Nome do Projeto
Síntese e caracterização de fotocatalisadores à base de nitreto de carbono grafítico (g-C3N4) com aplicação em fotocatálise heterogênea sob irradiação de luz solar artificial para degradação de efluentes hospitalares
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
18/10/2021 - 14/10/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Engenharias
Resumo
Segundo dados recentes, 48% da população do Brasil está privada de coleta de esgoto. Nesse contexto, uma preocupação crescente na literatura tem se voltado para os chamados contaminantes emergentes. Estes são produtos químicos sintéticos ou naturais que não são comumente monitorados no meio ambiente, mas têm o potencial de entrar no meio ambiente e causar efeitos adversos ecológicos e/ou à saúde humana. Nesse cenário, as últimas duas décadas testemunharam uma grande atenção para a presença de Compostos Farmacêuticos Ativos. Em geral, os tratamentos convencionais (sobretudo o terciário) conseguem eficientemente a transferência de fase do contaminante, ou seja, da fase líquida para uma fase sólida (adsorvente, ou membrana); contudo, não garantem a completa degradação dos mesmos. Para garantir a remoção efetiva dos efluentes recalcitrantes faz-se necessária sua mineralização, isso é, precisa-se converter a molécula para o seu maior estado de oxidação possível, ou seja, convertê-la em água, dióxido de carbono e em ânions inorgânicos oxidados. Nesse contexto, a fotocatálise heterogênea merece destaque. Apesar de extensivamente estudada, a maioria dos trabalhos de fotocatálise aplicada em degradação de poluentes investigou um único composto usado como poluente modelo. Nesse sentido, os poucos trabalhos que já exploraram esse assunto sugerem que catalisadores do tipo de heterostrutura nitreto de carbono grafítico (g-C3N4) estão entre algumas das alternativas promissoras para o avanço da fotocatálise heterogênea sob irradiação de luz solar. O objetivo geral deste projeto é sintetizar e caracterizar fotocatalisadores para ativação em luz solar artificial visando a degradação de efluentes hospitalares.

Objetivo Geral

Sintetizar e caracterizar fotocatalisadores para ativação em luz solar artificial visando a
degradação de efluentes hospitalares.

Justificativa

Segundo dados recentes, 48% da população do Brasil está privada de coleta de esgoto. Nesse contexto, uma preocupação crescente na literatura tem se voltado para os chamados contaminantes emergentes. Estes são produtos químicos sintéticos ou naturais que não são comumente monitorados no meio ambiente, mas têm o potencial de entrar no meio ambiente e causar efeitos adversos ecológicos e/ou à saúde humana. Nesse cenário, as últimas duas décadas testemunharam uma grande atenção para a presença de Compostos Farmacêuticos Ativos (CFAs) [1], dentre eles antibióticos, analgésicos e antiinflamatórios, psiquiátricos, β-bloqueadores e anestésicos

Em geral, os tratamentos convencionais (sobretudo o terciário) conseguem eficientemente a transferência de fase do contaminante, ou seja, da fase líquida para uma fase sólida (adsorvente, ou membrana); contudo, não garantem a completa degradação dos mesmos [2]. Para garantir a remoção efetiva dos efluentes recalcitrantes faz-se necessária sua mineralização, isso é, precisa-se converter a molécula para o seu maior estado de oxidação possível, ou seja,convertê-la em água, dióxido de carbono e em ânions inorgânicos oxidados Dessa forma, os Processos Oxidativos
Avançados (POAs) são reconhecidamente métodos de degradação de poluentes devido a sua habilidade de remoção de uma ampla variedade de contaminantes orgânicos. Dentre os POAs a fotocatálise heterogênea merece destaque [3].

Os materiais mais investigados nessa área (TiO2 e ZnO) são fotocatalisadores altamente ativos sob irradiação de luz ultravioleta, uma vez que seus elétrons e lacunas fotogerados são agentes oxidantes e redutores eficientes. Apesar disse, o uso desses fotocatalisadores apresentam também desvantagens. Os grandes intervalos de banda ('band gap') do TiO2 e ZnO (cerca de 3,2eV e 3,37 eV, respectivamente) restringem sua aplicação fotoeletroquímica sob irradiação de luz visível [3]. .
Apenas alguns estudos lidando com a remoção dos níveis de concentração de micropoluentes em águas residuais por POAs foram publicados [4]. Além disso, em comparação com o uso de efluentes sintéticos, ainda são poucas as aplicações de amostra reais usando fotocatálise heterogênea [5]. Apesar de extensivamente estudada, a maioria dos trabalhos de fotocatálise aplicada em degradação de poluentes investigou um único composto usado como poluente modelo. Além disso, no que diz respeito às águas residuais hospitalares, poucas pesquisas têm sido publicadas referindo-se à aplicação de novos catalisadores para além das amostras comerciais de TiO2 e ZnO. Nesse sentido, os poucos trabalhos que já exploraram esse assunto sugerem que catalisadores do tipo de heterostrutura nitreto de
carbono grafítico (g-C3N4) estão entre algumas das alternativas promissoras para o avanço da fotocatálise heterogênea sob irradiação de luz solar [5].


[1] S. Zhou, C. Di Paolo, X. Wu, Y. Shao, T.-B. Seiler, H. Hollert, Optimization of screening-level risk assessment and
priority selection of emerging pollutants – The case of pharmaceuticals in European surface waters, Environment
International, 128 (2019) 1-10.
[2] I. Nitoi, T. Oncescu, P. Oancea, Mechanism and kinetic study for the degradation of lindane by photo-Fenton
process, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 19 (2013) 305-309.
[3] A.O. Ibhadon, P. Fitzpatrick, Heterogeneous Photocatalysis: Recent Advances and Applications, Catalysts, 3 (2013)
189-218.
[4] P.-S. Konstas, C. Kosma, I. Konstantinou, T. Albanis, Photocatalytic Treatment of Pharmaceuticals in Real Hospital
Wastewaters for Effluent Quality Amelioration, Water, 11 (2019) 2165.
[5] M. Antonopoulou, C. Kosma, T. Albanis, I. Konstantinou, An overview of homogeneous and heterogeneous
photocatalysis applications for the removal of pharmaceutical compounds from real or synthetic hospital wastewaters
under lab or pilot scale, Science of The Total Environment, 765 (2021) 144163.

Metodologia

Inicialmente será realizada uma investigação qualitativa de uso de fármacos em um hospital, conforme seguinte sequência. Após concluir essa etapa, será possível identificar e selecionar 02 moléculas modelos para testar a eficiência de degradação fotocatalítica dos ftotocatalisadores à base de g-C3N4. Em paralelo, amostras de efluentes reais de resíduos hospitalares serão coletadas e armazenadas.

Os fotocatalisadores a serem sintetizados nesse projeto são: g-C3N4, SrTiO3/gC3N4, Ag/g-C3N4. A síntese do g-C3N4 será realizada a partir de uma mistura de ureia e melamina sendo submetida a um aquecimento lento em mufla (2°C/mim.) até 550°C. Os compósitos SrTiO3/gC3N4 e Ag/g-C3N4 são modificações da síntese anterior, sendo adicionado SrTiO3 no primeiro caso ou AgNO3 no segundo caso (entre 1 a 5 mmol), antes de submeter a amostra ao aquecimento.

Os fotocatalisadores sintetizados serão caracterizados através de análises: elementar (CHN), textural (área superficial, tamanho de partícula, volume de poro e espalhamento de raios X de pequeno ângulo), estrutural (espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, espectroscopia de refletância diferencial, difração de raios X e raios X espectroscopia de fotoelétrons) e análise morfológica (microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de
transmissão, espectroscopia de fotoelétrons de raios-X).

Os ensaios de degradação fotocatalítica serão realizados em um reator batelada de 50 mL. Este deverá ser mantido isolado do meio externo através de uma câmara (caixa de madeira) revestida com papel alumínio. O reator será encamisado para promover a circulação de água na temperatura constante de 30° através de um banho termostático.


As análises quantitativas deverão ser realizadas antes e após o tratamento fotocatalítico dos efluentes. Para as amostras de efluente reais, os testes realizados serão de Demanda Química de Oxigênio (DQO), Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) e Carbono Orgânico Total (COT). Para amostras sintéticas serão realizadas a leitura de concentração com uso de um espectrofotômetro UV-VIS. Em ambas classes de amostras, efluentes reais ou sintéticas, serão realizadas análises de fitotoxicidade.

Indicadores, Metas e Resultados

- Desenvolvimento de fotocatalisadores com aplicação em oxidação de compostos recalcitrantes (fármacos);
- Fomentar a iniciação científica de bolsistas de graduação;
- Participação dos alunos envolvidos na SIIPE (UFPEL);
- Apresentação dos resultados obtidos em congressos científicos;
- Publicação de artigos em periódicos.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
CAROLINE MENEZES PINHEIRO
CICERO COELHO DE ESCOBAR3
JULIA MENDES
José André Ferreira Batista
MAURIZIO SILVEIRA QUADRO2
ROBSON ANDREAZZA1
RUBIA FLORES ROMANI1
WILLIAN CEZAR NADALETI1

Fontes Financiadoras

Sigla / NomeValorAdministrador
PROAP/CAPES / Coordenação de Aperfeiçoamento de Nível SuperiorR$ 2.000,00Coordenador

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