Nanotecnologia e o meio ambiente: Nanopartículas metálicas no

II Simpósio Paulista de Nanotecnologia, Bauru , SP.
Nanotecnologia e o meio ambiente: Nanopartículas metálicas no
tratamento de águas e solos contaminados por organoclorados
Eduardo M. Saccoccio1*(PQ), Camila P. M. Zeitune1(PQ), Sandra L. de Moraes1(PQ).
1
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT - Centro de Tecnologias Ambientais e
Energéticas(CETAE) – Laboratório de Resíduos e Áreas Contaminadas.
e-mail: [email protected]
Palavras-Chave: Compostos Orgânicos Halogenados, Nanoremediação, Nanopartículas Metálicas, Ferro.
Introdução
Tecnologias emergentes como a nanotecnologia
têm sido incorporadas às tecnologias ambientais
atualmente disponíveis, e pode ser aplicada para a
remediação de uma grande variedade de
contaminantes, promovendo reduções nos custos e
com
maiores
eficiências
de
remediação.
Recentemente,
houve
um
aumento
nos
investimentos em nanotecnologia para proteção
ambiental, utilizando-a principalmente na prevenção
da poluição e no tratamento e descontaminação de
1
áreas contaminadas .
Esta tecnologia apresenta uma série de
vantagens quando comparada aos métodos
tradicionais de remediação, no entanto, foram
realizados poucos estudos de avaliação dos seus
riscos ao ambiente, o que leva a algumas incertezas
sobre a utilização desse tipo de tratamento1.
Micro x Nanopartículas
Os primeiros estudos realizados com partículas
metálicas focavam na utilização de macro partículas
como base para a remediação química. Essas
macropartículas apresentavam como vantagem o
fato de serem facilmente obtidas e com menores
custos de produção. A partir dos resultados
apresentados, novos estudos foram realizados
centrados na utilização de menores tamanhos de
partículas, chegando, atualmente, ao uso de
-9
partículas na nanoescala (10 m). Um exemplo de
aplicação das micropartículas é na construção de
barreiras reativas permeáveis (BRPs), exemplificada
na Figura 1. Nesse método de tratamento a água
atravessa uma barreira constituída de uma mistura
de areia e metais (geralmente ferro), saindo tratada
pelo outro lado.
Remediação Por Materiais Metálicos
Estudos evidenciaram que alguns metais sofrem
corrosão acelerada devido à presença de
compostos orgânicos em meio aquoso, acarretando,
assim, a degradação desses contaminantes
(Tabela 1)2. A partir da análise desses
experimentos, novos estudos foram realizados com
o objetivo de desenvolver métodos de tratamento
mais eficazes.
Tabela 1. Metais utilizados no tratamento de
contaminantes.
Metais alcalinos
Outros metais
Sódio
Índio
Potássio
Silício
Estanho
Alcalino terrosos
Sistemas bimetálicos
Cálcio
Magnésio
Fe/Pd
Fe/Cu
Fe/Ni
Metais de transição
Fe/Si
Ferro
Mg/Pd
Níquel
Zinco
Vanádio
II Simpósio Paulista de Nanotecnologia, Bauru , SP.
Figura 1. Representação do funcionamento da
barreira reativa permeável.
Com relação às nanopartículas de ferro, além de
possuírem maiores taxas de descontaminação, elas
também apresentam outras vantagens: (1) as
partículas nanométricas de ferro são redutores
eficientes, e conseguem promover a redução de
uma grande quantidade de contaminantes; (2)
possuem uma grande área de contato que favorece
sua alta energia e reatividade superficial. (3) Por
possuírem um pequeno tamanho, apresentam uma
maior mobilidade, permanecendo em suspensão por
um longo período de tempo, dessa forma,
estabilizando uma maior zona de tratamento. Alem
II Simpósio Paulista de Nanotecnologia, Bauru , SP.
disso, (4) apresentam uma grande flexibilidade para
aplicações in situ e ex situ podendo ser injetadas
5,6
diretamente em solos contaminados (Figura 2) .
2) Por ser um forte agente redutor, o ferro atua na
redução de uma série de compostos (Tabela 2),
tornando-os menos tóxicos ou isentos de toxicidade.
A reação geral de redução de compostos orgânicos
halogenados é dada por4:
0
+
Fe + RX + H
Figura 2. Descontaminação de solo e água
subterrânea por injeção de nanopartículas7.
Ferro Zero Valente – Zero Valent Iron (ZVI)
Dentre
os
metais
utilizados
para
a
descontaminação, o mais estudado é o ferro zero
valente. Estudos comprovam sua no tratamento de
uma grande variedade de compostos, incluindo os
compostos orgânicos halogenados, metais pesados
e os compostos nitroaromáticos (Tabela 2). As
partículas de ferro vêm sendo alvo de muito
interesse ao longo das ultimas décadas, contudo
ainda são necessários estudos mais detalhados
sobre os fatores que influenciam a reatividade das
partículas e parâmetros que possam acelerar os
3
processos de degradação (Figura 3) .
Aspectos Gerais
1) O ferro é um agente redutor relativamente forte
com um potencial padrão de oxi-redução de -0,440V
em relação ao eletrodo de hidrogênio.
25a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química - SBQ
-
Tabela 2. Lista de contaminantes tratados por
nanopartículas de ferro.
Metano clorados
Trihalometanos
Tetracloreto de carbono Bromofórmio
Clorofórmio
Dibromoclorometano
Dibromoclorometano
Diclorobromometano
Clorometano
Etano Clorados
Benzeno clorados
Tetracloroeteno
Hexaclorobenzeno
Tricloroeteno
Pentaclorobenzeno
cis-Dicloroeteno
Tetraclorobenzeno
trans-Dicloroeteno
Triclorobenzenos
1,1-Dicloroeteno
Diclorobenzenos
Cloreto de vinila
Clorobenzeno
Outros Policlorados
Pesticidas
Hidrocarbonetos
DDT
PCB’s
Lindano
Pentaclorofenol
1,1,1-Tricloroetano
Dioxinas
Corantes orgânicos
Alaranjado II
Chrysoidin
Outros Contaminantes
Tropaeolin O
Orgânicos
Laranja ácido
N-nitrosodioetilamina
Vermelho ácido
TNT
Metais Pesados
Mercúrio
Níquel
Cádmio
Chumbo
Cromo
Figura 3. Esquema ilustrativo das reações de
descontaminação
de
metais
posados
e
3
organoclorados por ferro metálico .
+
Fe² + RH + X
Anions Inorgânicos
Perclorato
Nitrato
Dicromato
Arsenato
3) Os mecanismos de reação mais aceitos
atualmente para a redução de compostos orgânicos
halogenados foram propostos por MATHESON e
TRATNYEK (1994): na primeira rota (A) a
desalogenação ocorre pela transferência direta de
elétrons da superfície do metal para o composto
organoclorado adsorvido na superfície da partícula.
Na segunda rota (B) a reação ocorre a partir da
redução do organoclorado pelo Fe2+ gerado no
processo de corrosão do ferro metálico e na terceira
rota (C) há a hidrogenação do poluente pelo H2 em
condições anaeróbias (Figura 4).
2
II Simpósio Paulista de Nanotecnologia, Bauru , SP.
Conclusões
Figura 4. Representação das três rotas básicas de
desalogenação de compostos organoclorados.
Sistemas bi-metálicos
Apesar das boas eficiências de reação
apresentadas pelas nanopartículas, novos estudos
foram realizados na busca por partículas ainda mais
eficientes. Neste contexto surgem os sistemas bimetálicos. São várias as combinações de metais
que podem ser exploradas para remediação
ambiental (Tabela 1). O princípio fundamental
dessas partículas se baseia principalmente na
utilização de um metal “base”, que será consumido
para promover a degradação do contaminante, e
outro metal associado, que age como "promotor" ou
parceiro catalítico, que não é consumido, de forma a
maximizar a velocidade e a eficiência da reação
8
(Figura 5) . A partir dessas combinações metálicas é
possível obter melhores resultados, de forma mais
rápida e com a formação de sub produtos menos
nocivos.
Figura 5. Exemplo de sistema
nanopartículas de ferro e paládio.
A nanoremediação implica na utilização de
nanopartículas metálicas no tratamento de áreas
contaminadas. Estes metais por possuírem algumas
propriedades
características
(como
suas
propriedades redutivas, por exemplo) promovem a
atenuação dos poluentes. Devido seu pequeno
tamanho, os nanomaterias podem ser injetados
diretamento nos solos contaminados, não sendo
necessário o bombeamento de águas ou a remoção
de solo para realização dos tratamentos
necessários.
Por serem eficazes a uma grande variedade de
contaminantes há uma grande possibilidade dos
métodos de nanoremediação substituírem os
tradicionais métodos de descontaminação. Porém,
ainda não são muito bem compreendidos os seus
potenciais riscos ao meio ambiente e sua
ecotoxicidade, o que tem restringido sua aplicação.
Apesar destes problemas apresentados, a
nanoremediação continua sendo uma área de muito
interesse, já que promove maiores eficiências de
descontaminação em menores tempos de aplicação.
Sendo assim, cabe apenas a realização estudos
mais detalhados sobre seus impactos ao ambiente
antes de sua utilização em uma grande área
contaminada.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao BNDES – Banco Nacional
de Desenvolvimento Econômico e Social – pelo
auxílio financeiro.
____________________
1
Karn, B., Kuiken, T., Otto, M., Environmental Health
Perspectives. 2009, 117, 1823.
2
Gillham, R.W. e O’Hannesin, S.F., Ground Water, 1994, 32,
958.
3
Agrawal, A. e Tratnyek P.G., Environmental Science
Technology, 1996, 30, 153.
4
Elliot, D.W., Lian H. L. e Zhang, W.X., J. Environ. Qual., 2008,
37, 2192.
5
Elliot, D.W. e Zhang, W.X., Environmental Science Technology,
2001, 35, 4922.
6
Li, X. Q., Elliott, D. W. e Zhang, W. X., Critical Reviews in Solid
State and Materials Sciences, 2006, 31, 111.
7
Zhang, W., Journal of Nanoparticle Research, 2003, 5, 323.
8
Nagpal, V., Bokare A.D., Chikate, R.C., Rode, C.V. e Paknikar,
K.M. journal of Hazardous Materials, 2010, 175, 680.
bi-metálico:
25a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química - SBQ
3