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Tipo: Dissertação
Título: Redução fotocatalítica de nitrato e nitrito usando o semicondutor sulfeto de zinco
Título em inglês: Photocatalytic reduction of nitrate and nitrite using zinc sulfide semiconductor
Autor(es): Sousa, Ronaldo Teixeira
Orientador: Valentini, Antoninho
Coorientador: Longhinotti, Elisane
Palavras-chave em português: Nitrato;Nitrito;Fotocatálise;Meio aquoso
Palavras-chave em inglês: Nitrate;Nitrite;Photocatalysis;Half aqueous
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Data do documento: 2024
Citação: SOUSA, Ronaldo Teixeira. Redução fotocatalítica de nitrato e nitrito usando o semicondutor sulfeto de zinco. 2024. 72 f. Dissertação (Mestrado em Química) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Resumo: Os índices de contaminação por nitrato e nitrito em cursos d`águas aumentaram após a implantação do processo de Haber-Bosch nas primeiras década do século XX. Os métodos mais utilizados para a remoção de nitrito consistem em tratamentos de separação de fases, os quais podem resultar no acúmulo de salmouras e lodos. Nesse cenário, a fotocatálise heterogênea emerge como um processo promissor para a fotorredução de nitrato e nitrito em meio aquoso, visto que sua aplicação gera pouco resíduo após o processo reacional. Adicionalmente, o baixo custo energético e a possibilidade de reuso do catalisador são fatores importantes para aplicação. Diferentes materiais semicondutores podem ser empregados como fotocatalisador, entretanto, o sulfeto de zinco (ZnS) se destaca pelo potencial da banda de condução, que é de -1,9 eV (vs NHE em pH 7,0), o que o torna um excelente candidato para reações de redução. Para reduzir a taxa de recombinação de cargas formadas durante a fotoativação do catalisador, foram adicionados baixos teores de prata (≤ 1,0%) a superfície do ZnS através do método de impregnação por via úmida. Deste modo, sintetizar, caracterizar e avaliar o desempenho fotocatalítico do ZnS puro e impregnado com prata frente à redução de nitratos em meio aquoso constituem o objetivo do trabalho. A síntese do catalisador foi realizada pelo método hidrotérmico, utilizando duas fontes de Zn (acetato de zinco e nitrato de zinco) com tioureia na proporção molar de 1:3. Para a caracterização do material foram realizadas análises de difração de raios X (DRX), fluorescência de Raios X (FRX) e espectroscopia de refletância difusa (ERD) para uma melhor compreensão das propriedades estruturais e ópticas do catalisador. As amostras de ZnS apresentaram picos de difração com larguras distintas, resultando em tamanho médio de cristalito e microdeformação diferentes. A composição química do ZnS é composta majoritariamente por zinco (Zn) e enxofre (S), com uma pequena quantidade de tungstênio (W), conforme evidenciado pelos dados de FRX. O band gap determinado via ERD foi de 3,2 e 3,6 eV, respectivamente, para amostras preparada por nitrato de zinco e acetato de zinco. Contudo, a adição da Ag não afeta o valor do band gap. Para os testes fotocatalíticos, a incidência de 8,01020 fótons na solução levou a uma conversão de 20,8 e 33,4 % de nitrato para os experimentos conduzidos, na presença de ácido fórmico e sob borbulhamento de , respectivamente. Já a fotorredução de nitrito alcançou conversão máxima, 100%, com um rendimento relativo de 97 % a N2 em 3 h de reação.
Abstract: Nitrate and nitrite contamination rates in water courses increased after the implementation of the Haber-Bosch process in the first decade of the 20th century. The most commonly used methods for nitrite removal consist of phase separation treatments, which can result in the accumulation of brines and sludge. In this scenario, heterogeneous photocatalysis emerges as a promising process for the photoreduction of nitrate and nitrite in an aqueous medium, since its application generates little residue after the reaction process. Additionally, the low energy cost and the possibility of reusing the catalyst are important factors for application. Different semiconductor materials can be used as a photocatalyst, however, zinc sulfide (ZnS) stands out due to its conduction band potential, which is -1.9 eV (vs NHE at pH 7.0), which makes it a excellent candidate for reduction reactions. To reduce the recombination rate of charges formed during the photoactivation of the catalyst, low levels of silver (≤ 1.0%) were added to the ZnS surface using the wet impregnation method. Therefore, synthesizing, characterizing and evaluating the photocatalytic performance of pure and silver-impregnated ZnS against nitrate reduction in aqueous media constitute the objective of the work. The synthesis of the catalyst was carried out by the hydrothermal method, using two sources of Zn (zinc acetate and zinc nitrate) with thiourea in a molar ratio of 1:3. To characterize the material, X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF) and diffuse reflectance spectroscopy (DRS) analyzes were carried out to better understand the structural and optical properties of the catalyst. The ZnS samples presented diffraction peaks with different widths, resulting in different average crystallite size and microstrain. The chemical composition of ZnS is mainly composed of zinc (Zn) and sulfur (S), with a small amount of tungsten (W), as evidenced by XRF data. The band gap determined via ERD was 3.2 and 3.6 eV, respectively, for samples prepared by zinc nitrate and zinc acetate. However, the addition of Ag does not affect the band gap value. For the photocatalytic tests, the incidence of 8.01020 photons in the solution led to a conversion of 20.8 and 33.4% of nitrate for the experiments carried out in the presence of formic acid and under bubbling of , respectively. Nitrite photoreduction achieved maximum conversion, 100%, with a relative yield of 97% to N2 in 3 h of reaction.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/77520
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0009-0003-5517-5158
Currículo Lattes do(s) Autor(es): https://lattes.cnpq.br/0149167968688355
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0002-7019-6155
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/9349231264931956
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0002-4782-6905
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/8768601943511313
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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