIR, CTC e isotermas de adsorção/dessorção de N2. Além disso, foram realizados ensaios de adsorção de Cu2+ para avaliar a capacidade de remoção do metal de soluções aquosas pelas argilas pilarizadas e gerar informações relacionadas à interação entre adsorvente e adsorbato. Naturalmente, a argila apresentou espaçamento basal de 1,26 nm, ao passo que as pilarizadas apresentaram valores de 1,78 nm (500 oC) e 1,80 nm (350 oC). Dados da análise química total mostraram se tratar de uma montmorillonita com altos teores de Fe3+, e confirmou o aumento nos teores de Al3+ na estrutura da argila após pilarização. Os valores de área superficial específica e volume de microporos foram maiores para as argilas pilarizadas, enquanto que a CTC foi maior para a argila natural. A titulação potenciométrica mostrou modificação nas curvas de titulação com o processo de pilarização, em que nas argilas pilarizadas surgiram novos sítios de reação. Dentre as equações de adsorção aplicadas, Langmuir, Freundlich e Temkin, a primeira apresentou valores de r2 das equações linearizadas maior para todas as argilas e menor desvio médio (?g%) para argila natural, ao passo que a equação de Temkin mostrou valores de ?g(%) menores para as argilas pilarizadas. Parâmetros termodinâmicos confirmaram que a reação de adsorção de Cu2+ é espontânea para todas as argilas, principalmente para as argilas pilarizadas. Além disso, cálculos baseados em equações de Dubinin-Radushkevich evidenciam que a ligação é fraca entre metal e argila, caracterizando reações de fisissorção. / In this study, an Al-pillared smectite was synthesized and changes in its colloidal properties were investigated. The pillaring solution was prepared adding dropwise adequate volume of NaOH 0,4M to AlCl3.6H2O 0,2M solution. Then, the pillaring solution was added to a 1% w/w clay slurry with constant stirring. Potentiometric titration, chemical analysis, XRD, FTIR, CEC and N2 sorption/dessoption isotherms analysis were done to characterize the changes in clay properties. Moreover, adsorption experiments were carried out in order to evaluate the capacity of the pillared clays to remove Cu2+ from aqueous solution and to characterize the interaction between adsorbent and adsorbate. The natural clay has a basal spacing of 1.26 nm whereas the pillared clays reached 1.78 nm (500 oC) and 1.80 nm (350 oC) after calcination. Chemical analysis revealed that the montmorillonite used has high content of Fe3+ and the increase in the Al3+ amount in the structure of the pillared clays after pillaring process. The surface area and micropore volume were higher for the pillared clays and the CEC was higher for the natural clay. The pillaring process changed the potentiometric titration curves, wherein the pillared clays exhibited new reactive site. Experimental data were fit to Langmuir, Freundlich and Temkin adsorption equations, being the the first one the best (highest r2 value) for all the clays and lower standard deviation (?g%) for the natural clay. On the other hand, Temkin equation exhibited ?g% value lower for the pillared clays. Thermodynamics parameters demonstrate that the Cu2+ adsorption process is spontaneous for all the clays, but with higher values for the pillared materials. In addition, application of the Dubinin-Radushkevich equation revealed that the bond between the metal and the clay are weak, characterizing a physisorption.

Neste estudo, investigaram-se mudanças nas propriedades coloidais de uma esmectita pilarizada com polihidroxicátion de alumínio. A solução pilarizante foi preparada mediante gotejamento de solução NaOH 0,4 mol L-1 em solução de AlCl3.6H2O 0,2 mol L-1, a qual foi adicionada à suspensão de argila de 1% m/m. Para avaliar mudanças nas propriedades das argilas, recorreu-se às técnicas de titulação potenciométrica descontínua, análise química total, DRX, FTIR, CTC e isotermas de adsorção/dessorção de N2. Além disso, foram realizados ensaios de adsorção de Cu2+ para avaliar a capacidade de remoção do metal de soluções aquosas pelas argilas pilarizadas e gerar informações relacionadas à interação entre adsorvente e adsorbato. Naturalmente, a argila apresentou espaçamento basal de 1,26 nm, ao passo que as pilarizadas apresentaram valores de 1,78 nm (500 oC) e 1,80 nm (350 oC). Dados da análise química total mostraram se tratar de uma montmorillonita com altos teores de Fe3+, e confirmou o aumento nos teores de Al3+ na estrutura da argila após pilarização. Os valores de área superficial específica e volume de microporos foram maiores para as argilas pilarizadas, enquanto que a CTC foi maior para a argila natural. A titulação potenciométrica mostrou modificação nas curvas de titulação com o processo de pilarização, em que nas argilas pilarizadas surgiram novos sítios de reação. Dentre as equações de adsorção aplicadas, Langmuir, Freundlich e Temkin, a primeira apresentou valores de r2 das equações linearizadas maior para todas as argilas e menor desvio médio (?g%) para argila natural, ao passo que a equação de Temkin mostrou valores de ?g(%) menores para as argilas pilarizadas. Parâmetros termodinâmicos confirmaram que a reação de adsorção de Cu2+ é espontânea para todas as argilas, principalmente para as argilas pilarizadas. Além disso, cálculos baseados em equações de Dubinin-Radushkevich evidenciam que a ligação é fraca entre metal e argila, caracterizando reações de fisissorção. / In this study, an Al-pillared smectite was synthesized and changes in its colloidal properties were investigated. The pillaring solution was prepared adding dropwise adequate volume of NaOH 0,4M to AlCl3.6H2O 0,2M solution. Then, the pillaring solution was added to a 1% w/w clay slurry with constant stirring. Potentiometric titration, chemical analysis, XRD, FTIR, CEC and N2 sorption/dessoption isotherms analysis were done to characterize the changes in clay properties. Moreover, adsorption experiments were carried out in order to evaluate the capacity of the pillared clays to remove Cu2+ from aqueous solution and to characterize the interaction between adsorbent and adsorbate. The natural clay has a basal spacing of 1.26 nm whereas the pillared clays reached 1.78 nm (500 oC) and 1.80 nm (350 oC) after calcination. Chemical analysis revealed that the montmorillonite used has high content of Fe3+ and the increase in the Al3+ amount in the structure of the pillared clays after pillaring process. The surface area and micropore volume were higher for the pillared clays and the CEC was higher for the natural clay. The pillaring process changed the potentiometric titration curves, wherein the pillared clays exhibited new reactive site. Experimental data were fit to Langmuir, Freundlich and Temkin adsorption equations, being the the first one the best (highest r2 value) for all the clays and lower standard deviation (?g%) for the natural clay. On the other hand, Temkin equation exhibited ?g% value lower for the pillared clays. Thermodynamics parameters demonstrate that the Cu2+ adsorption process is spontaneous for all the clays, but with higher values for the pillared materials. In addition, application of the Dubinin-Radushkevich equation revealed that the bond between the metal and the clay are weak, characterizing a physisorption.