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Authors
Abstract(s)
This work deals with the development of carbon-coated magnetic cobalt ferrite nanoparticles as catalysts for the treatment of water containing Contaminants of Emerging Concern (CEC) by Catalytic Wet Peroxide Oxidation (CWPO), using paracetamol (PCM) as model pollutant. For this purpose, a magnetic core (CoFe2O4) is developed by the sol-gel method, the core is subsequently coated with a resin prepared from formaldehyde, resorcinol and tetraethyl orthosilicate (TEOS), and later carbonized by pyrolysis at 600 °C under a N2 atmosphere. Afterwards, the silica generated from TEOS is removed by etching with NaOH to create a void inside the particle, creating a yolk-shell shape denoted as CoFe2O4@void@C. XRD, TEM and FTIR analysis revealed that the uncoated core is composed by a CoFe2O4 cubic spinel structure with space group Fd-3m and a crystallite size of 53 nm, calculated using the W-H method, that matches very well with the average size observed by TEM equals to 53.51 4.2 nm. The average size of the nanoparticles for the hybrid coated ferrite increases to 58.7 8.1 nm. After the preparation of the catalysts, reaction runs were performed to assess its suitability for the degradation of PCM by CWPO. The concentration of paracetamol, hydrogen peroxide and Total Organic Carbon (TOC) were recorded against the reaction time. The performance of the CoFe2O4@void@C catalyst was compared to that of the uncoated ferrite, the CoFe2O4 and CoFe2O4@void@C materials allowing TOC values of 46 and 58% respectively at 24h. The hybrid coated ferrite succeeds in avoid iron leaching and to be a stable catalyst. The amount of leached iron at the end of the treatment was equal to 1.59 mg·L-1, which is within the limit concentration of 2 mg·L-1 of iron allowed in waters, as established EU regulations. A kinetic model was proposed describing the decomposition of hydrogen peroxide and the removals of the pollutant PCM and TOC with the CoFe2O4@void@C as catalyst, applying an empirical kinetic model composed of a second-order and an autocatalytic expression to describe the decomposition of H2O2 and PCM, respectively. The kinetic model for TOC can be well-described as a sum of the initial pollutant plus the oxidation intermediates from the PCM and the organic components that are refractory to the process.
Este trabalho trata do desenvolvimento de nanopartículas magnéticas de ferrita de cobalto revestidas com carbono como catalisadores para o tratamento de água contendo contaminantes de preocupação emergente por oxidação catalítica por peróxido úmido (CWPO), usando paracetamol (PCM) como poluente modelo. Para o efeito foi inicialmente sintetizado um núcleo magnético pelo método sol-gel, revestido de seguida com uma resina preparada a partir de formaldeído, resorcinol e tetraethyl orthosilicate (TEOS), posteriormente carbonizada por pirólise a 600 °C sob atmosfera de N2. Subsequentemente, a sílica gerada a partir de TEOS é removida com NaOH para criar um vazio entre o núcleo e o revestimento, criando uma estrutura de nanopartícula denominada de casca de gema, denotada como CoFe2O4@void@C. As análises de XRD, TEM e FTIR revelaram que o núcleo é composto por uma estrutura espinélica cúbica de CoFe2O4 com grupo espacial Fd-3m e tamanho de cristalito de 53 nm, calculado usando o método WH que corrobora com o tamanho médio observado por TEM igual a 53.51 4.2 nm. O tamanho médio das nanopartículas de ferrite recoberta aumentam para 58.7 8.1 nm. Os catalisadores preparados foram testados na degradação de PCM por CWPO. As concentrações de paracetamol, peróxido de hidrogénio e Carbono Orgânico Total (TOC) foram registradas em função do tempo de reação, sendo o desempenho do catalisador CoFe2O4@void@C comparado com o da ferrite não revestida. Os catalisadores CoFe2O4 e CoFe2O4@void@C alcançaram valores de TOC de 46 e 58% respectivamente, após 24h de reação. No ensaio realizado com a ferrite revestida observou-se uma lixiviação de ferro 1.59 mg·L-1, provando ser um catalisador estável, estando a quantidade de ferro no final do ensaio dentro da concentração limite de 2 mg·L-1 de ferro permitido em águas, como estabelecido pela legislação da União Europeia. Foi definido um modelo cinético que descreve a decomposição de peróxido de hidrogénio e as remoções do poluente PCM e de TOC, considerando o CoFe2O4@void@C como catalisador. Foi aplicado um modelo cinético empírico composto por uma expressão de segunda ordem e uma expressão autocatalítica para descrever a decomposição de H2O2 e PCM, respectivamente. O modelo cinético para a evolução de TOC pode ser bem descrito como a soma do poluente inicial mais os intermediários de oxidação do PCM e os componentes orgânicos refratários ao processo.
Este trabalho trata do desenvolvimento de nanopartículas magnéticas de ferrita de cobalto revestidas com carbono como catalisadores para o tratamento de água contendo contaminantes de preocupação emergente por oxidação catalítica por peróxido úmido (CWPO), usando paracetamol (PCM) como poluente modelo. Para o efeito foi inicialmente sintetizado um núcleo magnético pelo método sol-gel, revestido de seguida com uma resina preparada a partir de formaldeído, resorcinol e tetraethyl orthosilicate (TEOS), posteriormente carbonizada por pirólise a 600 °C sob atmosfera de N2. Subsequentemente, a sílica gerada a partir de TEOS é removida com NaOH para criar um vazio entre o núcleo e o revestimento, criando uma estrutura de nanopartícula denominada de casca de gema, denotada como CoFe2O4@void@C. As análises de XRD, TEM e FTIR revelaram que o núcleo é composto por uma estrutura espinélica cúbica de CoFe2O4 com grupo espacial Fd-3m e tamanho de cristalito de 53 nm, calculado usando o método WH que corrobora com o tamanho médio observado por TEM igual a 53.51 4.2 nm. O tamanho médio das nanopartículas de ferrite recoberta aumentam para 58.7 8.1 nm. Os catalisadores preparados foram testados na degradação de PCM por CWPO. As concentrações de paracetamol, peróxido de hidrogénio e Carbono Orgânico Total (TOC) foram registradas em função do tempo de reação, sendo o desempenho do catalisador CoFe2O4@void@C comparado com o da ferrite não revestida. Os catalisadores CoFe2O4 e CoFe2O4@void@C alcançaram valores de TOC de 46 e 58% respectivamente, após 24h de reação. No ensaio realizado com a ferrite revestida observou-se uma lixiviação de ferro 1.59 mg·L-1, provando ser um catalisador estável, estando a quantidade de ferro no final do ensaio dentro da concentração limite de 2 mg·L-1 de ferro permitido em águas, como estabelecido pela legislação da União Europeia. Foi definido um modelo cinético que descreve a decomposição de peróxido de hidrogénio e as remoções do poluente PCM e de TOC, considerando o CoFe2O4@void@C como catalisador. Foi aplicado um modelo cinético empírico composto por uma expressão de segunda ordem e uma expressão autocatalítica para descrever a decomposição de H2O2 e PCM, respectivamente. O modelo cinético para a evolução de TOC pode ser bem descrito como a soma do poluente inicial mais os intermediários de oxidação do PCM e os componentes orgânicos refratários ao processo.
Description
Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Keywords
Magnetic nanoparticles CWPO Paracetamol Yolk-shell