Aerogéis compósitos de nanotubos de carbono/sílica para remediação ambiental

Abstract

O principal objetivo desta dissertação de mestrado foi incorporar nanotubos de carbono (CNTs) em aerogéis de sílica para obtenção de materiais compósitos com boas propriedades de adsorção. Metiltrimetoxissilano (MTMS) e (3-aminopropil) trimetoxissilano (APTMS) foram utilizados como precursores de sílica, os quais, em diferentes proporções molares e utilizando a metodologia sol-gel, levaram à formação de aerogéis compósitos de CNTs-sílica.O surfactante utilizado foi escolhido entre brometo de hexadeciltrimetilamónio (CTAB), dodecil sulfato de sódio (SDS) e polietilenoglicol (PEG). Quando a síntese foi realizada com PEG, não foi obtido um gel, no entanto, o uso dos outros dois surfactantes produziu monólitos que não apresentaram diferenças significativas nos valores da massa volúmica bulk. Em relação ao tempo de gelificação, o CTAB apresentou os melhores resultados, com menor tempo de gelificação, o que é favorável para evitar a sedimentação dos CNTs na suspensão.O próximo parâmetro estudado foi o método de agitação e, embora a agitação mecânica proporcionasse menor massa volúmica bulk, o banho de ultrassom permitiu uma melhor dispersão dos CNTs na solução. Um estudo sobre a necessidade de uma etapa de lavagem para remover o surfactante dos géis foi também realizado. Comparando os resultados para a mesma formulação, com e sem lavagem, foi possível concluir que esta etapa foi fundamental, permitindo uma melhoria significativa na massa volúmica bulk, levando a uma redução de 5 a 10 kg m-3. A análise termogravimétrica confirmou que a etapa de lavagem removeu praticamente todo o surfactante da estrutura dos materiais.Os aerogéis com diferentes proporções de precursores (100% MTMS, 90% MTMS/10% APTMS e 80% MTMS/20% APTMS) foram caracterizados química, física e microestruturalmente. As amostras com 100% de MTMS apresentaram menores valores de massa volúmica bulk. A presença de grupos amina levou a um aumento em termos de tamanho dos poros, mas uma redução da área superficial específica. As técnicas de microscopia permitiram a visualização da microestrutura dos materiais, sendo visíveis grandes partículas secundárias, além de ser possível verificar a matriz de sílica à volta dos CNTs.Os testes de adsorção revelaram que a presença de CNTs levou a uma ligeira melhoria nas propriedades de adsorção dos adsorventes. Em relação aos compostos orgânicos voláteis (VOC), para os melhores materiais, com xileno e benzeno, foram obtidos elevadas percentagens de remoção (para benzeno superior a 80% e para xileno maior que 90%), enquanto para fenol foi removido apenas no máximo 30%. Para os fármacos, os melhores resultados foram obtidos para o naproxeno, com percentagens de remoção de até 96,9%, enquanto para a amoxicilina o melhor resultado de remoção foi em torno de 67%. Num estudo mais aprofundado do processo de adsorção, foi possível concluir que a presença de CNTs melhorou os parâmetros cinéticos (maior velocidade de adsorção), assim como os parâmetros das isotérmicas (maior afinidade entre a fase líquida e a fase sólida).

The main goal of this master’s dissertation was to incorporate carbon nanotubes (CNTs) in silica aerogels with the aim of obtaining composites with good adsorption properties. Methyltrimethoxysilane (MTMS) and (3-aminopropyl) trimethoxysilane (APTMS) were used as silica precursors, which, in different molar proportions and using the sol-gel methodology, led to the formation of CNTs-silica aerogel composites. The used surfactant was chosen among hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB), sodium dodecyl sulfate (SDS) and polyethylene glycol (PEG). When the synthesis was performed with PEG, the gelation did not occur, however, the use of the other two surfactants produced aerogel monoliths that did not show significant differences in the values of bulk densities. Regarding the gelation time, CTAB showed the best results, with lower time, which is favorable to avoid CNTs sedimentation in the suspension. The next studied parameter was the agitation method and, even though the mechanical stirring provided lower bulk density, the ultrasound bath allowed a better CNTs dispersion in the solution. A study concerning the need of a washing step to remove the surfactant was also accomplished. Comparing the results for the same formulation, with and without washing, it was possible to conclude that this step was crucial, and allowed a significant improvement in the bulk density, leading to a decrease of 5 to 10 kg m-3. The thermogravimetric analysis confirmed that the washing step removed practically all the surfactant from the materials structure.The aerogels with different molar ratio of precursors (100% MTMS, 90% MTMS/10% APTMS and 80% MTMS/20% APTMS) were characterized chemical, physical and microstructurally. The samples with 100% MTMS presented lower values of bulk density. The presence of amine groups led to an increase in terms of pore size and a reduction regarding the specific surface area. The microscopy techniques allowed the visualization of the materials microstructure, showing large secondary particles, besides enabling the verification of the silica matrix around the CNTs. The adsorption tests revealed that the presence of CNTs led to a slight improvement in the adsorption properties of the adsorbents. Regarding volatile organic compounds (VOC), for the best materials, with xylene and benzene, high removal percentage rates were obtained (for benzene superior to 80% and for xylene higher than 90%), while for phenol a maximum of 30% was removed. For the pharmaceuticals, the best results were obtained for naproxen, with removal rates of up to 96.9 %, while for amoxicillin the best result was around 67% of removal. In a more in-depth study of the adsorption process, it was possible to conclude that the presence of CNTs improved the kinetic parameters (higher adsorption velocity), as well as the parameters of the adsorption isotherms (higher affinity between liquid phase and solid phase).