Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Este trabalho descreve a preparação, caracterização e aplicação de novos materiais híbridos inorgânico/orgânicos, obtidos a partir de processos de organofuncionalização da superfície lamelar de derivados de keniaíta, magadeíta e RUB-18. Os produtos obtidos foram tratados com agentes sililantes por diferentes métodos. Os materiais foram caracterizados por Espectroscopia vibracional da região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) quanto à presença de grupos funcionais característicos. Os difratogramas de raio-X mostraram a cristalinidade e a microscopia eletrônica de varredura (SEM) forneceu pelas micrografias, a morfologia estrutural dos silicatos. As áreas superficiais específicas e a porosidade dos adsorventes foram obtidas através de cálculos de área e de volume de poros utilizando os métodos de BET e BJH. Espectros de ressonância magnética nuclear (RMN) de 29Si e 13C no estado sólido mostraram o sucesso das sínteses. Os resultados de análise elementar determinaram as quantidades de grupos orgânicos imobilizados na superfície e por termogravimetria (TGA) os resultados das temperaturas em que os materiais apresentaram estabilidade térmica. Efeitos da dosagem de adsorvente e do efeito de acidez pela variação de pH das soluções foram estudados para os diferentes materiais para otimizar as melhores condições de trabalho nos estudos de adsorção. As isotermas de adsorção foram obtidas por processos em batelada e os dados experimentais ajustados aos modelos de Langmuir, Freundlich, Sips e Redlich-Peterson, considerando superfícies heterogêneas. Pelo estudo cinético foi possível obter informações valiosas a respeito de um possível mecanismo de adsorção por interação eletrostática, no qual foram testados os modelos de ordem fracionária de Avrami, pseudo- primeira ordem, pseudo-segunda ordem e quimiossorção de Elovich. Os resultados obtidos mostraram a viabilidade da aplicação destes silicatos lamelares modificados como eficientes adsorventes para remoção de corantes têxteis de efluentes aquosos contaminados. / This thesis describes the preparation, characterization and application of new inorganic/organic hybrid materials, obtained from organo-functionalization of lamellar surface of derivatives of keniaíta, magadeíta and RUB-18 silicates. The products obtained were treated with silylating agents by different methods. The materials were characterized by FTIR for verifying the presence of characteristic functional groups. The X-ray diffraction showed the crystallinity and scanning electron microscopy micrographs provided by the structural morphology of silicates. The specific surface area and porosity of the adsorbent was obtained by calculation of area and pore volume using the BET and BJH methods. Nuclear magnetic resonance spectra 29Si and 13C solid state have shown the success of the synthesis. The results of elemental analysis determined the amounts of organic groups on the surface and immobilized by thermogravimetric analysis (TGA) results of the temperatures at which the materials exhibited thermal stability. Effects of adsorbent dosage and effect of acidity by varying pH of the solutions were studied for different materials to optimize the best working conditions for adsorption. The adsorption isotherms were obtained by batch process and experimental data used to fit the Langmuir, the Freundlich, the Sips and the Redlich-Peterson isotherm models, considering heterogeneous surfaces. For kinetic models were utilized to obtain valuable information about a possible mechanism of adsorption in which the tested models were Avrami fractional order, pseudo-first order, pseudo-second order and chemisorption of Elovich. The results showed the feasibility of applying these lamellar silicates modified as efficient adsorbents for the removal of textile dyes from contaminated aqueous effluents.

Este trabalho descreve a preparação, caracterização e aplicação de novos materiais híbridos inorgânico/orgânicos, obtidos a partir de processos de organofuncionalização da superfície lamelar de derivados de keniaíta, magadeíta e RUB-18. Os produtos obtidos foram tratados com agentes sililantes por diferentes métodos. Os materiais foram caracterizados por Espectroscopia vibracional da região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) quanto à presença de grupos funcionais característicos. Os difratogramas de raio-X mostraram a cristalinidade e a microscopia eletrônica de varredura (SEM) forneceu pelas micrografias, a morfologia estrutural dos silicatos. As áreas superficiais específicas e a porosidade dos adsorventes foram obtidas através de cálculos de área e de volume de poros utilizando os métodos de BET e BJH. Espectros de ressonância magnética nuclear (RMN) de 29Si e 13C no estado sólido mostraram o sucesso das sínteses. Os resultados de análise elementar determinaram as quantidades de grupos orgânicos imobilizados na superfície e por termogravimetria (TGA) os resultados das temperaturas em que os materiais apresentaram estabilidade térmica. Efeitos da dosagem de adsorvente e do efeito de acidez pela variação de pH das soluções foram estudados para os diferentes materiais para otimizar as melhores condições de trabalho nos estudos de adsorção. As isotermas de adsorção foram obtidas por processos em batelada e os dados experimentais ajustados aos modelos de Langmuir, Freundlich, Sips e Redlich-Peterson, considerando superfícies heterogêneas. Pelo estudo cinético foi possível obter informações valiosas a respeito de um possível mecanismo de adsorção por interação eletrostática, no qual foram testados os modelos de ordem fracionária de Avrami, pseudo- primeira ordem, pseudo-segunda ordem e quimiossorção de Elovich. Os resultados obtidos mostraram a viabilidade da aplicação destes silicatos lamelares modificados como eficientes adsorventes para remoção de corantes têxteis de efluentes aquosos contaminados. / This thesis describes the preparation, characterization and application of new inorganic/organic hybrid materials, obtained from organo-functionalization of lamellar surface of derivatives of keniaíta, magadeíta and RUB-18 silicates. The products obtained were treated with silylating agents by different methods. The materials were characterized by FTIR for verifying the presence of characteristic functional groups. The X-ray diffraction showed the crystallinity and scanning electron microscopy micrographs provided by the structural morphology of silicates. The specific surface area and porosity of the adsorbent was obtained by calculation of area and pore volume using the BET and BJH methods. Nuclear magnetic resonance spectra 29Si and 13C solid state have shown the success of the synthesis. The results of elemental analysis determined the amounts of organic groups on the surface and immobilized by thermogravimetric analysis (TGA) results of the temperatures at which the materials exhibited thermal stability. Effects of adsorbent dosage and effect of acidity by varying pH of the solutions were studied for different materials to optimize the best working conditions for adsorption. The adsorption isotherms were obtained by batch process and experimental data used to fit the Langmuir, the Freundlich, the Sips and the Redlich-Peterson isotherm models, considering heterogeneous surfaces. For kinetic models were utilized to obtain valuable information about a possible mechanism of adsorption in which the tested models were Avrami fractional order, pseudo-first order, pseudo-second order and chemisorption of Elovich. The results showed the feasibility of applying these lamellar silicates modified as efficient adsorbents for the removal of textile dyes from contaminated aqueous effluents.

Este trabalho descreve a preparação, caracterização e aplicação de novos materiais híbridos inorgânico/orgânicos, obtidos a partir de processos de organofuncionalização da superfície lamelar de derivados de keniaíta, magadeíta e RUB-18. Os produtos obtidos foram tratados com agentes sililantes por diferentes métodos. Os materiais foram caracterizados por Espectroscopia vibracional da região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) quanto à presença de grupos funcionais característicos. Os difratogramas de raio-X mostraram a cristalinidade e a microscopia eletrônica de varredura (SEM) forneceu pelas micrografias, a morfologia estrutural dos silicatos. As áreas superficiais específicas e a porosidade dos adsorventes foram obtidas através de cálculos de área e de volume de poros utilizando os métodos de BET e BJH. Espectros de ressonância magnética nuclear (RMN) de 29Si e 13C no estado sólido mostraram o sucesso das sínteses. Os resultados de análise elementar determinaram as quantidades de grupos orgânicos imobilizados na superfície e por termogravimetria (TGA) os resultados das temperaturas em que os materiais apresentaram estabilidade térmica. Efeitos da dosagem de adsorvente e do efeito de acidez pela variação de pH das soluções foram estudados para os diferentes materiais para otimizar as melhores condições de trabalho nos estudos de adsorção. As isotermas de adsorção foram obtidas por processos em batelada e os dados experimentais ajustados aos modelos de Langmuir, Freundlich, Sips e Redlich-Peterson, considerando superfícies heterogêneas. Pelo estudo cinético foi possível obter informações valiosas a respeito de um possível mecanismo de adsorção por interação eletrostática, no qual foram testados os modelos de ordem fracionária de Avrami, pseudo- primeira ordem, pseudo-segunda ordem e quimiossorção de Elovich. Os resultados obtidos mostraram a viabilidade da aplicação destes silicatos lamelares modificados como eficientes adsorventes para remoção de corantes têxteis de efluentes aquosos contaminados. / This thesis describes the preparation, characterization and application of new inorganic/organic hybrid materials, obtained from organo-functionalization of lamellar surface of derivatives of keniaíta, magadeíta and RUB-18 silicates. The products obtained were treated with silylating agents by different methods. The materials were characterized by FTIR for verifying the presence of characteristic functional groups. The X-ray diffraction showed the crystallinity and scanning electron microscopy micrographs provided by the structural morphology of silicates. The specific surface area and porosity of the adsorbent was obtained by calculation of area and pore volume using the BET and BJH methods. Nuclear magnetic resonance spectra 29Si and 13C solid state have shown the success of the synthesis. The results of elemental analysis determined the amounts of organic groups on the surface and immobilized by thermogravimetric analysis (TGA) results of the temperatures at which the materials exhibited thermal stability. Effects of adsorbent dosage and effect of acidity by varying pH of the solutions were studied for different materials to optimize the best working conditions for adsorption. The adsorption isotherms were obtained by batch process and experimental data used to fit the Langmuir, the Freundlich, the Sips and the Redlich-Peterson isotherm models, considering heterogeneous surfaces. For kinetic models were utilized to obtain valuable information about a possible mechanism of adsorption in which the tested models were Avrami fractional order, pseudo-first order, pseudo-second order and chemisorption of Elovich. The results showed the feasibility of applying these lamellar silicates modified as efficient adsorbents for the removal of textile dyes from contaminated aqueous effluents.

O presente trabalho teve como objetivo verificar, de forma qualitativa, o comportamento eletroquímico do zinco em solução aquosa de cloreto de sódio 3,5% massa/massa, contendo ou não íons de cério ou cromato, em condições aerada e temperatura de 25oC. Neste estudo foram utilizadas técnicas de análise de superfície, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura, e as seguintes técnicas eletroquímicas cronoamperometria, voltametria cíclica e curva de polarização. Estudos envolvendo a voltametria cíclica também foram realizados quando a superfície de zinco foi revestida, previamente, com um filme de própolis. Resultados via microscopia eletrônica de varredura mostram que o zinco sofre corrosão generalizada em solução aquosa de cloreto de sódio 3,5%. Quando este meio contém íons de cério, verifica-se que o processo de corrosão passa a ser localizado, ou seja, por pitting. Nessas condições verifica-se a presença de um filme que, segundo EDX, era formado por cério, mais precisamente de óxido de cério pela colaboração amarela. Utilizando a voltametria cíclica verifica-se que o potencial de oxidação em solução aquosa de NaCl 3,5% é deslocado no sentido positivo, quando na composição do meio agressivo consta a presença de íons cério ou cromato. O mesmo comportamento ocorre quando a superfície do zinco encontra-se, previamente, revestida por um filme de própolis. Também foi observado que a adesão do filme de própolis na superfície do zinco é fraca e que diminui com o tempo de imersão do zinco no meio. Nas curvas de polarização pôde-se verificar a ação de íons cério ou cromato na velocidade de dissolução do zinco em solução aquosa de NaCl 3.5%. Como conclusão constatou-se que o íon cromato atuou como melhor inibidor de corrosão de zinco.

Nesta tese, carvões ativos (AC) oriundos de biomassa lignocelulósica foram preparados por pirólise assistida por microondas, caracterizados e aplicados na remoção de contaminantes orgânicos emergentes (EOCs) em meio aquoso. Foram estudadas as três etapas da preparação dos carvões ativos utilizando metais de transição como agentes de ativação. As misturas obtidas após a etapa de preparação foram pirolisadas num sistema de microondas em menos de 11 min. Em seguida, utilizou-se uma solução de HCl 6 mol L-1 para tratar os materiais pirolisados, sob refluxo, lixiviando os componentes inorgânicos e produzindo os carvões ativos. Esta tecnologia permitiu a produção de carvões ativos com alta porosidade. Análise elementar, FTIR, DR-UV, microscopia eletrônica de varredura, adsorção-dessorção de nitrogênio, TGA, DRX, FRX, pHpzc, propriedades hidrofóbicas e acidez e basicidade totais foram utilizados para a caracterização da biomassa, do material pirolisado e dos carvões ativos. Os resultados indicaram que os metais foram ligados em diferentes quantidades na superfície da biomassa através de interação iônica e interação de complexação superficial, durante a etapa de impregnação. Os carvões ativos (MWAC) obtidos a partir da impregnação com Zn2+ apresentaram maior volume de poros e maior área superficial específica. Esses dados foram relacionados com a capacidade de adsorção. Amostras preparadas com as misturas de biomassa : componentes inorgânicos em diferentes proporções (20% de cal+ 80% de ZnCl2 ou 20% de cal+ 40% de ZnCl2 + 40% de FeCl3) foram utilizadas para o estudo completo de adsorção de fenol (PhOH) e o-cresol. Os resultados indicaram que a cinética de adsorção para ambas as moléculas foi rápida e o tempo de contato em equilíbrio foi alcançado nos primeiros 10 minutos. Os modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e de ordem fracionária de Avrami foram utilizados para investigar a cinética de adsorção. Destes três modelos, o de ordem fracionária de Avrami descreveu melhor a cinética de adsorção de PhOH e o-cresol na superficie dos cavões ativos. As principais interações de PhOH ou o-cresol com os materias devem ser regida por interações hidrófóbicas, ligações de hidrogênio, interações polares e interação doadores e aceitadores de elétrons. Os estudos de dessorção mostraram que os carvões ativos podem ser regenerados facilmente utilizando-se uma mistura de EtOH (10 ou 50%) + NaOH (5 M). Além disso, o MWAC preparado com CuCl2, CoCl2 e NiCl2 também apresentou alta capacidade de adsorção. As capacidades de adsorção (qe) das moléculas seguiram esta ordem: 2-nitrofenol > bisfenol A > hidroquinona > 4-nitrofenol > 2-naftol > paracetamol > cafeína > resorcinol. Todavia, ZnCl2 parece ser o melhor agente ativador, permitindo o desenvolvimento de materiais de alta porosidade, bem como boas propriedades de adsorção, e essa tendência é seguida posteriormente por CuCl2, CoCl2 e NiCl2. / In this thesis activated carbons from lignocellulosic biomass were prepared via microwave– assisted pyrolysis, characterized and applied into the removal of Emerging Organic Contaminants (EOCs) in aqueous media. A scientific understanding of the three-step preparation of activated carbons (AC) using first-row transition metals as activating agents by microwaves heating is also provided. The mixtures obtained after preparation step were pyrolysed in a microwave system in less than 11 min. Afterwards a 6 mol L-1 HCl was used to treat the pyrolysed materials, under reflux, to eliminate the inorganic components—producing activated carbons. This technology allows producing activated carbons with high porosity. Elemental analysis, FTIR, UV-Vis DRS, SEM, N2 adsorption/desorption curves, TGA, XRD Xray fluorescence, pHzpc, hydrophobic properties, total acidity and basicity groups were used to characterise biomass, intermediary materials and activated carbons. Results showed that the metals were bound successfully in different amounts with surface functional groups of the wood biomass through ion exchange and surface complexation interaction during the impregnation step. However, MWAC prepared with Zn2+ showed higher pore volumes and surface areas, which was related to their high adsorption capacity (qe). The samples prepared with the mixtures biomass: inorganic components (20% lime + 80% ZnCl2 or 20% lime + 40% ZnCl2 + 40% FeCl3) at different ratios were used for the complete adsorption study of phenol (PhOH) and o-cresol from aqueous solution. Results indicated that adsorption kinetic was very fast and equilibrium contact time was attained in the first 10 min for both molecules. Pseudo first-order, pseudo-second order and Avrami fractional-order kinetic models were used to probe the kinetic of adsorption. Among the three models; Avrami fractional-order kinetic model best described the adsorption kinetics of PhOH and o-cresol onto the activated carbons. The main interaction of PhOH or o-cresol with the activated carbons should be governed by hydrophobic interactions, hydrogen bonds, polar interactions and electron donor-acceptor interaction. While desorption experiment showed that activated carbons can be regenerated easily using a mixture of EtOH (10 or 50%) + NaOH (5 M). Additionally, MWAC prepared with CuCl2, CoCl2 and NiCl2 also exhibited high adsorption capacity. The adsorption order of the molecules is as shown: 2-nitro phenol > Bisphenol A > hydroquinone > 4-nitro phenol > 2-naphtol > paracetamol > caffeine > resorcinol. However, ZnCl2 demonstrate to be the best activating agent, which allows for the development of materials of high porosity as well as good adsorptive properties, and this trend is followed subsequently by CuCl2, CoCl2, and NiCl2.

Esta tese consiste em três artigos científicos sobre a preparação, caracterização e aplicação de diferentes carvões ativos no tratamento de soluções aquosas contaminadas com compostos orgânicos. No primeiro artigo, foi produzido um carvão ativo usando casca de bacuri junto com componentes inorgânicos através de pirólise em um forno tubular convencional. O carvão ativo ABC-1.5 apresentou altos valores de área superficial e volume de poros, apropriados para a adsorção do corante Azul Brilhante (BB-FCF). A capacidade de adsorção do ABC-1.5 foi comparada com a de nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNT). As quantidades máximas removidas de BB-FCF a 50 ºC foram 647,9 e 231,5 mg g-1 para ABC-1.5 e MWCNT, respectivamente. ABC-1.5 e MWCNT foram aplicados ao tratamento de dois efluentes simulados, apresentando porcentagem de remoção de até 95,88% e 79,84%, respectivamente. O segundo estudo foi sobre a utilização de ativação química induzida por micro-ondas para preparar um carvão ativo de casca de cacau para remoção de diclofenaco de sódio (DFC) e nimesulida (NM) Foi possível realizar a pirólise em menos de 10 min. As quantidades máximas adsorvidas de DCF e NM pelo carvão ativo MWCS-1.0 a 25 ◦C foram 63,47 e 74,81 mg g−1, respectivamente. Nos testes com efluentes hospitalares simulados, o MWCS-1.0 apresentou porcentagem de remoção de até 95,58%. Na terceira publicação, nanocompósitos magnéticos de carvão ativo (MAC-1 e MAC-2) foram preparados através de um método pirolítico simples usando uma mistura de benzoatos de ferro(III)/cobalto(II) e oxalatos de ferro(III)/cobalto(II), respectivamente, e foram utilizados como eficientes adsorventes para remoção de amoxicilina (AMX) e paracetamol (PCT). MAC-2 apresentou melhores propriedades magnéticas para separação do carvão ativo após a remoção dos fármacos. As capacidades máximas de adsorção obtidas para MAC-2 foram 444,2 mg g−1 (AMX) e 399,9 mg g−1 (PCT). / This thesis consists of three scientific papers on the preparation, characterization and application of different activated carbons in the treatment of aqueous solutions contaminated with organic compounds. In the first paper it was produced an activated carbon using bacuri shell together with inorganic components through pyrolysis in a conventional tubular furnace. ABC-1.5 showed high surface area and pore volume, suitable for the Brilliant Blue dye (BBFCF) adsorption. The adsorption capacity of ABC-1.5 was compared with that of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT). The maximum amounts removed of BB-FCF at 50 ºC were 647.9 and 231.5 mg g-1 for ABC-1.5 and MWCNT, respectively. ABC-1.5 and MWCNT were applied for the treatment of two simulated effluents, showing percentages of removal of up to 95.88% and 79.84%, respectively. The second study was about the use of microwave-induced chemical activation to prepare an activated carbon from cocoa shell for removal of sodium diclofenac (DFC) and nimesulide (NM) It was possible to perform the pyrolisis in less than 10 min. The maximum amounts adsorbed of DCF and NM onto MWCS- 1.0 at 25 ◦C were 63.47 and 74.81 mg g−1, respectively. In the tests with simulated hospital effluents, MWCS-1.0 presented a percentage of removal of up to 95.58%. In the third publication, magnetic activated carbon nanocomposites (MAC-1 and MAC-2) were prepared by a simple pyrolytic method using a mixture of iron(III)/cobalt(II) benzoates and iron(III)/cobalt(II) oxalates, respectively, and were used as efficient adsorbents for the removal of amoxicillin (AMX) and paracetamol (PCT). MAC-2 presented better magnetic properties for the separation of the activated carbon after the removal of the drugs. The maximum adsorption capacities obtained for MAC-2 were 444.2 mg g−1 (AMX) and 399.9 mg g−1 (PCT).

Nesta tese, carvões ativos (AC) oriundos de biomassa lignocelulósica foram preparados por pirólise assistida por microondas, caracterizados e aplicados na remoção de contaminantes orgânicos emergentes (EOCs) em meio aquoso. Foram estudadas as três etapas da preparação dos carvões ativos utilizando metais de transição como agentes de ativação. As misturas obtidas após a etapa de preparação foram pirolisadas num sistema de microondas em menos de 11 min. Em seguida, utilizou-se uma solução de HCl 6 mol L-1 para tratar os materiais pirolisados, sob refluxo, lixiviando os componentes inorgânicos e produzindo os carvões ativos. Esta tecnologia permitiu a produção de carvões ativos com alta porosidade. Análise elementar, FTIR, DR-UV, microscopia eletrônica de varredura, adsorção-dessorção de nitrogênio, TGA, DRX, FRX, pHpzc, propriedades hidrofóbicas e acidez e basicidade totais foram utilizados para a caracterização da biomassa, do material pirolisado e dos carvões ativos. Os resultados indicaram que os metais foram ligados em diferentes quantidades na superfície da biomassa através de interação iônica e interação de complexação superficial, durante a etapa de impregnação. Os carvões ativos (MWAC) obtidos a partir da impregnação com Zn2+ apresentaram maior volume de poros e maior área superficial específica. Esses dados foram relacionados com a capacidade de adsorção. Amostras preparadas com as misturas de biomassa : componentes inorgânicos em diferentes proporções (20% de cal+ 80% de ZnCl2 ou 20% de cal+ 40% de ZnCl2 + 40% de FeCl3) foram utilizadas para o estudo completo de adsorção de fenol (PhOH) e o-cresol. Os resultados indicaram que a cinética de adsorção para ambas as moléculas foi rápida e o tempo de contato em equilíbrio foi alcançado nos primeiros 10 minutos. Os modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e de ordem fracionária de Avrami foram utilizados para investigar a cinética de adsorção. Destes três modelos, o de ordem fracionária de Avrami descreveu melhor a cinética de adsorção de PhOH e o-cresol na superficie dos cavões ativos. As principais interações de PhOH ou o-cresol com os materias devem ser regida por interações hidrófóbicas, ligações de hidrogênio, interações polares e interação doadores e aceitadores de elétrons. Os estudos de dessorção mostraram que os carvões ativos podem ser regenerados facilmente utilizando-se uma mistura de EtOH (10 ou 50%) + NaOH (5 M). Além disso, o MWAC preparado com CuCl2, CoCl2 e NiCl2 também apresentou alta capacidade de adsorção. As capacidades de adsorção (qe) das moléculas seguiram esta ordem: 2-nitrofenol > bisfenol A > hidroquinona > 4-nitrofenol > 2-naftol > paracetamol > cafeína > resorcinol. Todavia, ZnCl2 parece ser o melhor agente ativador, permitindo o desenvolvimento de materiais de alta porosidade, bem como boas propriedades de adsorção, e essa tendência é seguida posteriormente por CuCl2, CoCl2 e NiCl2. / In this thesis activated carbons from lignocellulosic biomass were prepared via microwave– assisted pyrolysis, characterized and applied into the removal of Emerging Organic Contaminants (EOCs) in aqueous media. A scientific understanding of the three-step preparation of activated carbons (AC) using first-row transition metals as activating agents by microwaves heating is also provided. The mixtures obtained after preparation step were pyrolysed in a microwave system in less than 11 min. Afterwards a 6 mol L-1 HCl was used to treat the pyrolysed materials, under reflux, to eliminate the inorganic components—producing activated carbons. This technology allows producing activated carbons with high porosity. Elemental analysis, FTIR, UV-Vis DRS, SEM, N2 adsorption/desorption curves, TGA, XRD Xray fluorescence, pHzpc, hydrophobic properties, total acidity and basicity groups were used to characterise biomass, intermediary materials and activated carbons. Results showed that the metals were bound successfully in different amounts with surface functional groups of the wood biomass through ion exchange and surface complexation interaction during the impregnation step. However, MWAC prepared with Zn2+ showed higher pore volumes and surface areas, which was related to their high adsorption capacity (qe). The samples prepared with the mixtures biomass: inorganic components (20% lime + 80% ZnCl2 or 20% lime + 40% ZnCl2 + 40% FeCl3) at different ratios were used for the complete adsorption study of phenol (PhOH) and o-cresol from aqueous solution. Results indicated that adsorption kinetic was very fast and equilibrium contact time was attained in the first 10 min for both molecules. Pseudo first-order, pseudo-second order and Avrami fractional-order kinetic models were used to probe the kinetic of adsorption. Among the three models; Avrami fractional-order kinetic model best described the adsorption kinetics of PhOH and o-cresol onto the activated carbons. The main interaction of PhOH or o-cresol with the activated carbons should be governed by hydrophobic interactions, hydrogen bonds, polar interactions and electron donor-acceptor interaction. While desorption experiment showed that activated carbons can be regenerated easily using a mixture of EtOH (10 or 50%) + NaOH (5 M). Additionally, MWAC prepared with CuCl2, CoCl2 and NiCl2 also exhibited high adsorption capacity. The adsorption order of the molecules is as shown: 2-nitro phenol > Bisphenol A > hydroquinone > 4-nitro phenol > 2-naphtol > paracetamol > caffeine > resorcinol. However, ZnCl2 demonstrate to be the best activating agent, which allows for the development of materials of high porosity as well as good adsorptive properties, and this trend is followed subsequently by CuCl2, CoCl2, and NiCl2.

Submitted by Hiolanda Rêgo (hiolandarego@gmail.com) on 2018-02-05T17:47:43Z No. of bitstreams: 1 Dissertação- introdução_ICS_ Elderlei de Jesus Pita Souza.pdf: 4255306 bytes, checksum: 7ce3bb9114f768ee0e41c48c60f82a04 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-05T17:47:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação- introdução_ICS_ Elderlei de Jesus Pita Souza.pdf: 4255306 bytes, checksum: 7ce3bb9114f768ee0e41c48c60f82a04 (MD5) / A análise, monitoramento e detecção de substâncias presentes em meios de produção, assim como a determinação de suas concentrações são fatores de grande importância em processos biotecnológicos, permitindo, por exemplo, estudo de otimização de processos metabólicos de microorganismos. Contudo, o nível de complexidade e a grande incerteza, associados aos resultados de alguns métodos, limitam seu uso e reduzem o grau de confiabilidade dos mesmos. Neste cenário, a espectroscopia de espalhamento Raman com base em suas diversas vantagens como a capacidade de obtenção de espectros de amostras em qualquer estado físico e condição de temperatura e pressão, associado à ideia de “impressão digital” espectral das substâncias, apresenta-se como proposta de técnica para as demandas mencionadas. No entanto, devido à sua natureza de técnica semiquantitativa, requer ferramentas matemáticas adequadas para o correto tratamento e interpretação de seus dados. O uso de técnicas estatísticas multivariadas, como a Análise de Componentes Principais (PCA) e a Regressão Linear Multivariada (MLR) permitem o uso dos dados espectrais na sua totalidade, obtendo-se o máximo de informações neles contidas. O presente trabalho aplica estes métodos a dados oriundos de espectros Raman obtidos de diversas soluções aquosas de nitrato de sódio, glicerol e raminose (substâncias de interesse biotecnológico), em diferentes concentrações¸ relacionando as amplitudes de cada um destes espectros às suas proporções presentes nas misturas. Assim, foram criados modelos de regressão para a calibração destes dados, utilizando as intensidades espectrais como preditores e as respectivas concentrações como respostas, sendo realizados testes de predição e validação destes mesmos modelos. Também foi realizado o préprocessamento matemático destes dados através do PCA, identificando as variáveis de maior relevância e filtrando parte do ruído presente nos espectros. Foram também realizadas avaliações qualitativas dos mesmos espectros, discutindo-se suas principais características. A análise dos resultados obtidos confirmou a capacidade do método em identificar a presença das substâncias em questão nas misturas testadas, além de determinar suas respectivas concentrações através de seus espectros Raman. A Análise de Componentes Principais também mostrou-se eficiente no tratamento dos dados, possibilitando, inclusive, a identificação de padrões espectrais entre as amostras, nem sempre perceptíveis sem o adequado tratamento matemático.

Esta tese consiste em três artigos científicos sobre a preparação, caracterização e aplicação de diferentes carvões ativos no tratamento de soluções aquosas contaminadas com compostos orgânicos. No primeiro artigo, foi produzido um carvão ativo usando casca de bacuri junto com componentes inorgânicos através de pirólise em um forno tubular convencional. O carvão ativo ABC-1.5 apresentou altos valores de área superficial e volume de poros, apropriados para a adsorção do corante Azul Brilhante (BB-FCF). A capacidade de adsorção do ABC-1.5 foi comparada com a de nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNT). As quantidades máximas removidas de BB-FCF a 50 ºC foram 647,9 e 231,5 mg g-1 para ABC-1.5 e MWCNT, respectivamente. ABC-1.5 e MWCNT foram aplicados ao tratamento de dois efluentes simulados, apresentando porcentagem de remoção de até 95,88% e 79,84%, respectivamente. O segundo estudo foi sobre a utilização de ativação química induzida por micro-ondas para preparar um carvão ativo de casca de cacau para remoção de diclofenaco de sódio (DFC) e nimesulida (NM) Foi possível realizar a pirólise em menos de 10 min. As quantidades máximas adsorvidas de DCF e NM pelo carvão ativo MWCS-1.0 a 25 ◦C foram 63,47 e 74,81 mg g−1, respectivamente. Nos testes com efluentes hospitalares simulados, o MWCS-1.0 apresentou porcentagem de remoção de até 95,58%. Na terceira publicação, nanocompósitos magnéticos de carvão ativo (MAC-1 e MAC-2) foram preparados através de um método pirolítico simples usando uma mistura de benzoatos de ferro(III)/cobalto(II) e oxalatos de ferro(III)/cobalto(II), respectivamente, e foram utilizados como eficientes adsorventes para remoção de amoxicilina (AMX) e paracetamol (PCT). MAC-2 apresentou melhores propriedades magnéticas para separação do carvão ativo após a remoção dos fármacos. As capacidades máximas de adsorção obtidas para MAC-2 foram 444,2 mg g−1 (AMX) e 399,9 mg g−1 (PCT). / This thesis consists of three scientific papers on the preparation, characterization and application of different activated carbons in the treatment of aqueous solutions contaminated with organic compounds. In the first paper it was produced an activated carbon using bacuri shell together with inorganic components through pyrolysis in a conventional tubular furnace. ABC-1.5 showed high surface area and pore volume, suitable for the Brilliant Blue dye (BBFCF) adsorption. The adsorption capacity of ABC-1.5 was compared with that of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT). The maximum amounts removed of BB-FCF at 50 ºC were 647.9 and 231.5 mg g-1 for ABC-1.5 and MWCNT, respectively. ABC-1.5 and MWCNT were applied for the treatment of two simulated effluents, showing percentages of removal of up to 95.88% and 79.84%, respectively. The second study was about the use of microwave-induced chemical activation to prepare an activated carbon from cocoa shell for removal of sodium diclofenac (DFC) and nimesulide (NM) It was possible to perform the pyrolisis in less than 10 min. The maximum amounts adsorbed of DCF and NM onto MWCS- 1.0 at 25 ◦C were 63.47 and 74.81 mg g−1, respectively. In the tests with simulated hospital effluents, MWCS-1.0 presented a percentage of removal of up to 95.58%. In the third publication, magnetic activated carbon nanocomposites (MAC-1 and MAC-2) were prepared by a simple pyrolytic method using a mixture of iron(III)/cobalt(II) benzoates and iron(III)/cobalt(II) oxalates, respectively, and were used as efficient adsorbents for the removal of amoxicillin (AMX) and paracetamol (PCT). MAC-2 presented better magnetic properties for the separation of the activated carbon after the removal of the drugs. The maximum adsorption capacities obtained for MAC-2 were 444.2 mg g−1 (AMX) and 399.9 mg g−1 (PCT).