Ferrita de cobalto reciclada de baterias de íon-Li exauridas e de rejeitos da mineração de ferro: síntese, caracterização e suas aplicações

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Almeida, Jenifer Rigo
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)
Texto Completo: http://repositorio.ufes.br/handle/10/17058
Resumo: The objective of this work is to develop solutions for two possible environmental impacts associated with spent Li-ion batteries (LiBs) and reject from iron ore tailing (IOT) from the Mariana environmental accident (Minas Gerais, Brazil). The chemical characterization of starting materials (waste from active cathode material and reject) by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP OES) and flame atomic absorption spectrometry (FAAS) showed a recyclable potential of 45.22 ± 0.22 % (w/w) cobalt in LiB and 14.9 ± 1.5 % (w/w) iron in the raw reject from mining. Cobalt ferrites (CoFe2O4−recycled) were produced from recycled Co and Fe by the sol-gel method, which was characterized by X-ray diffraction (XRD). The average crystallite size determined by the Scherrer Equation was 54.4 nm. Scanning electron microscopy (SEM) analysis showed the formation of almost homogeneous large crystalline agglomerates. Energy-dispersive spectroscopy (EDS) performed elemental mapping and showed a mass percentage of 5.65 ± 0.18% (w/w) Co and 13.46 ± 0.38% (w/w) Fe. Co ferrites were applied as catalysts in heterogeneous photo Fenton-type reactions using solar radiation for methylene blue (MB) dye discoloration and as an electrochemical sensor for ascorbic acid. For solar photoFenton heterogeneous reactions, 20.0 mg of catalyst, 0.03 mol.L-1 H2O2, and 50.0 mL of 30.0 mg.L-1 MB dye solution at pH 3.0 were used under solar radiation. CoFe2O4−recycled proved to be an efficient catalyst for methylene blue dye discoloration, with a discoloration efficiency of 95.04 % in just 75 minutes. The pseudo-first-order reaction kinetics were adjusted with a velocity constant of 4.0560 10-2 min -1 and a correlation coefficient of 0.9909. The final disposal solution after catalysis was appropriate for disposal regarding the evaluated inorganic parameters. Since the elements of Al, Co, and Li pose no risks and iron remained below the limit of quantification, Mn, Ni, and Zn, which are regulated elements, were not detected in the final solution. The use of solar radiation during the experimental procedure promoted energy savings. CoFe2O4−recycled presented excellent electrochemical performance. Its use as an electrochemical sensor with a modified working electrode showed an anodic peak at 0.509 V for the oxidation of ascorbic acid (AA) to dehydroascorbic acid, showing an excellent linear correlation between the AA concentration and the current, with a coefficient of 0.9987. This recycled material demonstrated efficiency in two different applications: in the remediation of environmental problems, such as the disposal of textile effluents, and in the use as an electrochemical sensor.
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The chemical characterization of starting materials (waste from active cathode material and reject) by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP OES) and flame atomic absorption spectrometry (FAAS) showed a recyclable potential of 45.22 ± 0.22 % (w/w) cobalt in LiB and 14.9 ± 1.5 % (w/w) iron in the raw reject from mining. Cobalt ferrites (CoFe2O4−recycled) were produced from recycled Co and Fe by the sol-gel method, which was characterized by X-ray diffraction (XRD). The average crystallite size determined by the Scherrer Equation was 54.4 nm. Scanning electron microscopy (SEM) analysis showed the formation of almost homogeneous large crystalline agglomerates. Energy-dispersive spectroscopy (EDS) performed elemental mapping and showed a mass percentage of 5.65 ± 0.18% (w/w) Co and 13.46 ± 0.38% (w/w) Fe. Co ferrites were applied as catalysts in heterogeneous photo Fenton-type reactions using solar radiation for methylene blue (MB) dye discoloration and as an electrochemical sensor for ascorbic acid. For solar photoFenton heterogeneous reactions, 20.0 mg of catalyst, 0.03 mol.L-1 H2O2, and 50.0 mL of 30.0 mg.L-1 MB dye solution at pH 3.0 were used under solar radiation. CoFe2O4−recycled proved to be an efficient catalyst for methylene blue dye discoloration, with a discoloration efficiency of 95.04 % in just 75 minutes. The pseudo-first-order reaction kinetics were adjusted with a velocity constant of 4.0560 10-2 min -1 and a correlation coefficient of 0.9909. The final disposal solution after catalysis was appropriate for disposal regarding the evaluated inorganic parameters. Since the elements of Al, Co, and Li pose no risks and iron remained below the limit of quantification, Mn, Ni, and Zn, which are regulated elements, were not detected in the final solution. The use of solar radiation during the experimental procedure promoted energy savings. CoFe2O4−recycled presented excellent electrochemical performance. Its use as an electrochemical sensor with a modified working electrode showed an anodic peak at 0.509 V for the oxidation of ascorbic acid (AA) to dehydroascorbic acid, showing an excellent linear correlation between the AA concentration and the current, with a coefficient of 0.9987. This recycled material demonstrated efficiency in two different applications: in the remediation of environmental problems, such as the disposal of textile effluents, and in the use as an electrochemical sensor.O objetivo desse trabalho é desenvolver soluções para dois possíveis impactos ambientais associados as baterias de íon-Li (LiBs) exauridas e ao rejeito da mineração de ferro (RMF) proveniente do acidente ambiental de Mariana (Minas Gerais, Brasil). A caracterização química dos materiais de partida (resíduos das baterias de íon-Li e rejeito) por espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP OES) e espectrometria de absorção atômica (FAAS) mostrou um potencial reciclável de 45,22 ± 0,22 % (m/m) de cobalto na LiB e 14,9 ± 1,5 % (m/m) de ferro no rejeito bruto da mineração. A partir do Co e Fe reciclados são produzidas ferritas de cobalto (CoFe2O4−reciclada) pelo método sol-gel, que foi caracterizada por difratometria de raios X (DRX). O tamanho médio de cristalito determinado pela Equação de Scherrer foi de 54,4 nm. A análise de microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostrou a formação de grandes aglomerados cristalinos quase homogêneos. A espectroscopia por energia dispersiva (EDX) fez o mapeamento elementar e mostrou porcentagem em massa de 5,65 ± 0,18 % (m/m) de Co e 13,46 ± 0,38 % (m/m) de Fe. As ferritas de Co são aplicadas como catalisador em reações do tipo foto Fenton heterogêneas utilizando radiação solar para a descoloração do corante azul de metileno (AM) e como sensor eletroquímico de ácido ascórbico. Para as reações heterogêneas do tipo de foto-Fenton solar, foram utilizados 20,0 mg de catalisador, 0,03 mol.L -1 de H2O2 e 50,0 mL de solução corante AM 30,0 mg.L-1 em pH 3,0 sob radiação solar. A CoFe2O4−reciclada mostrou ser um catalisador eficiente para a descoloração do corante azul de metileno, obtendo-se eficiência de descoloração de 95,04% em apenas 75 minutos. A cinética de reação de pseudo primeira ordem foi ajustada com constante de velocidade de 4,0560 10-2 min-1 e coeficiente de correlação de 0,9909. A solução de descarte final após a catálise apresentou-se apropriada para o descarte em relação aos parâmetros inorgânicos avaliados. Visto que os elementos de Al, Co e Li não oferecem riscos e o ferro permaneceu abaixo do limite de quantificação, Mn, Ni e Zn, que são elementos regulamentados, não foram detectados na solução final. O uso da radiação solar durante o procedimento experimental promoveu economia energética. A CoFe2O4−reciclada apresentou excelente desempenho eletroquímico. Seu uso como sensor eletroquímico com eletrodo de trabalho modificado mostrou um pico anódico em 0,509 V para a oxidação do ácido ascórbico (AA) a ácido dehidroascórbico, apresentando uma correlação linear excelente entre a concentração de AA e a corrente, com um coeficiente de 0,9987. Esse material reciclado demonstrou eficiência em duas diferentes aplicações: na remediação de problemas ambientais, como o descarte de efluentes têxteis, e no uso como sensor eletroquímico.Texthttp://repositorio.ufes.br/handle/10/17058porUniversidade Federal do Espírito SantoDoutorado em QuímicaPrograma de Pós-Graduação em QuímicaUFESBRCentro de Ciências Exatassubject.br-rjbnQuímicaQuímica ambientalReciclagem de lixo eletrônicoCompostos de ferroCorantesCatálise heterogêneaAnálise eletroquímicaFerrita de cobalto reciclada de baterias de íon-Li exauridas e de rejeitos da mineração de ferro: síntese, caracterização e suas aplicaçõestitle.alternativeinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFESORIGINALJeniferRigoAlmeida-2023-trabalho.pdfapplication/pdf4473187http://repositorio.ufes.br/bitstreams/66d6cffc-e85c-436f-8d29-2aba42b3265a/download716867e1c528d684c59e1b1403e1619dMD5110/170582024-08-23 09:06:14.402oai:repositorio.ufes.br:10/17058http://repositorio.ufes.brRepositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestopendoar:21082024-10-15T17:56:26.952215Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false
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