nanotecnologia e o tratamento de resíduos

Nanotecnologia e o Tratamento de Resíduos

Sergio Damasceno

Programa de pós-graduação em ciência e tecnologia de materiais – Unesp/Sorocaba

Laboratório Nacional de Nanotecnologia – Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais

Sumário

I. Projeto de mestrado

II. O que é nanotecnologia?

III. Nanotecnologia no tratamento de resíduos

IV. Impactos da nanotecnologia

Projeto de mestrado

Processo de piróliseDecomposição térmica de material orgânico a altas temperaturas;• O processo ocorre em atmosfera inerte;• Ocorre em temperatura mais baixas comparado a combustão (<1000 °C);• Menor emissão de gases poluentes;• Materiais tratados:

• Rejeitos domésticos;• Madeira e rejeitos de jardim;• Papel;• Papel e embalagens Tetrapak®;• Borracha;• Pneus;• Tecidos e plásticos; • PVC, PP, PS, PU, polietileno de alta e baixa densidade;

• Produtos gerados:• Dependem da temperatura, velocidade e tipo de matéria-prima; • Gases:

• Pirólise de biomassa: • Abaixo de 400 °C: menor quantidade 30% (CO, hidrocarbonetos leves,

CO2).• Acima de 700 °C: Syngas como principal produto (CO e H2)

• Sólidos (biocarvões);• Líquidos (ricos em hidrocarbonetos - biocombustíveis):

• Tem mais aplicações comparados a gases;

4Fonte: Czajczyńska et al, Therm. Sci. Eng. Prog. 2017, 3, 171.

Processo de piróliseReatores:• Leitos fixos (biocarvão – 800 °C):

• Taxa de aquecimento lenta;• Escala laboratorial;

• Leitos fluidizados (pirólise rápida- 700 °C);• Taxas de aquecimento mais altas;• Usado em pirólise de polímeros;• Difícil separação do carvão e do material do leito;

• Leitos de jorro (reator cônico com movimento do material):• Utiliza partículas de diversos tamanhos;• Movimento do reator permite mais homogeneidade no processo;• Permite maior transferência de calor;

• Reator de forno rotativo:• Baixas temperaturas (500 °C);• Necessita de pré-tratamento;• Maior uniformidade;

5Fonte: Czajczyńska et al, Therm. Sci. Eng. Prog. 2017, 3, 171.

Nanotecnologia

O que é nanotecnologia?

“tecnologia na escala nano”

“é a tecnologia de precisão atômica, onde a arquitetura, composição e propriedades físicas são controladas”

“engenharia com precisão atômica”

Definição da Iniciativa Nacional de Nanotecnologia (EUA):

“A essência da nanotecnologia é a capacidade de trabalhar no nível molecular, átomo por átomo, para criar grandes estruturas com uma organização molecular fundamentalmente nova.”“A nanotecnologia está relacionada a materiais e sistemas cujas estruturas e componentes exibem propriedades físicas, químicas e biológicas novas e significativamente aprimoradas, com novos fenômenos e processos devido ao seu tamanho em nanoescala.”

7J. J. Ramsden, in Nanotechnology, Elsevier, 2011, 1–14.

Nanomateriais• Potencialidade

• Miniaturização;• Redução de custos;• Maior área superficial;• Mais reativos;• Maior adsorção de outros compostos;• Potencial para funcionalização;

• Diversidade de composição e estrutura:• Síntese;• Modificações;• Impurezas;

• Aplicações:• Ciência dos materiais;• Componentes eletrônicos (transistores, capacitores);• Produção de combustíveis;• Agricultura;• Medicina;• Indústria de cosméticos e farmacêutica;

O que a nanotecnologia representa?

Nanomateriais hoje

Nanowerk Nanomaterial Database™

• representavam em 2011: 2450 tipos• representam hoje: 4000 tipos

Nanomaterials Database: https://www.nanowerk.com

Desafios:• Produção em larga escala;• Alto custo de produção;• Impactos ambientais;• Efeitos na saúde de indivíduos;• Regulamentação x Investimentos;

Nanomateriais hojeNanorevestimentos:

• Aplicado sobre as fibras do tecido;• Mecanismo bioinspirado: flor de lótus;• Mais (Nanox - revestimento ou nanopartículas):

• Tecidos que controlam temperatura (nanoespelhos);• Protegem contra mosquitos;• Tecidos antiodor (Ag);

Fonte: THAÍS AUGUSTO. Especial Nanotecnologia: A revolução das roupas que não sujam. 2019. Disponível em: <https://canaltech.com.br/ciencia/especial-nanotecnologia-roupas-

parte-2-137165/>. Acesso em: 17 abr. 2019. 11

Nanomateriais hojeNanocosméticos:

• Cosméticos tradicionais: atuam apenas na superfície;• Nanocápsulas:

• Carregam ativos (vitaminas A, C, E e K);• Ação mais rápida;• Tem liberação controlada;• Permeação mais e absorção mais eficientes;• Polímeros biodegradáveis ou fosfolipídios;• Futuro:

• Pesquisa com nanocristais de celulose como espessantes para cremes;

Fonte: THAÍS AUGUSTO. Especial Nanotecnologia: Os nanocosméticos estão entre nós. Disponível em: <https://canaltech.com.br/ciencia/especial-nanotecnologia-4-os-

nanocosmeticos-estao-entre-nos-138045/>. Acesso em: 01 maio 2019.

O Boticário, Brasil 2005

L’Oréal, França 1993

Nanomateriais hojeAlimentos:• Fertilizantes e fixadores de água no solo;• Armazenamento e produção:

• Nanoencapsulação de ingredientes para melhorar cheiro, gosto e textura;

• Embalagens:• Nanopartículas de prata e argila com resistência

microbiológica;• Etiquetas que mudam de cor de acordo com qualidade do

alimento;• Alimentos (Funcional Mikron):

• Bio Ômega: sem gosto e sem cheiro;• Cafeína microencapsulada;• Nanopartículas de cálcio e ferro;

• Bebidas (Akmos):• Vitamina C, cafeína e complexo B;

Fonte: THAÍS AUGUSTO (Org.). Especial Nanotecnologia: Nanoalimentos em um supermercado perto de você. Disponível em: <https://canaltech.com.br/ciencia/especial-nanotecnologia-5-nanoalimentos-em-

um-supermercado-perto-de-voce-138545/>. Acesso em: 08 maio 2019.13

Nanomateriais hoje

No tratamento de desastres ambientais:• Explosão da plataforma de petróleo no Golfo do México em 2010

causou o derramamento de mais de 750 milhões de litros de petróleo;

• Remoção com nanopartículas:• Produção de nanopartículas magnéticas que se misturam ao

óleo da superfície;• Uma “esteira magnética” remove as manchas de óleo da

superfície;• Nanocompósitos que flutuam e tem capacidades de adsorver o

óleo;• Nanopartículas de biomassa para auxiliar na biodegradação de

polímeros;

Fonte: THAÍS AUGUSTO. Especial Nanotecnologia: A ciência invisível contra desastres ambientais. 2019. Disponível em: <https://canaltech.com.br/ciencia/especial-

nanotecnologia-6-a-ciencia-invisivel-contra-desastres-ambientais-139055/>. Acesso em: 15 maio 2019.

Nanomateriais: o futuroNanomedicamentos:

• Mais eficiência (seletiva) sobre superbactérias (farmacocinética);• Grupos químicos direcionam até o alvo;• Liberação controlada de fármacos:

• Nanocelulose (hidrogel); • Maior eficiência: 4 a 5 doses a menos;

• Futuro:• Diminuir o volume de antibióticos consumidos (5% de uma

dose chega no alvo);• Atacar células tumorais ou vírus;

Fonte: THAÍS AUGUSTO. Especial Nanotecnologia: O combate de doenças de dentro para fora. Disponível em: <https://canaltech.com.br/ciencia/especial-nanotecnologia-3-o-

combate-de-doencas-de-dentro-para-fora-137657/>. Acesso em: 24 abr. 2019. 15

Nanotecnologia no tratamento de resíduos

Biocarvão

Matéria-prima:• Proveniente da agricultura;• Madeira;• Bagaço da cana-de-açúcar;• Rejeito de animais;• Rejeito de lixo urbano;

Aplicações:• Compostagem;• Remediação de solos;• Tratamento de água;• Tratamento de esgoto;

Nanopartículas de biocarvão:• Menor uso de energia;• Menor custo;• Maior área superficial;• Maior capacidade de adsorção:

• Nanopartículas metálicas, orgânicas e inorgânicas;• Maior volume de poros;• Possibilidade de funcionalização;

Fonte: Wu el at. Biotechnol. 2017, 37, 754.Tan et al. Bioresour. Technol. 2016, 212, 318.

Biocarvão acelera processo de compostagem

Biocarvão na compostagem

↑ Temperatura

↑ Microrganismos↓ Gases (CH4, NH3, N2O, H2S)

↓ pH↓ Perda de N

• ↓ taxa de produção metano;

• ↓ NPs metálicas;

↑ Degradação e humificação

Fonte: Tan et al. Bioresour. Technol. 2016, 212, 318.

Óxido de titânio (TiO2)

• Presente em diversos processos industriais, como:• Tintas (papel e construção civil);• Produção de plásticos:• Cosméticos, alimentos, farmacêutica;

• Aplicado como fotocatalisador para purificação do ar;• Utilizado no tratamento de água para degradação de moléculas

orgânicas, tendo como produto água e CO2:• Reações em pressão e temperatura ambiente;• Baixo custo operacional; • Não tem subprodutos ou reações secundárias;• No tratamento do lodo, em concentração de até 5 mg L-1

diminui a produção de CH4;

Fontes: P. Cervantes-Avilés, J. Ida, T. Toda, G. Cuevas-Rodríguez, J. Environ. Manage. 2018, 222, 227.

K. Sridharan, Emerging Trends of Nanotechnology in Environment and Sustainability: A Review-Based Approach, 2018. 19

Nanopartículas a base de ferro

• Remediação de solos, sedimentos e tratamento de resíduos sólidos in situ ou ex situ;

• Baixo custo;• Produção simples;• Fácil funcionalização;

• Nanopartículas ferromagnéticas:• Usadas para remoção de óleo água;• Possibilidade de recuperação do material;• Proteção da superfície mantém propriedades magnéticas;

Fonte: K. Sridharan, Emerging Trends of Nanotechnology in Environment and Sustainability: A Review-Based Approach, 2018.

Qiao et al. J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2019, 97, 227.

Nanopartículas a base de ferro

• Magnetita e hematita:• Adsorção forte e bastante resistente a dessorção de toxinas

(As5+ e As3+);

• Quando em substratos de carbono ou zeólitas podem ser usados para tratamento de água, esgoto e ar;

• Em condições extremas podem degradar compostos orgânicos clorados;

Fonte: K. Sridharan, Emerging Trends of Nanotechnology in Environment and Sustainability: A Review-Based Approach, 2018. 21

• Óxido de ferro:• Adsorção de toxinas (As5+ e As3+);• Apresenta eficácia na remoção de

vários metais: Cr, Co, Mn, Se, Mo, Cd, Pb, Sb, Tl, Th, V e U;

• Efluente continha menos de 10% da concentração inicial;

Nanopartículas bimetálicas• Partículas compostas por dois metais;• Geralmente um que oxida mais facilmente (Fe ou Zn);• Um metal nobre, com atividade catalítica (Pt, Ni, Pd, Au, Ag ou Cu);• Pd/Au:

• Atividade catalítica para tratamento de moléculas organocloradas;

• Resistência à desativação;• Também utilizado no tratamento de água e descontaminação de

lençóis freáticos;• Fe/Pd:

• Atividade catalítica para produção de hidrocarbonetos de cadeia simples a partir de compostos aromáticos clorados;

• Também usado no tratamento de água e esgoto industrial;• Compostos com Ni:

• Desalogenação de compostos principalmente clorados;

Ferro zero-valente em escala nanométrica (nZVI)

• Características do material:• É a nanopartícula mais utilizada;• Não tóxico;• Fe é abundante; • Alto custo (processo de estabilização Fe0);

• Tem um potencial de redução baixo, que permite:• Reagir com óxidos metálicos tóxicos, transformando-os em espécies

inertes ou menos tóxicas;• Degrada e oxida compostos orgânicos;

• Principais aplicações:• Remoção de compostos orgânicos clorados;• Compostos nitroaromáticos;• Arsênico;• Metais pesados, nitratos, corantes, fenóis;

Fonte: K. Sridharan, Emerging Trends of Nanotechnology in Environment and Sustainability: A Review-Based Approach, 2018.23

Remoção de metais pesados:

• Oxiânions

Fonte: S. Li, W. Wang, F. Liang, W. Zhang, J. Hazard. Mater. 2017, 322, 163.

Núcleo (nZVI): • Altamente reativo;• Capaz de doar e- ;

Camada de óxido: • Função coordenativa de eletrostática;• Atrair e adsorver;

Reage com:• Oxiânions de As e Cr;• Cátions: Cu, Zn, Cd, Pd e Ni;Produtos, precipitados de: • Óxidos de ferrosos;• Hidróxidos;

Remoção organoclorados:• Degradação de contaminantes superior a óxidos; • Formação de íons bimetálicos permite maior degradação;• Diclorobenzeno: tem aumento de eficiência (4,6x) quando acoplado

com tratamento por micro-ondas;

Compostos nitroaromáticos:• Produção mundial 108 ton/ano;• Nitrobenzeno e TNT;• Carcinogênicos e tóxicos;• Grupo –N inibe a biodegradação;• Processo de degradação:

• Resultados de conversão de 70 a 98%;

Fonte: F. Fu, D. D. Dionysiou, H. Liu, J. Hazard. Mater. 2014, 267, 194.R. A. Crane, T. B. Scott, J. Hazard. Mater. 2012, 211–212, 112.

• Propriedades:• Estabilidade térmica;• Estável em condições ambiente (não sofre degradação);• Fácil uso e armazenamento;• Fonte de O2 e H2O2;• Aplicação na forma de pó permite maior eficiência;

• Principais aplicações (em campo):• Forte oxidante de compostos orgânicos;• Gasolina, óleo de aquecimento, etileno, glicol e outros solventes orgânicos; • Remoção de compostos aromáticos;• Biodegradação aeróbica:

• Em solução aquosa libera O2 que é utilizado por microrganismos aeróbicos;

• Aplicado em processos de remediação de solos;• Processos de tratamento de lençol freático;

S. Lu, X. Zhang, Y. Xue, J. Hazard. Mater. 2017, 337, 163.

Peróxido de Cálcio (CaO2)

• Biodegradação:• Tratamento de lodo:

• Agente de aeração (O2) com liberação controlada (CaCO3);

• Oxidação de corantes (formação de radicais ●OH catalisado por Fe(II));

• Precipitação de metais (Cd2+, Pb2+, Cu2+, Mn2+ e AsO2−), com formação de hidróxidos;

• Outras aplicações (escala de laboratório):• Solventes clorados;• Pesticidas;• Metais pesados;• Aplicação na forma de cápsulas para liberação controlada

(biorremediação);

S. Lu, X. Zhang, Y. Xue, J. Hazard. Mater. 2017, 337, 163.

Peróxido de Cálcio (CaO2)

• Surfactante: molécula anfipática;• Micela: partícula automontadas formada pelas moléculas de surfactante;• Em óleos:

• Forma-se a micela reversa, com a calda na parte externa;• Contém de 50 a 100 monômeros.

Micelas

HidrofóbicaHidrofílica

Surfactante

Micela

Aplicações:• Em soluções: permite adsorção de compostos e posterior ultrafiltração;• Remoção de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos de alto peso

molecular;• Asfaltenos;• Pesticidas;• Corantes;• Compostos orgânicos voláteis;• Metais pesados:

• Uso de surfactantes ou biosurfactantes específicos;• Micela: solubilizar e encapsular metais carregados ou neutros;• Não tem interação química;• Permite a recuperação do surfactante;

Shah et al. Chem. Rev. 2016, 116, 6042.

Micelas

• Compostos poliméricos;• Possuem estruturas esféricas; • Grande número de grupos funcionais;• Tem estrutura altamente porosa;• Tem raio de 2-6 nm;

Aplicações:• Adsorção de metais pesados ou zero valente;• Dendrímeros de cadeias alifáticas permitem:

• Remoção de impurezas orgânicas;• Dendrímeros com nanopartículas conjugadas:

• Remoção de Zn(II)

Dendrímeros

Zeólitas:• Zeólita: peneira molecular de aluminossilicato;• Estrutura cristalina acarreta em material altamente poroso;• Poros tem dimensões moleculares;• Nanozeólita:

• 10 – 100 nm;• Maior acesso e exposição dos sítios ativos;• Facilidade de modificação das propriedades hidrofílicas/hidrofóbicas;• Alta capacidade de adsorção;

Aplicações • Oxidação de hidrocarbonetos (tolueno, benzaldeído);

Vantagens:• Oxidação iniciada por luz visível;• Baixa energia necessário reduz reações secundárias;

Fonte: K. Sridharan, Emerging Trends of Nanotechnology in Environment and Sustainability: A Review-Based

Approach, 2018.G. Ali Mansoori, T. R. Bastami, A. Ahmadpour, Z. Eshaghi, in Annu. Rev. Nano Res., WORLD SCIENTIFIC, 2008, pp.

439–493.

Catalisadores nanoestruturados

Impactos da Nanotecnologia

Efeitos dos nanomateriais no ambiente e organismos

Pontos principais:• Alta energia superficial Formação de agregados,

clusters;• Alta reatividade química (compostos secundários);• Reatividade biológica;• Sensibilidade ótica (fotocatálise);• Alta difusão em aquíferos e solos;• Riscos individuas Requerem tratamento único;• Estudos toxicológicos não avançam na mesma

proporção de estudos para desenvolvimento de novos materiais;

Fonte: M. S. Bilgili, P. Agamuthu, Waste Manag. Res. 2019, 37, 197.33

Principais fontes de rejeitos em escala nano:• Aditivos para combustíveis e lubrificantes;• Catalisadores;• Indústria de cosméticos e produtos para cuidados

pessoais:• Nanopartículas de prata;• Óxido de titânio;

• Indústria farmacêutica;• Uso de aerossóis;

Óxido de titânio

• 1,0% do resíduo plástico na Alemanha (142 000 ton) - 2017;• Em altas concentrações causa a inativação microbiana e diminui a

remoção de N no tratamento do lodo residual;• Alterações genéticas em microrganismos;• Na Europa não tem um consenso sobre efeitos:

• Pesquisas apontam que o acúmulo no organismo tem efeito carcinogênico;

• Por outro lado tem impactos em muitos setores (propriedades do material, economia);

Fonte: P. Cervantes-Avilés, J. Ida, T. Toda, G. Cuevas-Rodríguez, J. Environ. Manage. 2018, 222, 227.

nZVI• Mesmo com baixa toxidade: tem impactos em microrganismos, alterando o

metabolismo;• Forma outros compostos;• Microrganismos – bactérias:

• Bloqueio ou inibição no transporte de nutrientes;• Mudanças estruturais da membrana celular;

• Outros microrganismos:• nZVI: aumenta produção de espécies reativas de oxigênio;• Altera metabolismo das células, com efeitos:

• Massa corporal;• Taxa de reprodução;• Taxa de mortalidade;

• Plantas:• Bloqueio no transporte de água e nutrientes, por conta de acúmulo nas

raízes;• Acúmulo: efeitos mutagênicos;

Fonte: M. Stefaniuk, P. Oleszczuk, Y. S. Ok, Chem. Eng. J. 2016, 287, 618.C. Lei, Y. Sun, D. C. W. Tsang, D. Lin, Environ. Pollut. 2018, 232, 10.

Nanotubos de Carbono• Uma camada de grafite (folha de grafeno) enrolada;• Raio: 0,5 – 1,5 nm;• Produzido em escala industrial (1000 ton/ano);

Aplicações:• Indústria eletrônica (propriedades elétricas);• Meio ambiente (remediação de solos);• Agricultura;

Riscos:• Tamanho equivalente a biomacromoléculas e células;• Capacidade de penetração intracelular;• Adsorvem hidrocarbonetos aromáticos policíclicos com aumento de

toxicidade;

Fonte: MARTINEZ, Diego Stéfani Teodoro. Nanotubos de carbono: Aspectos Químicos e interações com

biossistemas. 2011. 158 f. Tese (Doutorado) - Curso de Química, Departamento de Química Inorgânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2011.

• Nanopartículas carbono;• Semicondutores;• Utilizadas como marcadores de células devido a propriedades óticas;• Propriedades óticas dependem do tamanho;• Grande uso em estudos laboratoriais;

Efeitos:• Plantas:

• Altera níveis de determinadas enzimas;• Células de mamíferos:

• Compromete atividade da mitocôndria;• Forma complexos metálicos tóxicos;

Quantum Dots

Prata• Redução de atividade microbiana;• Alterações no DNA;• Aumento de resistência de bactérias;• Em células de mamíferos:

• Altera permeabilidade da membrana celular;• Causa alterações no ciclo de Krebs;• Inibição das funções da mitocôndria;

• A sua presença em água pode deteriorar a preservação da biodiversidade;

Fonte: T. Faunce, A. Watal, Nanomed. 2010, 5, 617.

Nanopartículas metálicas

• Viabilidade econômica:• Exploração do potencial econômico;• Exploração do potencial científico e tecnológico;

• Equilíbrio ambiental:• Marcos regulatórios;• Medidas de precaução;• Avaliação de riscos;

• Escassez de estudos integrados de avaliação de riscos;

Fonte: MARTINEZ, Diego Stéfani Teodoro. Nanotubos de carbono: Aspectos Químicos e interações com

biossistemas. 2011. 158 f. Tese (Doutorado) - Curso de Química, Departamento de Química Inorgânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2011.

Desafios da nanotecnologia

Atribuem passos para o desenvolvimento da nanotecnologia:• Modelo semelhante ao de liberação de novos fármacos nos EUA;1. Responsabilidade do criador do produto:

• Estudos de nanotoxicidade;• No meio ambiente e para saúde humana;• ISO/TR 13121:2011 — Nanotecnologia — Avaliação dos riscos de

nanomateriais;2. Investimentos em estudos para conhecimento de ciclo de vida de materiais

e disposição dos rejeitos;3. Desenvolvimento de procedimentos de comercialização:

• Revisão da literatura, testes preliminares, investigação de aplicação, ensaios laboratoriais, submissão de estudos, revisão e aplicação;

4. Elaboração de normas e padrões de produção nacionais e internacionais;

Fonte: T. Faunce, B. Kolodziejczyk, Nanowaste: Need for Disposal and Recycling Standards, 2017, 12.

Agenda 2030 – G20

• Foco no desenvolvimento de produtos;• Uso no tratamento de resíduos ainda é limitado a testes de

laboratório;• Aplicações práticas em remediação de solos contaminados, água

(principalmente lençol freático); • Desafios:

• Diminuição no custo de produção do nanomateriais;• Regulamentação no uso, principalmente no aspecto de

determinação dos impactos ambientais;

Conclusões

Obrigado!

sergiodamasceno2@yahoo.com.br

Dúvidas?

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