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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/40035
ORCID: | ![]() |
Document type: | Tese |
Access type: | Acesso Embargado |
Embargo Date: | 2025-12-20 |
Title: | Desenvolvimento de eletrodos modificados com biocarvão da casca de café: potenciais aplicações para a quantificação do fungicida carbendazim e metais pesados cádmio e chumbo |
Alternate title (s): | Development of electrodes modified with biochar from coffee husks: potential applications for quantifying the fungicide carbendazim and heavy metals cadmium and lead |
Author: | Mendonça, Maria Zizi Martins |
First Advisor: | Cardoso, Vicelma Luiz |
First coorientator: | Melo, Edmar Isaias de |
Second coorientator: | Silva, Rodrigo Amorim Bezerra da |
First member of the Committee: | Santos, André Luiz dos |
Second member of the Committee: | Rocha, Diego Pessoa |
Third member of the Committee: | Vieira, Rafael Bruno |
Fourth member of the Committee: | Dornellas, Rafael Machado |
Summary: | Com o aumento na produção de café, as cascas resultantes do processo de beneficiamento deste grão são um resíduo agroindustrial amplamente gerado e com potencial de poluição ambiental. A pirólise desta biomassa, além de promover a reciclagem deste resíduo, produz o biocarvão, material cuja aplicação no desenvolvimento de tecnologias sustentáveis de quantificação de poluentes tem sido estudada. Rico em carbono e de baixo custo, o biocarvão pode ser utilizado como modificador de eletrodos devido a sua capacidade de adsorver espontaneamente substâncias orgânicas e inorgânicas. Esta tese propõe o uso de biocarvão da casca de café como modificador de eletrodos para a determinação de poluentes inorgânicos e orgânicos. Primeiramente, um eletrodo de pasta de carbono modificado com biocarvão (BC-CPE) foi fabricado e utilizado para a determinação simultânea de íons Cd2+ e Pb2+ por Voltametria de Redissolução Adsortiva de Pulso Diferencial (DPAdsV). Vários biocarvões (n = 8) foram preparados em diferentes condições otimizadas por planejamento fatorial 2³ (temperatura final, taxa de aquecimento e tempo de aquecimento) e caracterizados por Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS), Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), Microscopia Eletrônica de Varredura e Espectroscopia por Energia Dispersiva (MEV-EDS). Utilizando o BC-CPE otimizado (25% m/m de biocarvão pirolisado a 300 °C durante 50 min a uma taxa de aquecimento de 10ºC/min) nas condições ideais de pré-concentração (10 min sob agitação em uma solução a pH 7,0), foram obtidos os limites de detecção para Cd2+ e Pb2+ de 1,7 e 0,2 μg L−1, respectivamente. A precisão do método foi comprovada pela repetibilidade (RSD < 4,5%; n = 5) e reprodutibilidade inter-eletrodo (RSD < 4,4%; n = 5). O método otimizado foi aplicado para a determinação simultânea de Pb2+ e Cd2+ em amostras de água, obtendo-se valores de recuperação entre 81 e 122%. Posteriormente, um sensor modificado com biocarvão baseado um substrato isolante impresso em 3D revestido com compósito condutor de grafite, biocarvão e acrilonitrilo butadienoestireno (BC300-G-ABS) foi fabricado e empregado na a determinação do fungicida carbendazim por Voltametria de Onda Quadrada (SWV). Os parâmetros de medição eletroquímica pH e eletrólito suporte foram otimizados para o BC300-G-ABS (pH=2,0 e solução fosfato 0,2 mol L-1). A porcentagem de biocarvão otimizada foi de 10% (m/m). Os parâmetros incremento de potencial, frequência e amplitude de pulso da SWV foram otimizados como 2 mV, 15Hz e 120 mV, respectivamente. Sob condições otimizadas o BC300-G-ABS apresentou LD de 0,05 µmol L-1 e LQ de 0,18 µmol L-1, valores inferiores ao valor máximo permitido para água potável, que é de aproximadamente 0,63 µmol L-1 conforme Portaria 888/2021 do Ministério da Saúde e diretrizes da Organização Mundial de Saúde (OMS). O BC300-G-ABS exibiu precisão por meio das reprodutibilidades intereletrodos (RSD = 6,21%, n=6) e interdias (RSD = 6,96%, n=10) e da repetibilidade (4,32; 2,93 e 2,66%, n=10 para 3, 6 e 9 µmol L-1 de carbendazim respectivamente). O BC300-G-ABS apresentou uma faixa linear de 0,25 a 15 µmol L-1 (R = 0,998) e foi utilizado para quantificação de carbendazim em amostras de água potável e água de rio, o método otimizado apresentou exatidão com recuperações variando entre 92,7 e 96,43%. O biocarvão produzido a partir de resíduos de café, além de ser um material verde, sustentável e com alto valor agregado, também se mostrou um excelente modificador de eletrodos, o que contribui para a economia circular, visto que um resíduo agroindustrial é reutilizado na análise de defensivos agrícolas metais pesados. |
Abstract: | With the increase in coffee production, the husks resulting from the processing process of this bean are a widely generated agro-industrial residue with potential for environmental pollution. The pyrolysis of this biomass, in addition to being an alternative for recycling this waste, produces biochar, a material whose application in the development of sustainable pollutant quantification technologies has been studied. Rich in carbon and low cost, biochar can be used as an electrode modifier due to its ability to spontaneously adsorb organic and inorganic substances. This work proposes the use of coffee husk biochar as an electrode modifier for the determination of inorganic and organic pollutants. Firstly, a biochar-modified carbon paste electrode (BC-CPE) was manufactured and used for the simultaneous determination of Cd2+ and Pb2+ ions employing Differential Pulse Adsorptive Redissolution Voltammetry (DPAdsV). Several biochars (n = 8) were prepared under different conditions optimized by 2³ factorial design (final temperature, heating rate and heating time) and characterized by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS). Using the optimized BC-CPE (25% m/m biochar pyrolyzed at 300 °C for 50 min at a heating rate of 10ºC/min) under ideal preconcentration conditions (10 min under stirring in a solution at pH 7 ,0), detection limits for Cd2+ and Pb2+ of 1.7 and 0.2 μg L−1, respectively, were obtained. The precision of the method was proven by repeatability (RSD < 4.5%; n = 5) and inter-electrode reproducibility (RSD < 4.4%; n = 5). The optimized method was applied for the simultaneous determination of Pb2+ and Cd2+ in water samples, obtaining recovery values between 81 and 122%. Subsequently, a biochar-modified composite based on 3D-printed insulating substrate coated with a conductive composite of graphite, biochar and acrylonitrile butadienestyrene (BC300-G-ABS) was manufactured and used for the determination of the fungicide carbendazim by Square Wave Voltammetry (SWV). The electrochemical measurement parameters pH and supporting electrolyte were optimized for the BC300-G-ABS (pH=2.0 and 0.2 mol L-1 phosphate solution). The optimized biochar percentage was 10% (m/m). The SWV parameters Estep, frequency and pulse amplitude were optimized as 2 mV, 15Hz and 120 mV, respectively. Under optimized conditions the BC300-G-ABS showed a LD of 0.05 µmol L-1 and LQ of 0.18 µmol L-1, values lower than the maximum value allowed for drinking water, which is approximately 0.63 µmol L-1 according to Ordinance 888/2021 of the Ministry of Health and the guidelines of the World Health Organization (WHO). The BC300-G-ABS exhibited precision for through interelectrode (RSD = 6.21%, n=6) and interday (RSD = 6.96%, n=10) reproducibility and repeatability (4.32; 2.93 and 2.66%, n=10 for 3, 6 and 9 µmol L-1 of carbendazim respectively). The BC300-G-ABS presented a linear range from 0.25 to 15 µmol L-1 (R = 0.998) and was used to quantify carbendazim in samples of drinking water and river water, the optimized method showed accuracy with recoveries varying between 92.7 and 96.43%. Biochar produced from coffee waste, in addition to being a green, sustainable and a high added value material, has also proven to be an excellent electrode modifier, which contributes to the circular economy, as agro-industrial waste is reused in the analysis of agricultural pesticides and heavy metals. |
Keywords: | Biocarvão Biochar Eletrodos modificados Modified electrodes Eletroanálise Electroanalysis Análise de traços Trace analysis |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA |
Subject: | Engenharia química |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Química |
Quote: | MENDONCA, Maria Zizi Martins. Desenvolvimento de eletrodos modificados com biocarvão da casca de café: potenciais aplicações para a quantificação do fungicida carbendazim e metais pesados cádmio e chumbo. 2023. 131 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.607. |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.607 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/40035 |
Date of defense: | 29-Nov-2023 |
Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 2. Fome zero e agricultura sustentável - Acabar com a fome, alcançar a segurança alimentar e melhoria da nutrição e promover a agricultura sustentável. |
Appears in Collections: | TESE - Engenharia Química |
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