INCORPORAÇÃO DE ÓXIDO DE TITÂNIO EM UMA ARGILA NATURAL PELO MÉTODO SOL-GEL APLICADA NA DESCOLORAÇÃO FOTOCATALÍTICA DE CORANTE ANIÔNICO

Abstract

RESUMO: A incorporação de TiO2 na superfície de diferentes materiais tem se mostrado uma excelente estratégia para aprimorar a eficiência de processos fotocatalíticos visando a despoluição de sistemas aquosos provocados por contaminantes orgânicos persistentes, como os corantes. Este trabalho teve como objetivo avaliar as propriedades catalíticas de compósitos à base da argila natural caulinita com TiO2 incorporado, obtidos a partir do método sol-gel, de óxidos de titânio elaborados na mesma condição de síntese dos compósitos e do óxido de titânio comercial, empregados na descoloração do corante azul de coomasie brilhante (ACB) em solução aquosa. Os compósitos foram preparados pela mistura da suspensão de TiO2, formado pela hidrólise do precursor tetraisopropóxido de titânio, com caulinita natural purificada, separados em quatro frações e calcinados nas temperaturas de 300, 500, 700 e 1000 ºC. Os resultados de DRX revelaram a presença de fases mistas anatase e rutilo e que a intensidade dos picos é mais evidente no compósito KBT-1000. A partir de 500 ºC foi observado o desaparecimento das principais bandas referentes às ligações Al-OH no intervalo 3622-3724 cm-1 e em 913 cm-1 no espectro de FTIR, devido à formação de metacaulinita. As imagens de MEV demonstraram a presença de TiO2 na superfície da argila e o espectro de EDS representativo da amostra KBT-300 revelou um aumento significativo na quantidade de titânio após a síntese com o precursor. Exceto na amostra KBT-1000, o ancoramento de TiO2 promoveu o aumento da área superficial em relação à caulinita e, para todos os compósitos, houve redução dos valores de band gap de energia em relação aos óxidos de titânio, devido a interação das partículas de TiO2 com a superfície do argilomineral formando ligações Ti-O-Si. Os testes fotocatalíticos foram realizados utilizando solução de corante ACB com concentração 5x10-5 mol L-1 e variando a concentração dos materiais em 0,4, 1,0 e 1,5 g L-1. Os resultados revelaram que os óxidos de titânio sintetizados obtiveram melhor desempenho fotocatalítico em relação aos compósitos e para quase todos os materiais a eficiência de descoloração foi proporcional ao aumento da concentração das amostras. Dentre todos os materiais sintetizados, a amostra TiO2-300 na concentração de 1,5 g L-1 descoloriu mais de 90 % da solução ACB por apresentar maior área superficial específica, mistura de fases ativas anatase e rutilo e valor de gap de energia apropriado. Entre os compósitos, a amostra KBT-300 obteve o melhor desempenho fotocatalítico devido à contribuição dos grupos siloxano, silanol e das hidroxilas internas dos grupos aluminol, os quais favoreceram o aumento da difusão e da adsorção das moléculas do corante. A adição do oxidante H2O2 à solução contendo o compósito KBT-300 na concentração de 1,5 g L-1 elevou o percentual de descoloração para 97,31 % da solução do corante ACB após 120 min de irradiação. A cinética de descoloração do corante ACB investigada obedece a lei de velocidade de pseudo-primeira-ordem. Por fim, o reuso da amostra KBT-300 em três ciclos consecutivos de fotocatálise demonstrou razoável estabilidade de adesão das partículas de TiO2 na superfície do argilomineral, indicando que pode ser empregada em processos oxidativos avançados para a degradação de poluentes orgânicos.ABSTRACT: The incorporation of TiO2 on the surface of different materials has been an excellent strategy to improve the efficiency of photocatalytic processes to the aqueous system of pollution caused by persistent organic pollutants such as dyes. This study aimed to evaluate the catalytic properties of composites based natural clay kaolinite incorporating TiO2, obtained from the sol-gel method, titanium oxides produced in the same condition of synthesis of composites and commercial titanium oxide, employees the bleaching of the dye coomasie blue brilliant (CBB) in aqueous solution. The composites were prepared by mixing the TiO2 suspension formed by hydrolysis of titanium tetraisopropoxide the precursor with purified natural kaolinite, separated into four fractions and calcined at temperatures of 300, 500, 700 and 1000 °C. The XRD results showed the presence of anatase and rutile mixed phase and the peak intensity is more evident in the composite KBT-1000. From 500 °C was observed the disappearance of the major bands relating to Al-OH bonds in the range 3622-3724 cm-1 and 913 cm-1 in the FTIR spectrum due to the formation of metakaolin. The SEM images showed the presence of TiO2 on the surface of the clay and the representative EDS spectrum of KBT-300 sample showed a significant increase in the amount of titanium after synthesis with the precursor. Except in the KBT-1000 sample, TiO2 anchoring promoted the increased surface area relative to kaolinite and all composites was reduced energy band gap values with respect to titanium oxides due to interaction of TiO2 particles with the surface the clay mineral forming Ti-O-Si bonds. The photocatalytic tests were performed using CBB dye solution with a concentration 5x10-5 mol L-1 and varying the concentration of material in 0.4, 1.0 and 1.5 g L-1. The results showed that the synthesized titanium oxide photocatalyst obtained better performance compared to composites and almost all materials the bleaching efficiency was proportional to the increase of the concentration of the samples. Among all the synthesized materials, the sample TiO2-300 at a concentration of 1.5 g L-1 decolorized over 90% of the CBB solution due to its higher specific surface area, a mixture of anatase and rutile phases of active and appropriate energy gap value. Among the composites, the KBT-300 sample had the best photocatalytic performance due to the contribution of siloxane groups, silanol and internal hydroxyls of aluminol groups, which favor an increase in the diffusion and adsorption of the dye molecules. The addition of H2O2 oxidant to the solution containing the KBT-300 composite in the concentration of 1.5 g L-1 increased the percentage bleaching to 97.31% CBB dye solution after 120 min irradiation. CBB dye bleaching kinetics investigated obeys the law of pseudo-first-order rate. Finally, the reuse of KBT-300 sample in three consecutive cycles of photocatalysis showed reasonably stable adhesion of the TiO2 particles on the surface of the clay mineral, indicating that can be used in advanced oxidation processes for the degradation of organic pollutants.