A microscopia SEM da CIQTEK revela nanoesferas de Cu-C para superar a desativação de catalisadores no tratamento de águas residuais

Com a aceleração da industrialização e o crescimento contínuo das emissões de poluentes, as águas residuais orgânicas representam uma séria ameaça aos ecossistemas e à saúde humana. Estatísticas mostram que o consumo de energia do tratamento de águas residuais industriais representa 28% do consumo global de energia para tratamento de água. No entanto, a tecnologia Fenton convencional sofre com a desativação do catalisador, resultando em baixa eficiência do tratamento. Catalisadores à base de metais em processos de oxidação avançados enfrentam gargalos comuns: o processo de ciclo redox não pode ser sustentado de forma eficaz, as vias de transferência de elétrons são restritas e os métodos tradicionais de preparação dependem de altas temperaturas e altas pressões, com rendimentos de apenas 11 a 15%.

Para enfrentar estes desafios, uma equipa de investigação da Universidade de Tecnologia de Dalian desenvolveram um nanocatalisador Cu-C por meio do acoplamento direcional de celulose comercial com íons de cobre, utilizando um método de substituição galvânica química úmida. Eles também estabeleceram um novo sistema de degradação com um mecanismo catalítico de canal duplo (via radical + transferência direta de elétrons) e ampla adaptabilidade ao pH. O material atingiu 65% de degradação da tetraciclina em 5 minutos (contra <5% dos catalisadores comerciais), com lixiviação de íons de cobre abaixo de 1,25 mg/L (abaixo do padrão nacional de 2,0 mg/L). Em um reator de leito fixo (PTR), a remoção de mais de 99% dos poluentes foi alcançada em um tempo de residência de apenas 20 segundos. Ao permitir atividade catalítica sustentada por meio da via direta de transferência de elétrons, essa abordagem superou o antigo problema de baixa adaptabilidade ambiental em catalisadores tradicionais.

O estudo, intitulado “Degradação catalítica robusta de canal duplo baseada em poluentes orgânicos por meio de compósitos Cu-C com coleta direcional de elétrons e geração clássica de espécies radicais” , foi publicado em Revista de Engenharia Química .

Formação de nanocatalisadores Cu-C

Utilizando celulose comercial como suporte, a equipe incorporou íons de cobre por meio de um método de substituição galvânica química úmida para construir nanocompósitos de Cu-C com atividade catalítica de canal duplo. As caracterizações revelaram efeitos únicos de transferência de elétrons sob diversas condições. Imagem SEM ( CIQTEK SEM5000 ) revelou a evolução microestrutural A celulose pura exibia uma rede desordenada que, após a formação do composto, se transformava em esferas de cobre de 10 nm que se automontavam em agregados hierárquicos de 100 nm. Essa estrutura garantia alta dispersão e transporte de elétrons. SEM-EDS confirmou a distribuição uniforme dos elementos. Os espectros de FTIR revelaram um pico de Cu₂O em 682,31 cm⁻¹ devido a reações redox durante a síntese. A presença dos grupos C=C, C=O e C–H reforçou ainda mais os achados, enquanto um forte pico de –OH foi observado em 3200–3600 cm⁻¹. A análise XPS indicou que os sinais de Cu 2p eram principalmente de Cu₂(OH)₂CO₃ e Cu₂O, com C₂s apresentando ligações C=C e C–C, consistentes com os resultados de FTIR.

Figura 1. Preparação e Caracterização do Catalisador

Desempenho de degradação catalítica

Na ativação com persulfato (PDS), o catalisador Cu-C apresentou vias de degradação duplas: remoção de 65% de tetraciclina em 5 minutos (vs. <5% para catalisadores comerciais) com lixiviação de Cu a apenas 1,25 mg/L, abaixo do limite nacional. Experimentos de controle confirmaram que a degradação se originou de catálise heterogênea. Estudos de otimização do tipo de oxidante, dosagem do catalisador e dosagem do oxidante demonstraram o desempenho superior do Cu-C em comparação com muitos catalisadores à base de cobre.

Figura 2. Desempenho de degradação do nanocatalisador Cu-C na remoção de poluentes

Vias catalíticas de canal duplo

O mecanismo sinérgico envolveu vias de transferência de elétrons radicais e diretas, contribuindo com ~55% e ~45%, respectivamente. A supressão de radicais, a detecção de sinais de SO₄•⁻ e •OH por EPR, os deslocamentos de XPS (energia de ligação de Cu(II) ↓1,01 eV) e as medições de corrente eletroquímica (~45 μA) confirmaram a coexistência desses mecanismos. A capacidade de doação de elétrons dos poluentes correlacionou-se positivamente com o desempenho catalítico, validando ainda mais a via de transferência de elétrons direta.

Redução de toxicidade e reutilização de água

A análise de toxicidade mostrou que os intermediários apresentaram toxicidade 96% menor em CL₅₀ para peixes em comparação com a tetraciclina, com 90% dos intermediários apresentando efeitos mutagênicos ou de desenvolvimento reduzidos. Experimentos de crescimento de algas demonstraram que a água tratada proporcionou biomassa de algas saudável comparável à água pura. Plantas de lótus cultivadas em água tratada apresentaram crescimento significativamente melhor do que aquelas em águas residuais de tetraciclina não tratadas, confirmando o potencial para o reuso seguro da água.

Figura 4. Baixa Toxicidade de Intermediários e Reuso de Água Tratada em Sistemas Aquáticos

Escalabilidade e Adaptabilidade

A praticidade foi validada utilizando pós de Cu-C e reatores de leito fixo (PTRs) CuC@FC. Experimentos de fluxo contínuo com tetraciclina, vermelho de metila e clorobenzeno revelaram remoção >99% de poluentes e corantes ricos em elétrons, embora o desempenho tenha sido inferior para compostos deficientes em elétrons. Em comparação com métodos convencionais de alta temperatura e alta pressão, a síntese de Cu-C exigiu temperaturas e tempos significativamente mais curtos, ressaltando a viabilidade da produção automatizada, em larga escala e com baixo consumo de energia para aplicações industriais.

Este trabalho representa um duplo avanço em eficiência e sustentabilidade na degradação de poluentes orgânicos. Ao possibilitar vias cooperativas de transferência de elétrons direta e radical, o catalisador Cu-C adapta-se às diferentes condições da água e às características dos poluentes. Este projeto abre caminho para o tratamento de efluentes com baixo consumo de energia, altamente compatível e orientado a recursos, oferecendo um novo paradigma para a remediação de águas industriais.