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Title: Desenvolvimento de heterojunções constituídas de ZnO/g-C3N4 e ZnFe2O4/g-C3N4 para fotodegradação de contaminantes orgânicos emergentes
Other Titles: Development of ZnO/g-C3N4 and ZnFe2O4/g-C3N4 heterojunctions for photodegradation of emerging organic contaminants
Authors: Brasileiro, Islanny Larissa Ouriques
Advisor: Moriyama, André Luís Lopes
Keywords: Heterojunção;Cefazolina;Preto Reativo 5;Fotocatálise heterogênea;Esquema Z;Estudo cinético
Issue Date: 16-Dec-2022
Publisher: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Citation: BRASILEIRO, Islanny Larissa Ouriques. Desenvolvimento de heterojunções constituídas de ZnO/g-C3N4 e ZnFe2O4/g-C3N4 para fotodegradação de contaminantes orgânicos emergentes. Orientador: André Luís Lopes Moriyama. 2022. 170f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022.
Portuguese Abstract: Nos últimos anos, tem crescido a preocupação com a contaminação das águas por contaminantes emergentes, assim consideradas as substâncias que não são completamente degradadas por processos convencionais de tratamento de água e efluentes e não são biodegradáveis. Por essa razão, diversas técnicas têm sido desenvolvidas para tratar eficientemente tais compostos. Nesse trabalho, foram sintetizadas diferentes heterojunções constituídas de ZnO/g-C3N4 e ZnFe2O4/g-C3N4 em diferentes proporções mássicas de g-C3N4 (10, 50 e 80 %) através de um método simples de mistura, sonicação e tratamento térmico. Foram investigadas as influências da quantidade de g-C3N4 nas heterojunções e do tipo de catalisador à base de zinco utilizado sobre as propriedades estruturais, morfológicas, ópticas e fotocatalíticas dos materiais. Os resultados de DRX, FTIR e MEV/EDS confirmaram a obtenção das heterojunções desejadas com sucesso. A incorporação do g-C3N4 foi importante na modificação das propriedades texturais e ópticas das heterojunções produzidas. O 50- Zn/gCN apresentou melhor eficiência fotocatalítica de degradação do antibiótico cefazolina (78 %) e do corante RB5 (95 %), em 120 min de experimento, quando comparado com os materiais puros e com as demais heterojunções. Além disso, exibiu cinética de reação mais rápida e boa fotoestabilidade. A melhor performance fotocatalítica apresentada por esse material pode ser atribuída ao real efeito sinérgico entre o ZnO e o g-C3N4, o qual promoveu relevante interação, num possível mecanismo do tipo esquema Z, conforme verificado na análise de PL. Os resultados do planejamento experimental demonstraram que a concentração de catalisador e o pH são as variáveis que mais influenciaram a fotodegradação da cefazolina, ao passo que para o RB5, todas as variáveis avaliadas mostraram-se significativas para 95 % de confiança. O 50- Zn/gCN exibiu 100 % de degradação para ambos os contaminantes avaliados em 90 min de reação para a cefazolina e em 10 min para o RB5, nas seguintes condições: concentração de catalisador 0,5 g L-1 , concentração de contaminante 5 mg L-1 e pH 2,5. A adsorção teve um papel fundamental na fotodegradação do RB5. Contudo, é a fotocatálise a responsável por degradar o corante (adsorvido no sólido e remanescente na solução) e regenerar a superfície do catalisador. Os mecanismos em esquema Z para as reações de fotocatálise da cefazolina e do RB5 foram adequadamente propostos, sendo as principais vias de degradação as lacunas fotogeradas na banda de valência do ZnO e os elétrons na banda de condução do g-C3N4, para a cefazolina e para o RB5, respectivamente. A heterojunção avaliada apresentou boa fotoestabilidade para os contaminantes em estudo. Por fim, constata-se o caráter promissor do 50-Zn/gCN sintetizado para aplicação em reações fotocatalíticas mediadas por luz solar para degradação de contaminantes de classes distintas e a possibilidade de sua utilização como alternativa eficiente para minimizar a poluição da água causada pelo uso excessivo de medicamentos durante a pandemia da COVID-19.
Abstract: In recent years there has been growing concern about the contamination of water by emerging contaminants - substances that are not completely degraded by conventional processes of water and wastewater treatments and are not biodegradable. For this reason, several techniques have been developed to efficiently treat such compounds. In this work, different heterojunctions of ZnO/g-C3N4 and ZnFe2O4/g-C3N4 in different mass proportions of g-C3N4 (10, 50, and 80 %) were synthesized through a simple method of mixing, sonication and heat treatment. The influence of the amount of g-C3N4 in the heterojunctions as well as the influence of the type of zinc-based catalyst on the structural, morphological, optical, and photocatalytic properties of the materials were investigated. The XRD, FTIR, and SEM/EDS results confirmed the achievement of the desired heterojunctions. The incorporation of g-C3N4 was relevant in modifying the textural and optical properties of the heterojunctions produced. The 50-Zn/gCN heterojunction showed better photocatalytic degradation of the antibiotic cefazolin (78 %) and the dye RB5 (95 %) in 120 min of the experiment, when compared with the pure materials and with the other heterojunctions. In addition, it exhibited faster reaction kinetics and good photostability. The best photocatalytic performance presented by this material can be attributed to the real synergistic effect between ZnO and g-C3N4, which promoted relevant interaction in a possible mechanism of Z scheme type, as verified in the PL analysis. The results of the experimental design showed that the catalyst concentration and the pH are the variables that most influence the cefazolin photodegradation, whereas for RB5, all the evaluated variables were significant for 95% confidence. 50-Zn/gCN exhibited 100% degradation for both contaminants evaluated in 90 min of reaction for cefazolin and in 10 min for RB5, under the following conditions: catalyst concentration 0.5 g L-1 , contaminant concentration 5 mg L-1 and pH 2.5. Adsorption played a key role in the photodegradation of RB5. However, the degradation of the dye (adsorbed and remaining in the solution) and the regeneration of the catalyst surface were due to photocatalysis. The Z-scheme mechanisms for the photocatalytic reactions of cefazolin and RB5 have been adequately proposed, in which the photogenerated holes in the valence band of ZnO and the electrons in the conduction band of g-C3N4 were the main degradation pathways of cefazolin and RB5, respectively. The evaluated heterojunction showed good photostability for both contaminants. Finally, the promising character of 50-Zn/gCN synthesized for application in photocatalytic reactions mediated by sunlight for the degradation of contaminants of different classes, as well as the possibility of its use as an efficient alternative to minimize water pollution caused by overuse of medication during the COVID-19 pandemic.
URI: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/51297
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