Recovery of technology-critical elements using a graphene based nanocomposite

• Autor(a) principal: Afonso, Elisabete Luís
• Data de Publicação: 2017
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: eng
• Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10773/22404
• topic: Engenharia química; Separação (Tecnologia); Adsorção; Grafeno; Metais de terras raras - Recuperação; Materiais nanocompósitos

Os Elementos terras raras (ETR), inseridos no grupo dos elementos críticos de tecnologia, são definidos pela nomenclatura IUPAC como os 15 lantanídeos em conjunto com o ítrio e o escândio. Devido às suas propriedades únicas, os ETR podem ser utilizados em inúmeras aplicações de cariz tecnológico, o que tem contribuído para um aumento contínuo da sua procura. No entanto, a sua extração e processamento é um processo difícil e dispendioso, causando diversos problemas ambientais. Nesse contexto, uma alternativa, mais económica e amiga do ambiente ao atual processo de obtenção dos ETR, poderá passar pela sua recuperação de efluentes e rios, através de processos de separação, nomeadamente adsorção (e/ou permuta iónica). Esta técnica é bastante versátil, eficiente, simples e bastante adaptável. Nos últimos anos, o grafeno bidimensional, um dos mais recentes tipos de nanoestruturas de carbono, tem sido amplamente explorado numa vasta gama de aplicações. No entanto, o seu uso como adsorvente para recuperação de ETR tem sido pouco investigado. Por outro lado, os materiais magnéticos apresentam propriedades físicas e químicas únicas, com especial foco na química de superfície. Aproveitando os benefícios do grafeno e das nanopartículas de magnetite, nesta dissertação de mestrado será abordada uma estratégia simples, baseada em interações electroestáticas, para preparação de um nanocompósito magnético à base de grafeno (MG-bN). Após a síntese, o nanocompósito foi estudado como adsorvente para a remoção de três dos mais importantes ETR, lantânio (La(III)), európio (Eu(III)) e térbio (Tb(III)), em soluções aquosas mono elementares e ternárias através de experiências em descontínuo. Os resultados revelaram que a adsorção de La(III), Eu(II) e Tb(III) pelo nanocompósito é muito sensível ao pH da solução e, as maiores percentagens de remoção ocorrem para valores de pH alcalinos. O nanocompósito em estudo apresenta uma rápida e elevada eficiência de adsorção, sendo que uma hora é suficiente para remover 82 % de Tb(III), 73 % de Eu(III) e 59 % de La(III) em soluções mono elementares com uma concentração inicial de 0.1 mg L-1 e utilizando apenas 50 mg L-1 de MG-bN. Já para soluções ternárias, a eficiência de remoção é um pouco mais baixa (30-58 %). A cinética do processo de adsorção foi estudada usando três modelos cinéticos, nomeadamente os modelos de pseudo-primeira e pseudo-segunda ordem bem como o modelo de Elovich. O modelo de pseudo-segunda ordem foi o que apresentou um melhor ajuste aos valores experimentais para soluções mono elementares (R2 > 0.99 e AARD < 5 %). Para soluções ternárias tanto o modelo de pseudo-segunda ordem como o de Elovich ajustam bem os dados experimentais (R2 > 0.99 e AARD < 6%). Em todos os ensaios efetuados, o equilíbrio de adsorção foi ajustado pelo modelo de Langmuir e pelo modelo de Freundlich. A capacidade estimada do MG-bN para os elementos em estudo é maior em comparação com os valores relatados na literatura para outros adsorventes já estudados na recuperação dos mesmos elementos. A aplicação do MG-bN para a adsorção de lantânio, európio e térbio a partir de soluções aquosas confirma que este nanocompósito tem potencial para ser usado em sistemas de recuperação de elementos terras raras.