Matérias-Primas Naturais No Fabrico De Nanomateriais Mariana Santos
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Matérias-Primas Naturais no Fabrico de Nanomateriais Mariana Santos Costa Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química Orientadores: Profª. Maria Clara Henriques Baptista Gonçalves Profª. Helena Cristina de Sousa Menezes Vasconcelos Júri Presidente: Prof. António Luís Vieira de Andrade Maçanita, IST-UL Orientador: Profª. Maria Clara Henriques Baptista Gonçalves, IST-UL Vogal: Profª. Isabel Maria de Figueiredo Ligeiro da Fonseca, FCT-UNL Novembro de 2017 A mente que se abre a uma nova ideia nunca mais volta ao seu tamanho original. Albert Einstein ii Agradecimentos Queria deixar os meus sinceros agradecimentos a todos aqueles que colaboraram e contribuíram para a realização da minha tese de Mestrado: À minha orientadora, Profª. Maria Clara Gonçalves, do IST, obrigada pela oportunidade de realizar este trabalho, por todo o apoio e incentivo e pelas sugestões dadas durante a tese. À minha coorientadora, Profª. Cristina Vasconcelos, obrigada pela ajuda e apoio prestados durante a minha visita à Universidade dos Açores. Obrigada, também, Paulo e Afonso. Agradeço por me terem feito sentir em casa e por fazerem com que a experiência nos Açores fosse fantástica! Um grande obrigado à Joana Matos, por todas as explicações ao longo do trabalho experimental e pela ajuda no laboratório! Obrigada também ao Prof. Vítor Gonçalves e ao Telmo Eleutério, da Universidade dos Açores, que me deram os conhecimentos e o incentivo necessários para o arranque do trabalho. A caracterização das amostras não seria possível sem a Engª. Isabel Nogueira, a Profª. Maria João Ferreira, o Prof. Auguste Fernandes, o Prof. António Maurício, o Profº. Manuel Francisco Pereira, a Profª. Ana Paula Dias, a Drª. Vânia André e a Drª. Rocio Hernandez. Por isso, obrigada! Obrigada ainda a todos os meus amigos que me acompanharam ao longo destes cinco anos do curso e que fizeram com esta jornada fosse tão aliciante e memorável. Um obrigada especial ao Grupo Maravilha e aos Alfacinhas pela amizade sincera e por todas as experiências fantásticas que vivemos. E, porque os últimos são sempre os primeiros…Obrigada Pai, Mãe e Irmã. Pai e Mãe, obrigada por todo o amor e carinho! Obrigada por todo o esforço que fizeram para que eu possa estar onde estou hoje e por terem sempre acreditado em mim e nas minhas capacidades. Obrigada Manny, por seres um exemplo para mim e por me ensinares a escrever como uma “pessoa crescida”! É por e para vocês, que todos os dias tento ser uma melhor versão de mim própria. OBRIGADA! iii Resumo A sílica ocupa um lugar proeminente como matéria-prima em várias áreas científicas/ tecnológicas, com especial destaque nos setores da cerâmica, vidros, catálise, tintas, farmácia e eletrónica. A preocupação com o ambiente e a sustentabilidade dos processos produtivos têm levado à procura de fontes alternativas deste mineral. As diatomáceas são organismos unicelulares fotossintéticos cuja principal característica morfológica é a sua parede celular, designada por frústula, composta maioritariamente por sílica. A abundância destas algas na natureza, a facilidade de cultivo artificial e a biocompatibilidade, tornam as diatomáceas uma matéria-prima natural promissora no desenvolvimento de materiais. Os avanços feitos no estudo desta área podem ser um contributo importante na inovação e desenvolvimento de novos métodos e produtos sustentáveis/ “verdes” que possam, futuramente, competir no mercado. O uso das diatomáceas para esta finalidade traz ainda a vantagem de reduzir os resíduos sólidos resultantes da operação da limpeza sazonal das lagoas com este tipo de algas. O trabalho desenvolvido nesta tese teve como objetivo analisar a produção de nanomateriais a partir da sílica biogénica presente nas algas diatomáceas. Para tal, foi necessária a obtenção da sílica pura nas algas e posterior funcionalização da mesma. Começou-se por fazer um pré-tratamento das algas recolhidas, seguido de um processo de moagem e por fim a remoção de orgânicos. A funcionalização das amostras, efetuada com APTES, foi realizada por três protocolos diferentes, baseados na metodologia sol-gel. Para a caracterização das amostras recorreu-se a diferentes métodos, nomeadamente TEM-EDS, FTIR, RMN, DRX e TGA. Palavras-Chave: Nanomateriais, Diatomáceas, Sílica, Sol-Gel, APTES iv Abstract Silica occupies a prominent place as raw material in several scientific/technological areas, with special emphasis in the ceramics, glass, catalysis, paints, pharmacy and electronics sectors. Concern for the environment and the sustainability of production processes have led to the search for alternative sources of this mineral. Diatoms are unicellular photosynthetic organisms whose main morphological feature is their cell wall, called the frustule, composed mostly of silica. The abundance of these algae in nature, the ease of artificial cultivation and the biocompatibility, make diatoms a promising natural raw material for the development of materials. The advances made in this area can be an important contribution in the innovation and development of new methods and products sustainable/green that can, in the future, compete in the market. The use of diatoms for this purpose also has the advantage of solid residues resulting from the operation of the seasonal cleaning of lagoons with this type of algae. The work developed in this thesis had as objective the production of nanomaterials from the biogenic silica present in diatomaceous algae. To achieve this, it was necessary to obtain the pure silica in the algae and later functionalize it. Firstly, it was made a pre-treatment at the collected algae, followed by a grinding process and finally the removal of organic matter. The functionalization of the samples, performed with APTES, was made by three different protocols, based on sol-gel methodology. For the characterization of the samples were used different methods, namely TEM-EDS, FTIR, NMR, XRD and TGA. Keywords: Nanomaterials, Diatoms, Silica, Sol-Gel, APTES v Índice Agradecimentos .................................................................................................................................... iii Resumo ................................................................................................................................................. iv Abstract .................................................................................................................................................. v Lista de tabelas ................................................................................................................................... viii Lista de Figuras ..................................................................................................................................... ix Lista de Abreviaturas e Símbolos ......................................................................................................... xii Objetivos do trabalho .......................................................................................................................... xiii Organização do relatório ..................................................................................................................... xiii 1 Introdução ....................................................................................................................................... 2 1.1 Enquadramento teórico .......................................................................................................... 2 1.2 Nanotecnologia ....................................................................................................................... 3 1.3 Nanomateriais......................................................................................................................... 4 1.3.1 Ciclo de vida dos nanomateriais............................................................................................. 6 2 Revisão Bibliográfica ....................................................................................................................... 9 2.1 Sílica biogénica....................................................................................................................... 9 2.1.1 Arroz ................................................................................................................................... 9 2.1.2 Milho ................................................................................................................................. 11 2.1.3 Diatomáceas ..................................................................................................................... 12 3 Técnicas de Preparação e Caracterização ................................................................................... 18 3.1 Processo sol-gel ................................................................................................................... 18 3.1.1 Hidrólise e Condensação .................................................................................................. 19 3.1.2 Gelificação, envelhecimento e secagem do gel ................................................................ 26 3.1.3 Produtos obtidos pelo processo sol-gel ............................................................................ 27 3.1.4 Funcionalização in situ da sílica ....................................................................................... 29 3.2 Métodos de caracterização físico-química da sílica.............................................................. 30 3.2.1 Microscopia Eletrónica de Transmissão com Microanálise