Preparation and characterization of zerovalent iron nanoparticles

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1 Preparação e caracterização de nanopartículas de ferro zerovalente Gabriela Bonfanti Vieira 1, Regina de Fátima P. Muniz Moreira 2, Michael Peterson 3, Amanda Pereira Fernandes 4, Gisele Matias Daboit 5 1 Universidade Federal de Santa Catarina (gabinha24@hotmail.com) 2 Universidade Federal de Santa Catarina (regina@enq.ufsc.br) 3 Universidade do Extremo Sul Catarinense (michael@unesc.net) 4 Centro de Educação Profissional Abílio Paulo (amandafernandespf@hotmail.com) 5 Centro de Educação Profissional Abílio Paulo (giedaboit@hotmail.com) Resumo Neste trabalho, nanopartículas de ferro zerovalente (nzvi) foram sintetizadas pelo método de redução do ferro férrico usando borohidreto de sódio como agente redutor em condições atmosféricas. As nanopartículas de ferro são obtidas principalmente no estado de valência zero, sem oxidação, e permanecem assim durante dias. A caracterização das nzvi foi realizada utilizando DRX e MET. O diâmetro das nanopartículas de ferro obtidas foi predominantemente dentro da faixa 0-100nm. Palavras-chave: Nanopartículas. Ferro zerovalente. Área Temática: Tecnologias Ambientais. Preparation and characterization of zerovalent iron nanoparticles Abstract In this work, zerovalent iron nanoparticles (nzvi) were synthesized by the method of ferric iron reduction using sodium borohydride as reducing agent at atmospheric conditions. The iron nanoparticles are obtained mainly in the zero valence state, no rust, and remain so for days. The characterization of nzvi was performed using XRD and TEM. The diameter of the iron nanoparticles was obtained predominantly in the range 0-100nm. Key words: Nanoparticles. Zerovalent Iron. Theme Area: Environmental Technologies.

2 1 Introdução A nanotecnologia tem sido incorporada às tecnologias ambientais atualmente disponíveis, podendo ser aplicada na remediação de uma grande variedade de contaminantes, promovendo redução nos custos e com maiores eficiências de remediação. Recentemente vem ocorrendo um aumento nos investimentos em nanotecnologia para proteção ambiental, utilizando-a principalmente na prevenção da poluição e no tratamento e descontaminação de áreas contaminadas. (KARN et al, 2009) Em geral, a síntese de nanopartículas pode ser feita por diversas formas, como por exemplo, pela redução da goetita ou partículas de hematita utilizando gás hidrogênio em altas temperaturas ( ºC), pela decomposição de Ferro Pentacarbonil (Fe(CO) 5 ) em solvente orgânico ou argônio, pela eletrodeposição de sais ferrosos, entre outros (LI et al, 2006). O mecanismo mais utilizado é a redução de Fe +3 e Fe +2, como Cloreto Férrico (FeCl 3 ) ou Sulfato Ferroso (FeSO 4 ) utilizando como redutor o Boroidreto de Sódio (NaBH 4 ). Avaliando todas estas técnicas de preparo e caracterização possíveis, as nanopartículas de ferro zero valente (nzvi) obtidas podem ter tamanho de partícula na faixa de nm, além de terem uma área superficial na faixa de 14-35m 2.g -1 e nunca estarem como único produto. Estes pequenos tamanhos de partículas e grandes áreas superficiais são as características mais importantes que proporcionam grande vantagem na sua utilização para remediação de águas e solos poluídos. Para a produção de nanopartículas de ferro zero valente, durante a última década os custos foram reduzido drasticamente, como por exemplo, o preço caiu de US$500/kg para US$50-100/kg. O alto custo em 2001 foi devido a falta de fornecedores comerciais de nanopartículas de ferro, hoje as opções de fornecedores são múltiplas. (LI, X. et al, 2006) As nanopartículas de ferro zerovalente são cada vez mais utilizadas na remediação de solos e aquíferos contaminados, contribuindo na recuperação do meio ambiente. 2 Metodologia As nanopartículas podem ser preparadas pelo uso do hidreto de boro e sódio como agente redutor dos cátions de ferro trivalente. O ferro é reduzido segundo a reação (1), de oxidação e redução representada abaixo. 4Fe BH H 2 O 4Fe + 3H 2 BO H + + 6H 2 (1) Para este processo foi utilizado uma estequiometria com um pequeno excesso de hidreto de boro e sódio (5%), pois isto assegura uma conversão total do ferro trivalente em ferro de valência zero e contribui para um crescimento mais uniforme das nanopartículas do metal. Neste trabalho as soluções de cloreto férrico e hidreto de boro e sódio foram preparadas com concentrações de 0,5M e 0,8M, respectivamente. Após a preparação das soluções, titulou-se a solução de hidreto de boro e sódio na solução de cloreto férrico a uma vazão de 1 gota a cada 2 segundos, sob agitação magnética. Após a titulação completa, deixou-se a mistura agitando por mais 10 minutos. Em seguida filtrou-se a vácuo, a fim de separar o precipitado formado, lavando-o com 40ml de acetona. O precipitado formado foi armazenado em acetona para manter a valência zero do material.

3 3 Resultados Na preparação das soluções foram utilizadas 6,75825g de cloreto férrico com 50ml de água destilada para obter concentração de 0,5M; e foram utilizadas 2,83725g de hidreto de boro e sódio com 94ml de água destilada para formar uma solução 0,8M. A Figura 1 mostra a solução de cloreto férrico. Figura 1 Solução de cloreto férrico A solução de cloreto férrico possuía um ph inicial na faixa de 2,0-3,0 e após a titulação completa do hidreto de boro e sódio a mistura teve seu ph final na faixa de 6,0-7,0. A titulação completa, com a vazão determinada, teve um tempo de reação de 55 minutos, com mais 10 minutos de agitação. A Figura 2 mostra o resultado final da reação. Figura 2 Precipitado após a titulação Com o precipitado formado e filtrado, foram feitas análises de caracterização. A Difração de Raios-X mostrou a presença de ferro metálico, como demonstra a Figura 3.

4 Figura 3 Resultado DRX Os três picos característicos do elemento ferro aparece no DRX do produto formado pela reação do cloreto férrico com hidreto de boro e sódio. Para se determinar o tamanho das partículas de ferro zero valente, foi realizada a Microscopia Eletrônica de Transmissão. A Figura 4 mostra o resultado da análise. Figura 4 Resultado MET Segundo a Figura 4, as partículas de ferro zero valente formado no experimento deste trabalho estão aglomeradas, porém possuem tamanho nano, menor que 100nm. Após 20 dias, realizou-se outra análise de DRX com o ferro zerovalente armazenado em acetona. A Figura 5 mostra a sua caracterização.

5 Figura 5 Resultado DRX após 20 dias armazenadas A Figura anterior mostra que o estado de valência zero do material permaneceu sem nenhuma oxidação significativa quando armazenado em acetona. 4 Conclusão Foi possível sintetizar nanopartículas de ferro de valência zero pela redução do cloreto férrico utilizando hidreto de boro e sódio, à temperatura e pressão ambiente e à pressão. Os resultados da análise de MET demonstraram a existência de nanopartículas com formas esféricas e diâmetros menor do que 20 nm, o que se formaram agregados tão grande como 200 nm. Os resultados do DRX confirmou a presença de ferro de valência zero. As nanopartículas têm uma forte tendência para formar microescala agregados provavelmente devido às fracas cargas superficiais. Observou-se que o ferro nanopartículado permanece em estado de valência zero e que nenhuma oxidação significativa ocorreu após semanas de armazenamento sob condições atmosféricas e em acetona. 5 Agradecimentos Este trabalho é financeiramente apoiado pelo CAPES, CNPq e pelo Grupo Vale, através do projeto Forma-Engenharia. Pesquisa realizada com o apoio do LCME-UFSC e IDT-IPARQUE-UNESC. Referências CRANE, R.A.; DICKINSON, M.; POPESCU, I.C.; SCOTT, T.B.; 2011, Magnetite and zero-valent iron nanoparticles for the remediation of uranium contaminated environmental water, Journal of Water Research, Vol. 45, p KARN, B.; KUIKEN, T.; OTTO, M.; 2009, Nanotechnology and in Situ Remediation: A Review of the Benefits and Potential Risks, Environmental Health Perspectives, Vol.117, N.12, p

6 LI, X.; ELLIOT, D.W.; ZHANG, W.; 2006, Zero-Valent Iron Nanoparticles for Abatement of Environmental Pollutants: Materials and Engineering Aspects, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, Vol. 31, p YUVAKKUMARA, R.; ELANGOA, V.; RAJENDRANA, V.; KANNAN, N.; 2011, Preparation and Characterization of zero valent iron Nanoparticles, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, Vol. 6, N. 4, p