Síntese verde de fotocatalisadores nanoestruturados usando casca de abóbora : caracterização e estudo da atividade catalítica na fotodegradação de antibióticos

Orientadora: Profa. Dra. Tirzhá Lins Porto Dantas

Coorientador: Prof. Dr. Evandro Roberto Alves

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos. Defesa : Curitiba, 22/09/2023

Inclui referências

Resumo: A síntese verde de fotocatalisadores nanoestruturados é uma abordagem inovadora, que se destaca pela utilização de métodos sustentáveis e ambientalmente conscientes na fabricação desses materiais. Nesse contexto, nanopartículas com propriedades fotocatalíticas são sintetizadas empregando fontes naturais, extratos de plantas ou outros agentes biodegradáveis como precursores. Essa metodologia, além de reduzir o impacto ambiental associado a processos tradicionais, resulta em fotocatalisadores com potencialidades específicas. O extrato da casca de abóbora Tetsukabuto foi utilizado neste estudo para sintetizar nanopartículas de ferro, cobre, magnésio e titânio. Essas nanopartículas foram caracterizadas e utilizadas como fotocatalisadores. As técnicas de caracterização foram: Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia no Infravermelho (FT-IR), Termogravimetria (TGA), Difração de Raio X (DRX) e Espectroscopia Raman. A área superficial dos nanomateriais foi determinada por BET. Os fotonanocatalisadores foram utilizados na adsorção e fotodegradação de molécula do antibiótico amoxicilina. A fotocatálise apresentou degradação máxima de aproximadamente 80% em 300 minutos de tratamento para FNFe2 (1 g L-1), 58% em 60 minutos de tratamento para FNFe1 (2,5 g L-1) e 28% para FNTi (1 g L-1) em 60 minutos. A energia requerida para fotodegradação de amoxicilina em cada sistema foi de 238,5 kWh m-3 ordem-1 para FNFe1, 721,1 kWh m-3 ordem-1 para FNFe2 e para FNTi foi de 816,0 kWh m-3 ordem-1. Os radicais hidroxilas (OH°) foram as principais espécies reativas responsáveis pela oxidação da molécula de amoxicilina. A constante de pseudo primeira ordem observada para cada sistema foi de k = 0,0130 min -1 (FNFe1), k = 0,0043 min-1 (FNFe2) e k = 0,0038 min -1 (FNTi). A capacidade máxima de adsorção foi de 12,0 mg g-1 para FNFe1, 20,9 mg g-1 para FNFe2, 0,6 mg g-1 para FNMg e 6,8 mg g-1 para FNTi. Os subprodutos da fotodegradação foram identificados por cromatografia (Q-TOF MS/MS). FNFe1 gerou 5 subprodutos em 60 minutos de reação, enquanto FNFe2 gerou apenas 2 subprodutos em 300 minutos de reação. Além disso, a análise de ressonância magnética nuclear (RMN) revelou mudanças moleculares significativas da amoxicilina após a fotodegradação com FNFe1. Os resultados mostraram que a síntese verde com o extrato da casca de abóbora Tetsukabuto foi eficiente no processo de produção de nanomateriais. Além disso, FNFe1, FNFe2 e FNTi podem ser utilizados na fotodegradação de amoxicilina de maneira eficaz

Abstract: The green synthesis of nanostructured photocatalysts is an innovative approach, which stands out for the use of sustainable and environmentally conscious methods in the manufacturing of these materials. In this context, nanoparticles with photocatalytic properties are synthesized using natural sources, plant extracts, or other biodegradable agents as precursors. This methodology, besides reducing the environmental impact associated with traditional processes, results in photocatalysts with specific capabilities. The extract from Tetsukabuto pumpkin peel was used in this study to synthesize nanoparticles of iron, copper, magnesium, and titanium. These nanoparticles were characterized and employed as photocatalysts. Characterization techniques included Transmission Electron Microscopy (TEM), Scanning Electron Microscopy (SEM), Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Thermogravimetry (TGA), X-Ray Diffraction (XRD), and Raman Spectroscopy. The surface area of the nanomaterials was determined by BET. The photonanocatalysts were used in the adsorption and photodegradation of the antibiotic molecule amoxicillin. Photocatalysis showed a maximum degradation of approximately 80% in 300 minutes of treatment for FNFe2 (1 g L-1), 58% in 60 minutes of treatment for FNFe1 (2.5 g L-1), and 28% for FNTi (1 g L-1) in 60 minutes. The energy required for the photodegradation of amoxicillin in each system was 238.5 kWh m-3 order-1 for FNFe1, 721.1 kWh m-3 order-1 for FNFe2, and for FNTi, it was 816.0 kWh m-3 order-1. Hydroxyl radicals (OH°) were the main reactive species responsible for the oxidation of the amoxicillin molecule. The observed pseudo-first-order constant for each system was k = 0.0130 min-1 (FNFe1), k = 0.0043 min-1 (FNFe2), and k = 0.0038 min-1 (FNTi). The maximum adsorption capacity was 12.0 mg g-1 for FNFe1, 20.9 mg g-1 for FNFe2, 0.6 mg g-1 for FNMg, and 6.8 mg g-1 for FNTi. The subproducts of photodegradation were identified by chromatography (Q-TOF MS/MS). FNFe1 generated 5 by-products in 60 minutes of reaction, while FNFe2 produced only 2 by-products in 300 minutes of reaction. Additionally, nuclear magnetic resonance (NMR) analysis revealed significant molecular changes in amoxicillin after photodegradation with FNFe1. The results showed that the green synthesis with Tetsukabuto pumpkin peel extract was efficient in the production process of nanomaterials. Besides, FNFe1, FNFe2, and FNTi can be effectively used in the photodegradation of amoxicillin