Materiais energeticamente eficientes para incorporação em sistemas de fotocatálise para remoção de poluentes

Abstract

Em 2010, a Assembleia Geral das Nações Unidas reconheceu o acesso a água potável e segura como um direito humano. No entanto, a vida e a saúde de milhões de pessoas, sobretudo em países em desenvolvimento, pode ser prejudicada por motivos relacionados com a contaminação da água. Atualmente, os poluentes emergentes têm ganho destaque e, entre deles, os fármacos e os metais pesados são dos mais preocupantes, devido ao seu uso extensivo na vida quotidiana, e aos elevados graus de toxicidade, respetivamente. Apesar dos enormes benefícios oferecidos, os processos de tratamento de água convencionais são ineficientes na remoção de diversos poluentes. Novos conceitos, como fotocatálise, adsorção e tecnologia baseada em membranas, têm-se revelado capazes de remover estes poluentes com elevada eficiência e com processos energeticamente sustentáveis. Nesta dissertação foi desenvolvido um tricompósito multifuncional que permite combinar dois processos de tratamento de água. Nanopartículas de Au/TiO2 e Y2 (CO3 )3 foram imobilizadas num substrato de fluoreto-co-hexafluoropropileno de polivinilideno (PVDF-HFP), foi realizada a caracterização dos materiais e testada a sua eficiência na remoção de poluentes. Obteve-se uma funcionalização eficaz do TiO2 com nanopartículas de ouro de tamanho médio de 1,5 nm, dotando-o com a capacidade de absorver radiação visível. As membranas apresentaram uma estrutura porosa favorável, com um tamanho de poro de 4 µm, e a imobilização das nanopartículas não alterou as propriedades físicas e químicas da membrana polimérica. Este tricompósito obteve resultados positivos nos vários testes realizados, com eficiências de 57% na degradação de norfloxacina (5 mg/L) sob radiação ultra-violeta durante 120 minutos, 80% sob radiação visível durante 300 minutos, e 58% na adsorção de arsénio (100 mg/L), durante 240 minutos. Os gastos energéticos dos processos mais dispendiosos, adsorção (4,1 kWh) e fotocatálise sob radiação visível (5,7 kWh) podem ser mitigados pela multifuncionalidade do tricompósito e utillização de luz solar natural. A multifuncionalidade foi comprovada, e a bem-sucedida imobilização de nanopartículas possibilita a reutilização do tricompósito. A elevada eficiência fotocatalítica sob radiação visível possibilita a utilização de luz solar natural. Estas membranas representam uma nova plataforma para a remoção de diversos poluentes que pode, futuramente, permitir a sua incorporação em sistemas de tratamento de água com mais eficiência e menos gastos energéticos, e facilitar o tratamento de água em países em desenvolvimento.

In 2010, the United Nations General Assembly recognised the access to clean and safe water as a human right. However, water contamination affects the health and lifes of millions of people, especially in developing countries. Emerging pollutants are currently gaining prominence, whereas pharmaceuticals and heavy metals are the most concerning because of their extensive use in daily life, and their high levels of environmental toxicity, respectively. Despite the benefits offered by conventional water treatment processes, these are inefficient in the removal of numerous pollutants. New concepts, such as photocatalysis, adsorption and membrane-based technologies, have shown to be able to remove these pollutants with high efficiency and energy-efficient processes. The focus of this work lies on the production of a multifunctional material that enables the combination of two different water remediation processes. For this purpose, Au/TiO2 and Y2(CO3)3 nanoparticles were immobilised on a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) substrate, and the characterisation of these materials was performed, as well as the pollutant removal efficiency tests. An efficient TiO2 functionalization with gold nanoparticles (1.5 nm) was achieved, endowing these particles with the ability to absorb visible radiation. Concerning the membranes, a favourable pore structure for this type of application was obtained, with a pore size of 4 µm, and the nanoparticles immobilisation did not alter the physical and chemical properties of the polymeric membrane. Positive results were obtained in the several tests performed by the tricomposite, presenting an efficiency of 57% in the degradation of norfloxacin (5 mg/L) under ultraviolet radiation for 120 minutes, 80% under visible radiation for 300 minutes, and 58% in arsenic adsorption for 240 minutes. Energy consumption values of the two most intense processes, adsorption (4,1 kWh) and photocatalysis under visible radiation (5,7 kWh) can be mitigated by the multifunctionality of the tricompose and the use of natural solar radiation. Therefore, the multifunctionality of the produced membranes has been proven, and the reutilization of the tricomposite is possible due to the immobilized nanoparticles successful photocatalysis and adsorption. Also, the high photocatalytic efficiency obtained under visible radiation enables the use of this process with natural solar radiation. These membranes represent a new platform for the removal of several pollutants, which may allow their incorporation in more efficient and less energy-consuming water treatment processes and favour water treatment in developing countries with low energy resources.