Nanocompósito de quitosana funcionalizada com aminosilano para adsorção do corante alaranjado de metila

Abstract

Os corantes sintéticos persistem no meio ambiente durante longos períodos, causando efeitos negativos à fauna e à flora. O alto custo e a baixa sustentabilidade associados aos métodos convencionais de remoção desses compostos têm motivado a busca por alternativas mais econômicas e ambientalmente corretas. Neste trabalho de conclusão de curso, foi realizada a síntese e a caracterização de um nanocompósito de quitosana funcionalizada com aminosilano contendo nanopartículas de magnetita e prata, visando a adsorção do corante aniônico alaranjado de metila. A funcionalização do polímero com o aminosilano teve como objetivo aumentar o número de sítios ativos NH2, favorecendo o processo de adsorção do corante aniônico. A incorporação de nanopartículas de magnetita permitiu a recuperação do material por meio de um campo magnético externo, enquanto as nanopartículas de prata contribuíram para a prevenção da formação de biofilmes que comprometem o processo de adsorção em meio aquoso. O nanocompósito foi obtido a partir da magnetita sintetizada pelo método de coprecipitação química, seguida da sua inserção a uma matriz de quitosana funcionalizada com N-[3-(trimetoxisilil)propil]etilenodiamina, em meio coloidal contendo as nanopartículas de prata dispersas. As caracterizações físico-químicas confirmaram o sucesso da funcionalização na quitosana, gerando um nanocompósito com maior quantidade de nanopartículas de prata, tamanho médio de partícula em torno de 130 nm e superfície mais irregular, contribuindo para o ancoramento do corante. A modificação com o silano também promoveu uma mudança do pH no ponto de carga zero , favorecendo a interação eletrostática entre o nanocompósito e o corante, resultando em uma remoção > 99%, enquanto que para o nanocompósito não funcionalizado este percentual foi de 6,3%, nas condições de: 10 mL de MO com 35 mg L-1, 10 mg de massa, pH = 6,0, 180 min e 100 rpm. Os estudos de cinética indicaram que o processo segue um modelo de pseudo-segunda ordem, enquanto o equilíbrio sugere um comportamento misto, com contribuição de 46% de Langmuir e 54% de Freundlich, com capacidade máxima de adsorção de 102 mg g-1. Os parâmetros termodinâmicos indicaram que a adsorção ocorre de forma espontânea, acompanhada de uma redução na entropia devido à organização das moléculas de corante na superfície do adsorvente. A alta complexidade na composição dos nanocompósitos modificado promoveu um mecanismo conjunto de fisissorção e quimissorção, que foi favorecido em pH 4,0 à 6,0, pela protonação dos grupos NH2. Por fim, o nanocompósito apresentou potencial de reutilização, mantendo 61% de eficiência de remoção no segundo ciclo de uso.

Synthetic dyes persist in the environment for long periods, causing harmful effects on ecosystems and living organisms. The high cost and low sustainability associated with conventional methods for removing these compounds have motivated the search for more economical and environmentally friendly alternatives. In this work, a nanocomposite based on chitosan functionalized with an aminosilane and containing magnetite and silver nanoparticles was synthesized and characterized for the adsorption of the anionic dye methyl orange. The functionalization of the polymer with aminosilane was intended to increase the number of amine active sites, enhancing the adsorption process of the anionic dye. The incorporation of magnetite nanoparticles enabled the recovery of the material upon application of an external magnetic field, while the silver nanoparticles contributed to preventing biofilm formation, which can hinder adsorption in aqueous media. The nanocomposite was obtained from magnetite synthesized by the chemical co-precipitation method, followed by its incorporation into a chitosan matrix functionalized with N-[3-(trimethoxysilyl)propyl]ethylenediamine, in a colloidal medium containing dispersed silver nanoparticles. Physicochemical characterizations confirmed the successful functionalization of chitosan, resulting in a nanocomposite with a higher content of silver nanoparticles, an average particle size of approximately 130 nm, and a more irregular surface, which contributed to dye anchoring. The silane modification also promoted a shift in the pH at the point of zero charge, favoring electrostatic interactions between the nanocomposite and the dye, resulting in a removal efficiency greater than 99%, whereas the non-functionalized nanocomposite achieved only 6.3% removal under the following conditions: 10 mL of methyl orange at 35 mg L-1, adsorbent mass of 10 mg, pH = 6.0, contact time of 180 min, and agitation speed of 100 rpm. Kinetic studies indicated that the adsorption process follows a pseudo-second-order model, while equilibrium data suggested a mixed behavior, with contributions of 46% from the Langmuir model and 54% from the Freundlich model, and a maximum adsorption capacity of 102 mg g-1. Thermodynamic parameters indicated that adsorption occurs spontaneously and is accompanied by a decrease in entropy due to the organization of dye molecules on the adsorbent surface. The high compositional complexity of the modified nanocomposite promoted a combined mechanism of physisorption and chemisorption, which was favored in the pH range of 4.0 to 6.0 due to the protonation of NH2 groups. Finally, the nanocomposite exhibited potential for reuse, maintaining 61% removal efficiency in the second adsorption cycle.