Desenvolvimento de tintas fotocatalíticas com estabilidade aumentada utilizando fotocatalisadores à base de microesferas de dióxido de titânio

Abstract

Tintas fotocatalíticas são aquelas capazes de remover substâncias indesejáveis na sua superfície através da simples incidência de luz. Essa atividade fotocatalítica, entretanto, não é seletiva e pode degradar, além dos poluentes, a própria matriz polimérica da tinta. Portanto, para desenvolver uma formulação de tinta fotocatalítica adequada é necessário encontrar um equilíbrio entre a atividade não seletiva e a degradação do filme. Neste estudo, fotoacatalisadores à base de microesferas de TiO2 (µTiO2) e grafeno (µTiO2Gr) foram sintetizados, caracterizados e incorporados numa formulação de tinta acrílica à base de água com o objetivo de modular o efeito fotocatalítico e aumentar a durabilidade da tinta. Além dos fotocatalisadores sintetizados, o TiO2 comercial P25 da Evonik também foi avaliado e utilizado como referência ao longo do trabalho. Os fotocatalisadores foram caracterizados por DRX, TGA/DTA/DSC, ERD, DLS, MEV/EDS, MET, FTIR e área superficial específica BET. A atividade fotocatalítica das partículas em suspensão foi determinada através da degradação do corante azul de metileno. As tintas foram avaliadas quanto ao pH, a quantidade de sólidos secos e a densidade. Em seguida foram realizados testes para determinar a atividade fotocatalítica e avaliar a estabilidade dos filmes de tinta contendo 10% (m/m) dos fotocatalisadores (P25, µTiO2 e µTiO2Gr) durante 10 ciclos de adsorção e degradação fotocatalítica de uma solução contendo azul de metileno. Comparativamente avaliou-se a atividade fotocatalítica de uma tinta comercial contendo TiO2 rutilo como pigmento. De acordo com os resultados de caracterização, as microesferas de TiO2 sintetizadas possuem uma estrutura mesoporosa de anatase com alta área superficial e boa atividade fotocatalítica sob luz UV. A adição de 1% de grafeno as microesferas de TiO2 melhorou em 30% a fotoatividade das partículas em suspensão tornando-a semelhante à do P25. A incorporação dos fotocatalisadores nos filmes de tinta reduziu, aproximadamente cinco vezes, a atividade fotocatalítica devido as limitações relacionadas com o acesso dos poluentes e da luz as partículas de TiO2. Ainda assim, o filme de tinta contendo as partículas de P25 apresentou atividade fotocatalítica muito próxima ao filme de tinta contendo o compósito µTiO2Gr. A tinta com as microesferas µTiO2 apresentou uma atividade 30% menor que os filmes com P25 e µTiO2Gr. Nos testes cíclicos, a atividade fotocatalítica da tinta contendo µTiO2 e da tinta com µTiO2Gr se manteve estável nos últimos ciclos, enquanto a atividade fotocatalítica da tinta contendo nanopartículas de P25 reduziu indicando a perda de partículas de fotocatalisador ao longo dos ciclos. Finalmente, a partir das análises de MEV verificou-se que as tintas contendo as microesferas de TiO2 e o compósito µTiO2Gr, após os testes cíclicos, apresentaram menor degradação da matriz polimérica quando comparadas com a tinta contendo TiO2 P25 nas mesmas condições extremas.

Abstract: Photocatalytic paints are those capable of removing undesirable substances on their surface through the simple incidence of light. This photocatalytic activity, however, is not selective and can degrade, in addition to pollutants, the polymer's own paint matrix. Therefore, to develop a suitable photocatalytic paint formulation it is necessary to find a balance between the non-selective activity and the degradation of the film. In this study, TiO2 (µTiO2) and graphene (µTiO2Gr) microspheres based photoacatalysts were synthesized, characterized and incorporated into a water-based acrylic paint formulation with the aim of modulating the photocatalytic effect and increase the paint durability. Besides the synthetized photocatalysts, the commercial P25 TiO2 by Evonik was also evaluated and used as reference throughout the work. The photocatalysts were characterized by XRD, TGA/DTA/DSC, ERD, DLS, SEM/EDS, TEM, FTIR and specific BET surface area. The photocatalytic activity of the suspended particles was determined by methylene blue dye degradation. The paints were evaluated for pH, dry solids content and density. In sequence, tests were performed to determine the photocatalytic activity and to evaluate the stability of the paint films containing 10 wt % of the photocatalysts (P25, µTiO2 and µTiO2Gr) during 10 cycles of adsorption and photocatalytic degradation of a solution containing methylene blue. Comparatively it was evaluated the photocatalytic activity of a commercial paint containing rutile TiO2 as pigment. According to the characterization results, the synthesized TiO2 microspheres have an anatase mesoporous structure with high surface area and a good photocatalytic activity under UV light. The addition of 1 wt % of graphene to the TiO2 microspheres improved in 30% the photoactivity of the suspended particles making it similar to the P25 TiO2. The incorporation of the photocatalysts in the paint films reduced, in approximately five times, the photocatalytic activity due to limitations related to the access of the pollutants and the light to the particles of TiO2. Still, the paint film containing the P25 particles presented a photocatalytic activity very close to the paint film containing the µTiO2Gr composite. The paint with the µTiO2 microspheres showed an activity 30% lower than the films with P25 and µTiO2Gr. In the cyclic tests, the photocatalytic activity of both paints with µTiO2 and µTiO2Gr remained stable over the last few cycles while the photocatalytic activity of the paint with P25 TiO2 nanoparticles reduced indicating the loss of photocatalyst particles over the cycles. Finally, from the SEM analyzes, it was verified that the paint containing the TiO2 microspheres and the µTiO2Gr composite, after the cyclic tests, presented lower degradation of the polymer matrix when compared to the paint containing P25 TiO2 under the same extreme conditions.