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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-6409-186X
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States
Title: Produção de nanopartícula magnética de ferrita de manganês modificada com poliestireno sulfonado na adsorção de íons de cádmio em solução aquosa
Alternate title (s): Production of magnetic nanoparticle of manganese ferrite modified with sulfonated polystyrene in the adsorption of cadmium ions from aqueous solution
Author: Faria, Ana Carolina Querino de
First Advisor: Salla, Marcio Ricardo
First coorientator: Pasquini, Daniel
Second coorientator: Morais, Ismarley Lage Horta
First member of the Committee: Bertolino, Sueli Moura
Second member of the Committee: Ostroski, Indianara Conceição
Summary: A poluição ambiental por metais pesados representa um enorme risco aos seres vivos devido às suas características de não biodegradabilidade e bioacumulação na cadeia alimentar. A adsorção é um tratamento eficiente para remoção de metais pesados de águas residuárias. A utilização de nanoadsorventes magnéticos permite uma remoção simples do meio aquoso por magnetismo. Este estudo possui como objetivo estudar a adsorção de cádmio pelas nanopartículas magnéticas de ferrita de manganês puras (NPM) e nanopartículas magnéticas de ferrita de manganês modificadas com poliestireno sulfonado (NPMPSS). As NPM foram sintetizadas por coprecipitação e o poliestireno sulfonado por sulfonação homogênea com acetilsulfato. O poliestireno sulfonado (PSS) se apresentou solúvel em N, N – dimetilformamida e não solúvel em água. A espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier e espectroscopia de energia dispersiva por raio-X confirmaram grupos sulfônicos em NPMPSS. Os valores de pH do ponto de carga zero foram de 4,37; 7,06 e 6,89 para PSS, NPM e NPMPSS, respectivamente. A microscopia eletrônica de varredura apresentou nanopartículas com formato esférico uniforme, textura lisa e diâmetros variando entre 86 nm e 328 nm. A difração de raios-X confirmou o núcleo magnético composto por MnFe2O4 nas nanopartículas e determinou um tamanho médio de cristalito de 34,71 nm e 32,05 nm para NPM e NPMPSS, respectivamente. A análise termogravimétrica estimou a presença de 14% de polímero em NPMPSS. Pelos dados de análise elementar obteve-se um grau de sulfonação de 17,18% para PSS. As nanopartículas sintetizadas são mesoporosas, ocorrendo redução da área específica de 12,18 m² g-1 para 6,61 m² g-1 após modificação com PSS. Os experimentos de adsorção foram conduzidos em batelada e em triplicata. O pH inicial da solução não influenciou a remoção de cádmio. A cinética de adsorção seguiu o modelo de pseudo primeira ordem para as NPM e o modelo de pseudo segunda ordem para as NPMPSS. Os dados de NPMPSS foram melhores ajustados ao modelo de isoterma de Freundlich, enquanto que não foi possível definir uma isoterma para as NPM. As NPM e as NPMPSS atingiram remoção máxima de cádmio de 58% e de 86% e capacidade máxima de adsorção de 1,9 mg g-1 e 4,5 mg g-1, respectivamente. Os grupos sulfônicos aumentaram significativamente a eficiência de remoção de cádmio pelas nanopartículas. Porém, estudos futuros são necessários para superar a limitação quanto à dispersibilidade das NPMPSS.
Abstract: Environmental pollution by heavy metals represents an enormous risk to living beings due to its characteristics of non-biodegradability and bioaccumulation in the food chain. Adsorption is an efficient treatment for removing heavy metals from wastewater. The use of magnetic nanosorbents allows simple removal from the aqueous medium by magnetism. This study aims to study the adsorption of cadmium by magnetic nanoparticles of pure manganese ferrite (NPM) and magnetic nanoparticles of manganese ferrite modified with sulfonated polystyrene (NPMPSS). NPM were synthesized by coprecipitation and sulfonated polystyrene by homogeneous sulfonation with acetylsulfate. The sulfonated polystyrene (PSS) was soluble in N, N – dimethylformamide and not soluble in water. Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray energy dispersive spectroscopy confirmed sulfonic groups in NPMPSS. The pH of the point of zero charge were 4.37; 7.06 and 6.89 for PSS, NPM and NPMPSS, respectively. Scanning electron microscopy showed nanoparticles with uniform spherical shape, smooth texture and diameters ranging from 86 nm to 328 nm. X-ray diffraction confirmed the magnetic core composed of MnFe2O4 in the nanoparticles and determined an average crystallite size of 34.71 nm and 32.05 nm for NPM and NPMPSS, respectively. Thermogravimetric analysis estimated the presence of 14% polymer in NPMPSS. From the elemental analysis data a degree of sulfonation of 17.18% for PSS was obtained. The synthesized nanoparticles are mesoporous, with a reduction in the specific area from 12.18 m² g-1 to 6.61 m² g-1 after modification with PSS. The adsorption experiments were carried out in batch and in triplicate. The initial pH of the solution did not influence the removal of cadmium. Adsorption kinetics followed the pseudo first order model for NPM and the pseudo second order model for NPMPSS. The NPMPSS data were better fitted to the Freundlich isotherm model, while it was not possible to define an isotherm for the NPM. NPM and NPMPSS reached maximum cadmium removal of 58% and 86% and maximum adsorption capacity of 1.9 mg g-1 and 4.5 mg g-1, respectively. The sulfonic groups significantly increased the cadmium removal efficiency by the nanoparticles. However, future studies are needed to overcome the limitation regarding the dispersibility of NPMPSS.
Keywords: Adsorção
Cádmio
Metais pesados
Nanopartículas magnéticas
Ferrita de manganês
Poliestireno sulfonado
Adsorption
Cadmium
Heavy metals
Magnetic nanoparticles
Manganese ferrite
Sulfonated polystyrene
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::TRATAMENTO DE AGUAS DE ABASTECIMENTO E RESIDUARIAS::TECNICAS AVANCADAS DE TRATAMENTO DE AGUAS
Subject: Engenharia civil
Metais pesados - Aspectos ambientais
Água - Poluição
Cádmio
Nanopartículas
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil
Quote: FARIA, Ana Carolina Querino de. Produção de nanopartícula magnética de ferrita de manganês modificada com poliestireno sulfonado na adsorção de íons de cádmio em solução aquosa. 2021. 136 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.603.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.603
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/33892
Date of defense: 30-Nov-2021
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