Obtenção, caracterização e avaliação da atividade fotocatalítica do TiO2 dopado com cério e neodímio no tratamento de efluentes contendo poluentes orgânicos

Abstract

A fotocatálise vem mostrando resultados satisfatórios na remoção de vários poluentes orgânicos e inorgânicos presentes nas águas, com boa eficiência na degradação de poluentes persistentes. O dióxido de titânio TiO2 é o semicondutor mais usado em aplicações fotocatalíticas, porém melhorias na sua atividade com a dopagem de terras raras e alterações morfológicas têm sido propostas na literatura como alternativas tanto para aumentar a atividade fotocatalítica sob luz UV, quanto para ampliar a faixa espectral da ativação para a região da luz visível. Neste trabalho, TiO2 P25 foi dopado com cério (Ce) ou neodímio (Nd) pelo método hidrotérmico em condições altamente alcalinas. O objetivo geral da tese é fornecer evidências experimentais da importância da dopagem de Ce e Nd nas modificações da atividade fotocatalítica e da capacidade de adsorção do TiO2, além de esclarecer o mecanismo de degradação dos compostos orgânicos. A atividade fotocatalítica e a capacidade de adsorção dos fotocatalisadores produzidos foram avaliados através da fotodegradação do corante azul de metileno (AM), do polímero polivinilpirrolidona (PVP) e pela degradação de água residuária colorida (EC), sob luz UV e visível. As caracterizações mostraram que o método hidrotérmico produz alterações morfológicas, que resultam em aumento na capacidade de adsorção e, consequentemente, na atividade fotocatalítica. Sendo que maior a área superficial, maior a adsorção do AM pelos fotocatalisadores preparados. As maiores constantes de velocidade na fotodegradação do AM encontradas foram de 0,242 min-1 sob luz UV e 0,180 min-1 sob luz visível para os fotocatalisadores dopados com 0,5 % de Ce e de Nd, respectivamente, juntamente com uma alta capacidade de adsorção (34,5 mg·g-1). Sob luz UV, quanto maior a capacidade de adsorção de AM, menor a constante cinética, deixando mascarada a atividade fotocatalítica dos fotocatalisadores. Enquanto que sob luz visível, a fotodegradação do AM aumenta com o aumento da capacidade de adsorção, indicando uma fotocatálise sensibilizada. Foi observada uma baixa fotodegradação de PVP (5,21x10-4 min-1), e este resultado pode ser consequência da falta de interação superficial e/ou efeitos estéricos que permitissem a adsorção do polímero. Uma concentração ideal de 0,5 % em massa de dopante foi encontrada. A fotodegradação de EC teve uma velocidade mais lenta do que do corante AM em solução aquosa, porém os fotocatalisadores dopados apresentaram maior capacidade de degradação e redução de toxicidade do que o TiO2 puro.

Abstract : The photocatalysis has been showing satisfactory results in the removal of several organic and inorganic pollutants present in the waters, with good efficiency in the degradation of persistent pollutants. TiO2 is the most used semiconductor in photocatalytic applications, but improvements in its activity with rare earth doping and morphological changes have been proposed in the literature as alternatives both to increase the photocatalytic activity under UV light and to extend the spectral range of activation to the region of visible light. In this work, TiO2-P25 was doped with cerium (Ce) and neodymium (Nd) by the hydrothermal method under highly alkaline conditions. The main goal of the thesis is to provide experimental evidence of the importance of the doping of Ce and Nd in the modifications of the photocatalytic activity and of the adsorption capacity of TiO2, besides clarifying the mechanism of degradation of the organic compounds. The photocatalytic activity and the adsorption capacity of the photocatalysts produced were evaluated by photodegradation of the methylene blue (MB), polyvinylpyrrolidone polymer (PVP) and by the degradation of colored wastewater (EC), under UV and visible light. The characterization showed that the hydrothermal method produces morphological changes, which result in an increase in the adsorption capacity and, consequently, in the photocatalytic activity. The greater the surface area, the greater the adsorption of the MB by the prepared photocatalysts. The highest kinect constant in the MB photodegradation were 0.242 min-1 under UV light and 0.180 min-1 under visible light for 0.5 % Ce and Nd doped photocatalysts along with a high adsorption capacity (34.5 mg·g-1). Under UV light, the higher the adsorption capacity of MB, the lower the kinetic constant, leaving the photocatalytic activity of the photocatalysts to be masked. While under visible light, MB photodegradation increases with increasing adsorption capacity, indicating a sensitized photocatalysis. A low PVP photodegradation (5.21 x 10-4 min-1) was observed, and this result may be a consequence of the lack of surface interaction and / or steric effects permitting the adsorption of the polymer. An ideal concentration of 0.5 % in mass of dopant was found. The photodegradation of EC had a slower speed than that of MB dye in aqueous solution, but the doped photocatalysts had a greater capacity of degradation and reduction of toxicity than TiO2 undoped.