Nano4Green

Nome do Agrupamento - Agrupamento de Escolas da Maia

Nome da Escola- Escola Secundária da Maia

Curso - Ciências e Tecnologias

Título do trabalho- Nano4Green: Remoção de iões de metais pesados de água contaminadas

Autores :
Beatriz Santos | nº3 | 12ºD
Beatriz Carneiro| nº4 | 12ºD
Mariana Reis | nº19 | 12ºD

Tipo de trabalho - Projeto de investigação

Nome da disciplina - Química

Professor(es) orientador(es) - Isabel Allen | Carlos Granadeiro

Local de realização do trabalho - Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (FCUP)

Ano letivo - 2019/2020

Agradecimentos

Seguem-se os agradecimentos:

Ao professor Carlos Granadeiro.
Pela sua paciência e disponibilidade para nos orientar e ajudar na elaboração deste projeto, bem como o tempo que passou connosco. Por tudo o que nos ensinou e por marcar de forma especial o nosso percurso escolar.

À professora Isabel Allen.
Por contribuir para a nossa formação, transmitindo-nos valores e conhecimento, e pelo incentivo , interesse e apoio durante a realização deste projecto.

À Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (FCUP), Departamento de Química e Bioquímica.
Por nos permitir utilizar as instalações do laboratório, assim como por disponibilizarem os recursos para a realização deste projecto.

Agradecimentos

Resumo

Neste projeto desenvolve-se uma solução sustentável para a remoção de iões de metais pesados (como, por exemplo, o mercúrio, o chumbo e o níquel) de águas contaminadas. Com este processo de remediação ambiental pretende-se reduzir o impacto da atividade humana no meio ambiente (visto que estes metais não são biodegradáveis e são acumulados por longos períodos de tempo) e diminuir os casos de intoxicação por estes iões que podem ser tóxicos para o organismo quando consumidos, podendo causar danos em vários órgãos do corpo (como pulmões, rins e até cérebro) e, em casos extremos, morte.
Esta solução, ao contrário dos processos utilizados atualmente para a remoção de iões de metais pesados, é mais simples, rápida, sustentável e economicamente viável.

Palavras-Chave: Remediação ambiental; Metais pesados; Águas contaminadas; Sustentável; Tóxicos; Economicamente Viável; Rápida; Simples

Keywords: environmental remediation; iron oxides; magnetic separation; nanoparticles; project-based learning

Abstract

The presence of heavy metal ions in wastewater treated by incorrect forms can generate impacts for the environment and human health, since these contaminants stay accumulated for years, they are not biodegradable, and can be toxic or can cause damage to various organs of the human body (such as lungs, kidneys and even the brain) when consumed. Additionally, currently used technologies for the removal of heavy metal ions are difficult to implement and involve high costs. Therefore, there is a need to develop new processes that are more economically viable, simple, sustainable and easy to use. 12th grade Chemistry students, working in partnership with the Faculty of Science of the University of Porto, used the Project-based learning (PBL) methodology to develop a project for the removal of heavy metal ions from contaminated waters, through magnetic separation. The project consists in synthesizing and characterizing nanoparticles composed by iron oxides surrounded by porous silica in a core-shell configuration Fe₃O₄@SiO₂. By doing so, it`s possible to combine the high adsorption ability of porous silica with the magnetic separation from the magnetite nanoparticles. The system allows, after treatment, the efficient and simple removal of the adsorbent from a large volume of water by applying an external magnetic field.

Keywords: environmental remediation; iron oxides; magnetic separation; nanoparticles; project-based learning

Índice

1. INTRODUÇÃO -------------------------------------------1
1.1 Objetivo -----------------------------------------------7

2. MATERIAIS E MÉTODOS ---------------------------------9
2.1 Preparação de nanopartículas magnéticas de magnetite----9
2.2 Caracterização de nanopartículas magnéticas de magnetite (Fe3O4) -------------------------------------------------10
2.3 Preparação das partículas Fe3O4@SiO2 -------------------11
2.4 Envolver as partículas em sílica (2º vez) -------------------12
2.5 Caracterização das nanopartículas envolvidas 1 e 2 vezes em sílica-----------------------------------------------------12
2.6 Observar as partículas (não revestidas e revestidas por sílica 1x e 2x) no Microscópio Eletrónico de Varrimento
(SEM) ----------------------------------------------------13
2.7 Preparação de soluções de cobre com diferentes valores de pH ---------------------------------------------------------14
2.8 Espetroscopia de absorção atómica com chama -----------15
2.9 Preparação de uma solução de cobre, com pH = 7 ----------15

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO -----------------------------16
3.1 Zetasizer ---------------------------------------------16
3.2 Espectroscopia de infravermelho ------------------------18
3.3 Microscópio Eletrónico de Varrimento (SEM) --------------19
3.4 Espetroscopia de absorção atómica com chama -----------21

4. CONCLUSÃO -------------------------------------------23

5. TRABALHO FUTURO ------------------------------------24

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS -------------------------25

7. ANEXOS -----------------------------------------------27

8. GLOSSÁRIO --------------------------------------------29

Tabela 1 e 2: Dose diária recomendada de metais pesados (Fonte: Os autores - de acordo com: Walji, Hasnain - Nutrição e Saúde. Lisboa: Editorial Estampa, 2010) --------2

Tabela 3: Comparação dos resultados do Zetasizer (Fe3O4@SiO2 – 1x e 2x) (Fonte: Os autores) -------------17

Gráfico 1: Resultados da Espetroscopia de Infravermelho (Fonte: Os autores)-----------------------------------18

Gráfico 2: Resultados da Absorvância (Padrão) (Fonte: Os autores)---------------------------------------------21

Gráfico 3: Gráfico Percentual de Remoção das Partículas (Fonte: Os autores)-----------------------------------21

Índice de tabelas

Tabela 1 e 2: Dose diária recomendada de metais pesados (Fonte: Os autores - de acordo com: Walji, Hasnain - Nutrição e Saúde. Lisboa: Editorial Estampa, 2010) --------2

Tabela 3: Comparação dos resultados do Zetasizer (Fe3O4@SiO2 – 1x e 2x) (Fonte: Os autores) -------------17

Índice de Gráficos

Gráfico 1: Resultados da Espetroscopia de Infravermelho (Fonte: Os autores)-----------------------------------18

Gráfico 2: Resultados da Absorvância (Padrão) (Fonte: Os autores)---------------------------------------------21

Gráfico 3: Gráfico Percentual de Remoção das Partículas (Fonte: Os autores)-----------------------------------21

Índice de figuras

Figura 1: Localização dos metais pesados na tabela periódica (Fonte: https://sciencenotes.org/black-and-white-periodic-table-of-elements/)--------------------1

Video 1: Demonstração do processo de separação por membrana de filtração (Fonte: Os autores )--------------3

Figura 2: Representação da nanoescala (Fonte: Os autores)------------------------------------------------------6

Video 2: Demonstração do processo de biossorção (Fonte: Os autores )-------------------------------------------3

Figura 3: Demonstração do funcionamento de TEOS (Fonte: Os autores)-------------------------------------------11

Video 3: Demonstração do processo de precipitação química (Fonte: Os autores )---------------------------4

Figura 4: Resultados do Zetasizer (Fe3O4) (Fonte: Os autores)---------------------------------------------16

Video 4: Exemplo de um processo de adsorção (Fonte: https://youtu.be/rYVHWKPlQ38)-----------------------------5

Video 5: Exemplificação do projeto Nano4Green (Fonte: Os autores )---------------------------------------------7

Figura 5: Resultados do Zetasizer (Fe3O4@SiO2 – 1x) (Fonte: Os autores)------------------------------------------16

Video 6: Materiais e métodos utilizados na realização do projeto (Fonte: Os autores )----------------------------9

Figura 6: Resultados do Zetasizer (Fe3O4@SiO2 – 2x) (Fonte: Os autores)-----------------------------------16

Figura 7: Resultado do Microscópio Eletrónico de Varrimento (SEM) (Fonte: Os autores)------------------19

Figura 8: Resultado do SEM -Fe₃O₄@SiO₂(1x) (Fonte: Os autores)-------------------------------------------20

Figura 9: Resultado do SEM -Fe₃O₄@SiO₂(2x) (Fonte: Os autores)---------------------------------------------20

Fe3O4 - nanopartículas magnéticas compostas por óxidos de ferro

Fe3O4@SiO2 – 1x - nanopartículas magnéticas compostas por óxidos de ferro envolvidas uma vez por sílica porosa

Fe3O4@SiO2 – 2x - nanopartículas magnéticas compostas por óxidos de ferro envolvidas duas vezes por sílica porosa

SEM - Microscópio Eletrónico de Varrimento

TEOS - tetraetoxisilano

Índice de Vídeos

Video 1: Demonstração do processo de separação por membrana de filtração (Fonte: Os autores )--------------3

Video 2: Demonstração do processo de biossorção (Fonte: Os autores )-------------------------------------------3

Video 3: Demonstração do processo de precipitação química (Fonte: Os autores )---------------------------4

Video 4: Exemplo de um processo de adsorção (Fonte: https://youtu.be/rYVHWKPlQ38)-----------------------------5

Video 5: Exemplificação do projeto Nano4Green (Fonte: Os autores )---------------------------------------------7

Video 6: Materiais e métodos utilizados na realização do projeto (Fonte: Os autores )----------------------------9

Índice de abreviaturas

1. INTRODUÇÃO

Figura 1: Localização dos metais pesados na tabela periódica (Fonte: https://sciencenotes.org/black-and-white-periodic-table-of-elements/)

Tabela 1 e 2: Dose diária recomendada de metais pesados (Fonte: Os autores - de acordo com: Walji, Hasnain - Nutrição e Saúde. Lisboa: Editorial Estampa, 2010)

Os metais pesados são definidos como um grupo de elementos situados entre o cobre e o chumbo na tabela periódica que têm densidade superior a 4,0 gramas por centímetro cúbico.

A maior parte dos metais pesados não apresenta uma dose diária recomendada, ou seja, não são essenciais ao nosso organismo, podendo até ser prejudiciais.

O resto, é considerada essencial em pequenas quantidades, sendo que algumas destas dependem do gênero e/ou idade da pessoa. Isto acontece porque a composição corporal das mulheres e dos homens é diferente e a idade é importante para ter uma estimativa do peso da pessoa. [1]

Certos metais pesados (dos que são considerados essenciais ao organismo humano), ainda não têm um papel definitivo na nutrição, sendo por isso necessárias mais investigações

A presença de metais pesados em águas residuais é um problema no tratamento de efluentes, pois estes contaminantes, ao contrário de poluentes orgânicos, não são biodegradáveis, dessa maneira, acumulam se no ambiente por anos e afetam a saúde pública e o ecossistema. [2]

Um dos metais pesados mais comuns nas águas que não são tratadas corretamente é o cobre, que é essencial para os seres vivos em doses pequenas [1,3,4,5].

Contudo, em concentrações mais elevadas, pode provocar intoxicações, lesões no fígado, vómito, dor abdominal, disenteria e náusea, sendo as crianças mais suscetíveis a efeitos colaterais [6]. De acordo com a CETESB (Companhia Ambiental do Estado de São Paulo), este metal é ainda mais nocivo para os peixes, pois uma concentração de 0,5 mg/L é letal para bagres, peixes vermelhos, trutas e carpas. [7, 8]