Estudo da aplicabilidade de diferentes semicondutores baseados em ferritas magnéticas na degradação de poluentes emergentes

dc.contributor.advisor1Tiburtius, Elaine Regina Lopes
dc.contributor.advisor1IDUniversidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG)pt_BR
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8045475531172080pt_BR
dc.contributor.instituicao-banca1Universidade Estadual do Centro Oeste (UNICENTRO)pt_BR
dc.contributor.instituicao-banca2Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)pt_BR
dc.contributor.instituicao-banca3Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG)pt_BR
dc.contributor.instituicao-banca4Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG)pt_BR
dc.contributor.referee1Castro, Eryza Guimarães de
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6638593692685109pt_BR
dc.contributor.referee2Rodrigues, Márcio Barreto
dc.contributor.referee2Latteshttps://lattes.cnpq.br/8746211266449774pt_BR
dc.contributor.referee3Pinheiro, Luís Antônio
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/3497307186044440pt_BR
dc.contributor.referee4Campos, Sandro Xavier de
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/6581464833073464pt_BR
dc.creatorBenetti, Caroline Nocêra
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/8781266801608515pt_BR
dc.date.accessioned2025-07-03T15:48:53Z
dc.date.accessioned2026-06-30T14:20:22Z
dc.date.available2025-07-03T00:00:00Z
dc.date.available2025-07-03T15:48:53Z
dc.date.issued2025-02-25
dc.description.abstractThe increase in emerging organic pollutants has grown significantly in recent years, making effective treatment methods increasingly necessary for environmental remediation. One promising alternative is the application of Advanced Oxidation Processes (AOPs), such as heterogeneous photocatalysis, which utilizes materials like semiconductors to enhance the degradation of organic compounds. This study presents the synthesis and characterization of various semiconductors for the degradation of the dye Tartrazine and the pollutant Caffeine, through photocatalytic activity assays. Among the materials investigated were iron-based spinels (NiFe2O4, CuFe2O4, and MnFe2O4), synthesized via the co-precipitation method. Another evaluated semiconductor was graphitic carbon nitride (g-CNx), obtained by thermal condensation. The composition, structure, and morphology of the synthesized materials were analyzed using XRD, FTIR, SEM-FEG, XRF, UV-Vis, and HPLC techniques. The photocatalysts were applied to the degradation of Tartrazine, while only the heterojunction- based material was used for Caffeine, a widespread contaminant and water quality marker. Photocatalytic efficiency was assessed by monitoring UV-Vis absorption spectra (λ = 430 nm for Tartrazine and λ = 260 nm), with complementary caffeine analysis performed by high- performance liquid chromatography (HPLC) at 273 nm. Among the tested ferrites, nickel ferrite (NiFe2O4) demonstrated the highest efficiency and was selected for process optimization using a factorial experimental design. Under optimal conditions, Tartrazine degradation reached 95.58% at 430 nm and 89.08% at 260 nm, corresponding to azo and aromatic group degradation, respectively. The g-CNx semiconductor also exhibited high degradation rates. To improve photocatalytic activity, heterojunctions of NiFe2O4/g-CNx and NiFe2O4/biochar were prepared by electrostatic aggregation and evaluated in different ratios. The 75:25% NiFe2O4/g- CNx heterojunction showed the best performance, achieving 99.65% degradation at 430 nm and 90.33% at 260 nm in just 30 minutes at pH 6–7. The NiFe2O4/biochar heterojunction also achieved a high contaminant removal rate of approximately 85%. In order to reduce energy consumption and reaction time, different oxidants such as hydrogen peroxide and sodium persulfate were tested in the reaction medium, achieving Tartrazine removal rates of around 99% within 20 minutes. Subsequent studies included reaction kinetics, photolysis, adsorption, and reuse of the semiconductors. Reusability was facilitated by the magnetic properties of nickel ferrite, with high removal rates maintained after four reuse cycles. Moreover, the use of oxidants significantly reduced electrical energy consumption, lowering operational costs. Finally, using a LED light source instead of a mercury vapor lamp yielded comparable degradation efficiency with notably lower energy costs. These findings support the development of more sustainable treatment technologies by integrating energy-efficient approaches and renewable materials for the removal of emerging contaminants.pt_BR
dc.description.resumoO aumento de poluentes orgânicos emergentes vem crescendo nos últimos anos e formas de tratamento são cada vez mais necessárias para remediação. Recentemente, uma alternativa tem sido os Processos Oxidativos Avançados, por exemplo, a fotocatálise heterogênea que utiliza materiais como semicondutores, visando aumentar a eficiência de degradação de poluentes orgânicos. O presente trabalho mostra estudos de síntese e caracterização de diferentes semicondutores na degradação do corante Tartrazina e Cafeína, utilizando estudos de atividade fotocatalítica de diferentes semicondutores, como os espinélios de Ferro (NiFe2O4, CuFe2O4 e MnFe2O4) obtidos pelo método de co-precipitação. Outro semicondutor também caracterizado e avaliado quanto à sua atividade fotocatalítica foi o g-CNx sendo esse obtido pelo método da condensação térmica. Dos semicondutores, foram avaliados a composição, estrutura e morfologia foram avaliadas por meio de técnicas de DRX, FTIR, MEV- FEG, FRX, UV-Vis, CLAE. Os fotocatalisadores sintetizados foram aplicados na degradação do corante modelo Tartrazina, enquanto apenas o material obtido por meio da formação de heterojunção foi empregado na degradação da cafeína, contaminante amplamente utilizado como marcador de poluição em corpos hídricos. A avaliação da eficiência fotocatalítica foi realizada por meio do monitoramento dos espectros de absorção na região do UV-Vis (λ = 430 nm para a Tartrazina e λ = 260 nm), sendo a análise da cafeína complementada por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), com detecção a 273 nm. Entre as ferritas, a que se mostrou mais eficiente foi a de níquel, sendo essa a escolhida para otimização do processo através do planejamento fatorial de experimentos. Os resultados nas condições ótimas mostraram alta porcentagem de degradação para o corante, 95,58% e 89,08% em 430 nm e 260 nm, correspondente aos grupamentos azo e grupos aromáticos, respectivamente. O semicondutor g-CNx também apresentou alta taxa de degradação. Desta forma, a fim de se obter um material com boa atividade fotocatalítica, avaliou-se o desempenho de heterojunções de NiFe2O4/g-CNx e NiFe2O4/ biochar, em diferentes proporções. A técnica utilizada para obtenção da heterojunção foi a de agregação pela diferença de cargas superficiais. Os resultados mostraram que a heterojunção mais eficiente foi com a proporção 75:25% NiFe2O4/g-CNx em 30 minutos de reação em pH 6-7. As porcentagens de degradação foram 99,65% em 430 nm e 90,33% em 260 nm. E para a heterojunção com biochar, obteve- se uma alta absorção do contaminante, cerca de 85%. Ainda com objetivo de diminuir o tempo gasto de energia requerida no processo, diferentes oxidantes foram empregados no meio reacional, o peróxido de hidrogênio e o persulfato de sódio, onde obteve-se em 20 minutos de reação alta taxa de remoção do corante Tartrazina, cerca de 99%. Após os experimentos para avaliar a eficiência na degradação do corante, foram realizados estudos cinéticos das reações, ensaios de fotólise, adsorção e reutilização dos semicondutores. O reuso é facilitado pelas propriedades magnéticas presentes na ferrita de níquel. Assim, observou-se alta taxa de remoção mesmo após quatro ciclos. Analisando o uso dos oxidantes foi possível obter uma energia elétrica requerida menor na presença desses, acarretando menor custo de energia. O uso da lâmpada de LED em comparação à lâmpada de vapor de mercúrio mostrou uma porcentagem de degradação próxima, no entanto o custo de energia com a lâmpada de LED foi consideravelmente menor. Desta forma, os resultados mostraram que esses catalisadores vêm como alternativa à demanda de energia e uso de energias renováveis contribuindo com o desenvolvimento de processos de tratamento mais sustentáveis.pt_BR
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológicopt_BR
dc.identifier.citationBENETTI, Caroline Nocêra. Estudo da aplicabilidade de diferentes semicondutores baseados em ferritas magnéticas na degradação de poluentes emergentes. 2025. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2025.pt_BR
dc.identifier.urihttps://ri.uepg.br/handle/123456789/3005
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Estadual de Ponta Grossapt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentDepartamento de Químicapt_BR
dc.publisher.initialsUEPGpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Químicapt_BR
dc.relationBolsista CNPqpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectFotocatálise Heterogêneapt_BR
dc.subjectFerritas magnéticaspt_BR
dc.subjectNitreto de Carbono Grafíticopt_BR
dc.subjectBiocharpt_BR
dc.subjectHeterojunçõespt_BR
dc.subjectOxidantespt_BR
dc.subjectProcessos Oxidativos Avançadospt_BR
dc.subject.cnpqQuímicapt_BR
dc.titleEstudo da aplicabilidade de diferentes semicondutores baseados em ferritas magnéticas na degradação de poluentes emergentespt_BR
dc.typeTesept_BR

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