Development and synthesis of lanthanum-based perovskite-type catalysts for phenol removal from contaminated water under dark conditions

Abstract

Nas últimas décadas, a crescente contaminação industrial de corpos d'água tem sido abordada por diversas técnicas de remediação, uma vez que águas contaminadas afetam a segurança, bem-estar e equilíbrio da sociedade. Métodos como Ultrassom, Ozônio e Fotocatálise são exemplos de Processos Oxidativos Avançados (POAs) utilizados na manipulação de contaminantes em meio aquático, no entanto, tais métodos possuem limitações quanto à sua aplicabilidade e desempenho. Perovskitas, por sua vez, são óxidos metálicos coordenados na fórmula ABO3, onde A é um metal alcalino terra-rara, B é um metal de transição e O é um óxido. As perovskitas, portanto, são metálicos porosos obtidos com elevado potencial oxidativo, os quais não são evidentes de transferências de reagentes e outras formas de energia de ativação para promover a manipulação eficaz destes contaminantes. O processo de manipulação pelas perovskitas é iniciado pela atração e adsorção dos contaminantes presentes no meio para a sua superfície, transferindo-se para a oxidação dos contaminantes à substância menos nocivas, devido à sua superfície altamente superficial. Deste modo, o interesse no desenvolvimento de tecnologias alternativas de remediação de águas contaminadas utilizando-se as perovskitas têm crescido consideravelmente, visto sua aplicabilidade, características, desempenho, métodos de riqueza, estruturas cristalinas obtidas e elevado potencial de oxidação. Tais atributos refletem a capacidade das perovskitas na manipulação de contaminantes em diversos meios aquáticos por meio de processos oxidativos avançados e catálise heterogênea. Neste trabalho, portanto, as complicações do tipo perovskita (ABO3) com estrutura baseada em Lantânio foram sintetizadas por meio do método Sol-Gel e rota EDTA-Citrato, com etapas de calcinação de até 1000?C. Os Ferro metais, Titânio e Níquel foram incluídos na formulação das perovskitas e tiveram como objetivo a verificação de diferenças no desempenho de manipulação do contaminante-alvo deste estudo, o Fenol. Os ensaios preliminares de manipulação de Fenol foram realizados com as perovskitas LaFeO3 (LFO), LaTiO3 (LTO) e LaNiFeO3 (LNFO), em condições escuras, pressão atmosférica, e temperatura ambiente, sem a adição de reagentes de ativação. Variações no período de duração dos experimentos preliminares também foram empregadas. Nestes testes, a performance de manipulação dos exercícios testados foi feita por meio de método desenvolvido para HPLC. Nos resultados preliminares, a perovskita LaNiFeO3 é destacada, observando-se uma manipulação total de aproximadamente 50% da concentração inicial de Fenol. Esses resultados serviram de seleções de seleção para o aprofundamento de estudos na perovskita LNFE, e diferentes temperaturas de calcinação e condições de ensaio foram testadas para a perovskita. Dessa forma três perovskitas distintas do LNFE foram submetidas a outros dois ensaios de manipulação sendo o primeiro em condições escuras e temperatura e pressão ambientes, e o segundo em condições escuras e pressão ambiente, porém com temperatura de 60?C. Os resultados obtidos demonstraram uma eficiência de manipulação de Fenol de aproximadamente 60% no primeiro teste, e 80% no segundo teste. Análises de caracterização (MEV, EDS, DRX, BET, FTIR e ZETA) foram realizadas nas três perovskitas LNFE sintetizadas e discutidas. Finalmente, conclui-se que os materiais sintetizados neste estudo podem ser considerados como promessas no tratamento de águas contaminadas por Fenol, bem como que a temperatura de síntese e de ensaios de manipulação influenciam significativamente no desempenho do tratamento.

Abstract: In recent decades, the increasing industrial contamination of water bodies has been addressed by various remediation techniques, since contaminated water affects the safety, well-being, and balance of society. Methods such as Ultrasound, Ozone, and Photocatalysis are examples of Advanced oxidation processes (AOPs) used in the degradation of contaminants in aqueous media, however, such methods have limitations regarding their applicability and performance. Perovskites are metal oxides coordinated in the ABO3 formula, where A is a rare-earth alkali metal, B is a transition metal, and O is an oxide. Perovskites, therefore, are stable porous metal catalysts with high oxidative potential, which do not require a combination of reactants and other forms of activation energy to promote the effective degradation of these contaminants. The degradation process conducted by perovskites is initiated by the attraction and adsorption of the contaminants present in the medium to its surface, proceeding to the oxidation of these contaminants to less harmful substances, due to its highly charged surface. Thus, the interest in the development of alternative technologies for remediation of contaminated water using perovskites has grown considerably, due to their applicability, versatility, performance, synthesis methods, stable crystal structures and high oxidation potential. Such attributes reflect the ability of perovskites to degrade contaminants in various aqueous media through advanced oxidation processes and heterogeneous catalysis. In this work, therefore, perovskite (ABO3) catalysts with lanthanum-based structure were synthesized by means of the Sol-Gel method and EDTA-Citrate route, with calcination steps of up to 1000 ?C. The metals Iron, Titanium and Nickel were included in the formulation of the perovskites and aimed to verify differences in the degradation performance of the target contaminant of this study. the Phenol. Preliminary phenol degradation assays were performed with LaFeO3 (LFO), LaTiO3 (LTO) and LaNiFeO3 (LNFO) perovskites, under dark conditions, atmospheric pressure, and room temperature, without the addition of activation reagents. Variations in the duration of the preliminary experiments were also employed. In these tests, the degradation performance of the catalysts was made by means of a method developed for HPLC. In the preliminary results, the perovskite LaNiFeO3 stood out, observing a total degradation of approximately 50% of the initial phenol concentration. These results served as a selection criterion for further studies on LNFE perovskite, and different calcination temperatures and test conditions were tested for perovskite. Thus, three different LNFE perovskites were subjected to two other degradation tests, the first in dark conditions and ambient temperature and pressure, and the second in dark conditions and ambient pressure, but with a temperature of 60 ?C. The results obtained demonstrated a phenol degradation efficiency of approximately 60% in the first test, and 80% in the second test. Characterization analyses (MEV, EDS, DRX, BET, FTIR and ZETA) were performed on the three LNFE perovskites synthesized and discussed. Finally, the author concludes that the materials synthesized in this study can be considered as promising in the treatment of water contaminated by Phenol, as well as that the synthesis temperature and degradation tests significantly influence the treatment performance.