Use este identificador para citar ou linkar para este item:
http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/71950
Tipo: | Tese |
Título: | Carbon-based materials for water treatment: adsorption and capacitive deionization studies |
Autor(es): | Freire, Jessica Miranda Abreu |
Orientador: | Longhinotti, Elisane |
Coorientador: | Loiola, Adonay Rodrigues |
Palavras-chave: | Tratamento de água;Metais tóxicos;Óxido de grafeno magnético;Deionização capacitiva;Dessalinização de água salobra |
Data do documento: | 2023 |
Citação: | FREIRE, Jessica Miranda Abreu. Carbon-based materials for water treatment: adsorption and capacitive deionization studies. 2023. 134 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023. |
Resumo: | Nesta tese foram estudadas as tecnologias de adsorção e de deionização capacitiva para o tratamento de água em diferentes abordagens usando materiais à base de carbono. Para tanto, óxido de grafeno magnético silanizado foi utilizado para a adsorção de metais tóxicos e carvão ativado (CA) suportado em feltro de grafite (FG) foi utilizado para a dessalinização de água via deionização capacitiva (DIC). No primeiro estudo, compósitos de magnetita e óxido de grafeno (MAG-GOx) foram modificados com grupos amino (MAG-GO1-NH2) para melhorar a seletividade a cromo em uma solução multielementar contendo íons cádmio e cobre. Técnicas de caracterização como infravermelho com transformada de Fourier, espectroscopia Mössbauer e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X confirmaram o sucesso da síntese e evidenciaram diferentes grupos à base de oxigênio e nitrogênio capazes de promover a adsorção dos metais. Comparando os compósitos não modificados com os silanizados, observou-se um aumento na capacidade de adsorção de Cr(VI) em relação aos outros metais: MAG-GO1-NH2 adsorveu Cr(VI) 39.0 e 6.5 vezes mais que Cd(II) e Cu(II), respectivamente, enquanto MAG-GO1 adsorveu Cr(VI) 5 vezes mais que Cd(II) e Cu(II). Esse efeito foi atribuído às interações eletrostáticas e do tipo duro-duro entre as espécies de carga negativa de Cr(VI) e os grupos de carga positiva ‒NH3+. Além disso, experimentos de reuso mostraram uma adsorção de aproximadamente 100% de íons Cr(VI), em uma solução multielementar contendo 0,1 mmol L-1 de cada metal, durante 5 ciclos, demonstrando uma boa estabilidade e capacidade de adsorção do material modificado com grupos amino. No segundo estudo, estratégias simples para melhorar o desempenho dos eletrodos FG-CA na DIC foram estudadas através da modificação da espessura do eletrodo (2,0, 3,0 e 5,0 mm), da carga mássica de CA (32, 37 e 55 mg de CA por cm2) e da sua distribuição sobre o FG. As caracterizações eletroquímicas mostraram que, ao reduzir a espessura do eletrodo e aumentar a carga mássica, melhoram-se a capacitância total (F) e a capacitância específica (F gCA−1), respectivamente, resultando em maiores capacidade de adsorção de sais (SAC) (de 2,7 mg g‒1 para 7,9 mg g‒1) e redução da concentração de sal (Δc) (de 60,8 mg L‒1 para 95,3 mg L‒1) nos experimentos de dessalinização. Além disso, eletrodos com uma dispersão mais homogênea de CA produziram superiores taxa média de adsorção de sais (ASAR, 45%) e produtividade de água (P, 59%). Assim, os progressos obtidos na otimização da preparação de eletrodos utilizando FG através de simples estratégias impulsionam os estudos de DIC a uma abordagem mais prática e promissora. |
Abstract: | In this thesis, the effectiveness of carbon-based materials for water treatment was studied through the examination of adsorption and capacitive deionization technologies. For this purpose, silanized magnetic graphene oxide (MAG-GO1-NH2) was used for toxic metal adsorption and activated carbon (AC) supported on graphite felt (GF) was utilized for water desalination via capacitive deionization (CDI). The first study focused on modifying composites of magnetite and graphene oxide (MAG-GOx) with amino groups (MAG-GO1-NH2) to improve chromium selectivity in a multielement solution containing cadmium and copper ions. Characterization techniques such as Fourier transform infrared, Mössbauer spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy confirmed the success of the synthesis and evidenced the presence of nitrogen and oxygen-based moieties able to promote metal adsorption. Adsorption studies showed improved Cr(VI) uptake in the silanized composites compared to the unmodified ones: MAG-GO1-NH2 adsorbed Cr(VI) at 39.0 and 6.5 times more than Cd(II) and Cu(II), respectively, while MAG-GO1 adsorbed Cr(VI) 5 times more than Cd(II) and Cu(II). This enhancement is likely due to hard-hard and electrostatic interactions between Cr(VI) and ‒NH3+ groups that improve adsorption of chromium negative species. The stability of the amino-grafted material was confirmed through reuse experiments, which demonstrated that it could adsorb approximately 100% of Cr(VI) in a multielement solution containing 0.1 mmol L-1 of each ion over 5 cycles. In the second study, simple strategies were studied to enhance the performance of GF-AC electrodes in capacitive deionization (CDI) by modifying electrode thickness (2.0, 3.0, and 5.0 mm), AC mass loading (32, 37 e 55 mg of AC per cm2), and its distribution over GF. Electrochemical characterizations revealed that reducing electrode thickness and increasing mass loading resulted in improved total capacitance (F) and specific capacitance (F gAC−1), resulting in higher salt adsorption capacity (SAC) (from 2,7 mg g‒1 to 7,9 mg g‒1) and salt concentration reduction (Δc) (from 60,8 mg L‒1 to 95,3 mg L‒1) in desalination experiments. Electrodes with a more homogeneous dispersion of AC produced significant enhancements in terms of average salt adsorption rate (ASAR, 45%) and water productivity (P, 59%). These progresses on optimizing the preparation of GF composite materials have paved the way for improving the electrochemical separation of ions and a more practical approach to CDI studies using GF-based electrodes. |
URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/71950 |
Aparece nas coleções: | DQAFQ - Teses defendidas na UFC |
Arquivos associados a este item:
Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
---|---|---|---|---|
2023_tese_jmafreire.pdf | 4,76 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.