cesam centro de estudos do ambiente e do mar novos materiais e controlo ambiental marta otero cesam...
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CESAMCentro de Estudos
do Ambiente e do Mar
Novos materiais e
controlo ambiental
Marta OteroMarta Otero
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Ciência 2008, Encontro com a CiênciaJulho2008
2
CESAMC.B. Lopes, M. Otero, E. Pereira, A.C. Duarte
CICECOZ. Lin, P. Lito, C.M. Silva, J. Rocha
Investigação em materiaisResolução de problemas ambientais
Contaminação do meio aquático devido á
descarga de efluentes contendo metais
vestigiais
Síntese de materiais com capacidade de fixação de
metais vestigiaisCESA
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Problema ambiental em estudo: contaminação do meio aquático por metais
Descargas de efluentes provenientes de diferentes indústrias têm causado problemas de contaminação por metais no meio aquático
A maior parte da população Portuguesa vive na zona litoral onde se concentra a actividade industrial
A Ria de Aveiro é o exemplo de um sistema estuarino que tem sofrido a pressão da descarga de efluentes industriais (complexo industrial de Estarreja)
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Problemática associada à contaminação do meio aquático por metais
TOXICIDADE
PROLONGADO TEMPO de RESIDÊNCIA no meio
BIOACUMULAÇÃO nos seres vivos
BIOAMPLIFICAÇÃO na cadeia trófica
[Hg2+]água [Hg2+]peixe pequeno >[Hg2+]água [Hg2+]peixe mediano >[Hg2+]peixe pequeno [Hg2+]peixe grande >[Hg2+]peixe mediano
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Legislação relativa às descargas de metais no meio aquático
Decisão sobre substâncias perigosas prioritárias (2455/2001/EC)
Directiva Quadro da Água (2000/60/CE): obrigação do cessamento das descargas de substâncias perigosas prioritárias até 2020
Hg(II), Cd(II), Pb(II) e os seus compostos fazem parte da lista de substâncias perigosas prioritárias
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CESAM (Grupo de Química Analítica e Ambiental):
Experiência na quantificação de metais
Capacidade analítica para detectar concentrações tão baixas como 1 ng/L
Investigação na área de alternativas de tratamento de águas naturais e efluentes com metais vestigiais
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CICECO (Grupo de Materiais Avançados):
Experiência na síntese e caracterização de materiais, nomeadamente, peneiros moleculares
Capacidade de síntese de novos materiais com alta afinidade pelos metais
Desenvolvimento de modelos matemáticos para a descrição dos processos de associação dos metais aos materiais
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Que materiais?
TITANOSILICATOS (ETS-10, ETS-4, AM-2, AM-4,...)
Peneiros moleculares: materiais que contêm muitos poros de tamanho preciso e regular o que lhes confere capacidade para classificar as moléculas em função de uma exclusão selectiva baseada no tamanho.
Família dos zeolitos (zein = ferver + lithos = pedra): substâncias cristalinas com estrutura caracterizada por uma malha de tetraedros interligados, cada um consistindo de quatro átomos de oxigénio envolvendo um catião. Essa malha contém cavidades abertas, normalmente ocupadas por moléculas de água e catiões extra-malha, que são, em geral, trocáveis.
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Propriedades dos materiais
TITANOSILICATOS
DESENVOLVIMENTO DE PROCESSOS E TECNOLOGIAS PARA A REMOÇÃO DE METAIS EM MEIO
AQUÁTICO
Establidade
Variedade de estruturas
Grande selectividade
Ambientalmente inôcuos
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ETS-4 (Engelhard titanosilicate number 4)
[(Na,K)2TiSi2,5O13.4H2O]
(análogo ao mineral zorite)
TiO6
TiO5
SiO4Na+
Na+
Na+
K+
Hg2+
Cd2+
Estrutura
• tetraedros SiO4 • pentaedros TiO5• octaedros TiO6
Os iões Ti têm uma carga (-2) associada – balançada por catiões extra-malha (Na+; K+)
0,3 – 0,4Diâmetro de poro (nm)
0,5 – 0,9Diâmetro de partícula (µm)
2,2Densidade (kg/L)
Pó brancoForma física
0,3 – 0,4Diâmetro de poro (nm)
0,5 – 0,9Diâmetro de partícula (µm)
2,2Densidade (kg/L)
Pó brancoForma física
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ETS-4 (Engelhard titanosilicate number 4)
[(Na,K)2TiSi2,5O13.4H2O]
(análogo ao mineral zorite)
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Remoção de Hg(II) em fase aquosa
• Experiências em batch
• Solução metal (V, C0)+ material (m)
• Agitação
• Isotermicidade
• Cinêtica e Equilíbrio de remoção
• CV-AFS (Cold Vapour Atomic Fluorescence Spectroscopy) PSA cold vapour generator 10.003 | Merlin PSA detector 10.023
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Cinética de remoção de Hg (II) em fase aquosa
020
0
015
Hg(II) solution Hg(II) sorbed
0
10
20
30
40
50
0 50 100 150 200
time (h)
Ct (
mg
L-1
)
0
3
6
9
12
15
Rt ( m
g m
g-1)
0
10
20
30
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0 50 100 150 200
time (h)
Ct (
mg
L-1
)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
Rt ( m
g m
g-1)
0
10
20
30
40
50
0 50 100 150
time (h)
Ct (
mg
L-1
)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Rt ( m
g m
g-1)
0
10
20
30
40
50
0 50 100 150 200 250 300 350
time (h)
Ct (
mg
L-1
)
0
1
2
3
4
5
Rt ( m
g m
g-1)
ETS-10 ETS-4
AM-2 AM-4
C0 = 50 μg/L
Ce ≤ 2 μg/L
C0 = 50 μg/L
Ce ≤ 2 μg/L
C0 = 50 μg/L
Ce ≤ 2 μg/LC0 = 50 μg/L
F1. Cinética da remoção de Hg(II) da fase aquosa utilizando diferentes materiais
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Modelos baseados nas equações de Nernst-Planck (NP) e de Maxwell-Stefan (MS), combinando as resistências de difusão externa e intraparticular têm sido desenvolvidos para descrever o processo de associação metal-material.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
CA
/CA
0
t (h)
F2. Concentração normalizada de Hg(II) em solução vs. tempo: resultados obtidos da aplicação do modelo NP (linhas) e experimentais (símbolos). C0 = 50 μg/L; V = 2 L, 295 K; mETS-4 ○= 1.37 mg; * = 2.22 mg e □ = 3.45 mg.AAD = Average of the Absolute Deviation
AAD = 2.69%
Modelação da remoção de Hg (II) em fase aquosaC
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As capacidades de remoção de Hg(II) experimentalmente obtidas com ETS-4 são superiores às de materiais tais como sílicas mesoporosas SBA-15 e MCM-41 para Hg(II) (Pérez-Quintanilla et al., 2006)
Concentrações residuais obtidas para Hg(II) após usar ETS-4 cumprem os limites de qualidade para águas de consumo humano - [Hg] < 2 µg/L(Drinking water quality – EPA (MCLs))http://www.epa.gov/safewater/contaminants/index.html
Comparação com outros materiaisC
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Novos materiais produzidos no CICECO têm mostrado potencial para a resolução dum grave problema ambiental como é a contaminação metálica
Materiais para a remoção de metais da água
Utilização destes novos materiais em condições reais e à escala piloto é objectivo futuro
Está planeada a produção e optimização de novos materiais e classes de materiais e a sua aplicação para remover Hg(II), Cd(II), Pb(II) e outros metais da águaC
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