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
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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!
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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
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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
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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 de Raios-X (TEM-EDS) ...... 30
3.2.2 Ressonância Magnética Nuclear (RMN) ...... 32
3.2.3 Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) ...... 33
3.2.4 Difratometria de raios- X (DRX) ...... 34
3.2.5 Análise Termogravimétrica (TGA) ...... 35
4 Parte Experimental ...... 38 4.1 Materiais ...... 38
4.2 Técnicas de preparação e caracterização dos materiais de sílica ...... 39
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4.3 Preparação dos nanomateriais de sílica ...... 40
5 Resultados e Discussão ...... 46 5.1 Amostras após pré-tratamento ...... 47
5.2 Amostras após moagem ...... 52
5.3 Amostras após remoção de orgânicos ...... 52
5.4 Amostras após funcionalização ...... 56
6 Conclusões ...... 65 7 Propostas de Trabalho Futuro ...... 67 Bibliografia ...... 68 Anexos ...... 76 Anexo 1- Imagens obtidas para a amostra recolhida ...... 76
Anexo 2- Dados obtidos na avaliação dos poros da frústula das diatomáceas ...... 76
Anexo 3- Espectros RMN 29Si MAS...... 78
Anexo 4- Tabela de auxílio à caracterização por FTIR ...... 79
Anexo 5- Espectros FTIR ...... 80
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Lista de tabelas Tabela 1- Compostos utilizados na preparação das diatomáceas...... 38 Tabela 2- Dados sobre as algas recolhidas...... 40 Tabela 3- Comparação da massa de amostra antes e após o pré-tratamento...... 41 Tabela A-1 ̶ Grupos funcionais tipicamente observados em espectros FTIR de algas diatomáceas e atribuição da sua estrutura [109]……..………………………………………………………………………79
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Lista de Figuras Figura 1- Forças para a mudança a nível dos materiais e processos [3]...... 2 Figura 2- Tendências de financiamento em nanotecnologia. Adaptado de [3]...... 4 Figura 3- Duas abordagens distintas para a fabricação de nanomateriais: top-down (da esquerda para a direita) e bottom-up (da direita para a esquerda) [19]...... 5 Figura 4- Esquema das várias fases do ciclo de vida de um NM [18]...... 6 [59] Figura 5- Diversidade de formas e estruturas nas algas diatomácea ...... 12 Figura 6- Diversos campos de possíveis aplicações das diatomáceas [33]...... 14 Figura 7- Locais onde as amostras de algas diatomáceas, usadas neste trabalho, foram recolhidas: Lagoa das Furnas (à esquerda) e Lagoa das Sete Cidades (à direita)...... 16 Figura 8- Esquema da obtenção de materiais pelo processo sol-gel [84]...... 19 Figura 9- Mecanismo da reação de hidrólise, catalisada por um ácido, de um grupo alcóxido [82]...... 20 Figura 10- Mecanismo da reação de hidrólise, catalisada por uma base, de um grupo alcóxido [82]. ... 20 Figura 11- Mecanismo da reação de condensação, catalisada por uma base, de um grupo alcóxido [82]...... 21 Figura 12- Mecanismo da reação de condensação, catalisada por um ácido, de um grupo alcóxido [82]...... 21 Figura 13- Reação catalisada por ácidos e R baixo. Adaptado de [87]...... 24 Figura 14- Reação catalisada por bases e R elevado. Adaptado de [87]...... 25 Figura 15- Diagrama de fases ternário Água+ Álcool+ TEOS [79]...... 25 Figura 16- Mudanças da viscosidade e elasticidade na gelificação [88]...... 26 Figura 17- Funcionalização da superfície da sílica com APTES...... 30 Figura 18- Esquema dos componentes básicos da TEM [98]...... 31 Figura 19- Diagrama esquemático de um espectrómetro de RMN. Adaptado de [100]...... 32 Figura 20- Diagrama representativo de um espectrofotómetro de FTIR [103]...... 34 Figura 21- Diagrama representativo da caracterização de DRX. Adaptado de [105]...... 35 Figura 22- Fluxograma de preparação das amostras à base de sílica...... 38 Figura 23- Imagens obtidas no microscópio fluorescente após o pré-tratamento das amostras recolhidas...... 41 Figura 24- Esquema da funcionalização da sílica das diatomáceas pelo procedimento 3...... 44 Figura 25- Caracterizações efetuadas após os diferentes procedimentos...... 46 Figura 26- Fotografias das amostras após os diferentes procedimentos...... 46 Figura 27- Imagens de TEM das diatomáceas após pré-tratamento...... 47 Figura 28- Gráfico obtido por EDS para as diatomáceas após pré-tratamento...... 48 Figura 29- Estruturas típicas de Si observadas em diatomáceas: Q2 (esquerda), Q3 (centro) e Q4 (direita) [109]...... 48 Figura 30- Espectro RMN 29Si MAS com CP das diatomáceas após pré-tratamento...... 49 Figura 31- Espectro FTIR de absorção das diatomáceas após pré-tratamento...... 50 Figura 32- Difratograma das diatomáceas após pré-tratamento...... 51
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Figura 33- Termograma obtido para as diatomáceas após pré-tratamento, em ensaio dinâmico realizado desde a temperatura ambiente até 1100 °C, a uma velocidade de varrimento igual a 25 °C/min, sob atmosfera de ar. A curva rosa representa a perda de massa e a curva azul a respetiva derivada...... 51 Figura 34- Imagens de TEM das diatomáceas após moagem...... 52 Figura 35- Imagens de TEM das diatomáceas após tratamento químico (acima) e térmico (abaixo). . 53 Figura 36- Gráfico obtido por EDS para as diatomáceas após tratamento térmico...... 53 Figura 37- Espectro RMN 29Si MAS com CP das diatomáceas após tratamento químico...... 54 Figura 38- Espectro RMN 29Si MAS sem CP das diatomáceas após tratamento térmico...... 54 Figura 39- Espectro obtido por FTIR das diatomáceas após tratamento químico (esquerda) e térmico (direita)...... 55 Figura 40- Difratograma das diatomáceas após tratamento químico...... 56 Figura 41- Difratograma das diatomáceas após tratamento térmico...... 56 Figura 42- Imagens de TEM das diatomáceas tratadas quimicamente (cima) e termicamente (baixo) após funcionalização pelo procedimento 1...... 57 Figura 43- Gráfico obtido por EDS para as diatomáceas tratadas termicamente e após funcionalização pelo procedimento 1...... 58 Figura 44- Espectros obtidos por FTIR após funcionalização com APTES pelo procedimento 1: para as diatomáceas tratadas química (a laranja) e termicamente (a verde); e para a experiência realizada na ausência de algas...... 59 Figura 45- Imagens de TEM das diatomáceas tratadas quimicamente (cima) e termicamente (baixo) após funcionalização pelo procedimento 2 e na presença de TEOS...... 60 Figura 46- Imagens de TEM das diatomáceas tratadas termicamente após funcionalização pelo procedimento 2 e na ausência de TEOS...... 60 Figura 47- Espectros obtidos por FTIR após funcionalização com TEOS/APTES pelo procedimento 2: para as diatomáceas tratadas química (a laranja) e termicamente (a verde); e para a experiência realizada na ausência de TEOS...... 61 Figura 48- Imagens de TEM das diatomáceas após funcionalização pelo procedimento 3...... 62 Figura 49-Espectro obtido por FTIR para as diatomáceas após funcionalização pelo procedimento 3...... 63 Figura A-1- Imagens obtidas no microscópio da visualização das amostras de algas diatomáceas recolhidas, antes de qualquer tratamento…………………………………………………………….………76 Figura A-2- Imagem da frústula da diatomácea analisada para saber as características dos poros………………………..…………………………………………………………………………………....76 Figura A-3- Distribuição de tamanho do diâmetro (d) dos poros da frústula da diatomácea analisada………………………………………………………………………………………………………...77 Figura A-4- Distribuição da distância (s) entre poros adjacentes da frústula da diatomácea analisada………………………………………………………………………………………………………...77 Figura A-5- Espectro RMN 29Si MAS sem CP da amostra após pré-tratamento……………….….…….78 Figura A-6- Espectro RMN 29Si MAS com CP da amostra após tratamento térmico. …………….……78
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Figura A-7- Espectro RMN 29Si MAS sem CP da amostra após tratamento químico……………...……79 Figura A-8- Espectros FTIR das diatomáceas após o pré-tratamento (azul); e após os tratamentos químico (laranja) e térmico (verde)……………………………………………………………………………79 Figura A-9- Espectros obtidos por FTIR das diatomáceas tratadas quimicamente (esquerda) e termicamente (direita) após funcionalização pelo procedimento 1, com respetivos picos identificados……………………………………………………………………………………………………..80 Figura A-10- Espectro obtido por FTIR na ausência de diatomáceas após funcionalização pelo procedimento 2, com respetivos picos identificados………………………………………………………..80 Figura A-11- Espectros obtidos por FTIR das diatomáceas tratadas quimicamente (esquerda) e termicamente (direita) após funcionalização pelo procedimento 2 e na presença de TEOS, com respetivos picos identificados………………………………………………………………………………….81 Figura A-12- Espectro obtido por FTIR das diatomáceas tratadas termicamente após funcionalização pelo procedimento 2 e na ausência de TEOS, com respetivos picos identificados……………………..81 Figura A-13- Espectro obtido por FTIR das diatomáceas após funcionalização pelo procedimento 3, com respetivos picos identificados. …………………………………………………………………………..81
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Lista de Abreviaturas e Símbolos ACV- Análise do Ciclo de Vida do Produto AFM- Força Atómica Molecular (Atomic Force Microscopy) Bi-D- Bi-destilada CA- Casca de Arroz CCA- Cinza de Casca de Arroz CP- Polarização Cruzada (Cross Polarization) CEM- Cinza da Espiga de Milho DE- Terra de diatomáceas (Diatomaceous Earth) DRX- Difratometria de Raios-X EDS- Espectrometria/ Espectrómetro de raios-X de energia dispersiva (Energy Dispersive Spectroscopy) EM- Espiga de Milho FT- Transformada de Fourier (Fourier-transform) FTIR- Espectroscopia Infravermelho com Transformada de Fourier (Fourier-transform Infrared Spectroscopy) IR- Infravermelhos (Infrared) MAS- Ângulo Mágico (Magic Angle Spinning) MP- Matéria-Prima N- Azoto NM- Nanomateriais Manufaturados NPs- Nanopartículas O- Oxigénio PVA- Álcool polivinílico (Polyvinyl alcohol) Qn- Notação utilizada na espectroscopia de RMN 29Si. O número em expoente indica o número de unidades Si ligadas através do oxigénio a um átomo de silício individual R- Razão molar água/alcóxido SAM- Monocamada auto-organizada (Self-assembled monolayer) SEM- Microscopia eletrónica de varrimento (Scanning electron microscopy) Si ou 29Si- Silício
SN2- Substituição Nucleofílica SNPs- Nanopartículas de Sílica (Silica Nanoparticles) tgel- Tempo de Gelificação TEM- Microscopia eletrónica de transmissão (Transmission electron microscopy) TEOS- Tetraetilortosilicato TMOS- Tetrametilortosilicato VDS- Vesícula de Deposição de Sílica TGA- Análise Termogravimétrica (Thermogravimetric Analysis) T- Diferença de temperaturas - Viscosidade
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Objetivos do trabalho Com o trabalho desenvolvido e apresentado nesta tese de Mestrado pretendeu-se estudar a utilização de uma matéria-prima natural (diatomáceas) como fonte de sílica para produzir nanomateriais à base deste composto. Foram usadas diferentes metodologias tanto para a recuperação da sílica biogénica, denominada (bio)sílica, a partir das algas como para a preparação de nanomateriais de sílica. Para ter uma aplicação final, tentou-se a funcionalização da (bio)sílica por 3 procedimentos, tendo sido realizadas diferentes tipos de caracterização físico-química dos produtos finais para ver a sua viabilidade. Dado a ampla gama de aplicações dos nanomateriais e o aumento da preocupação com o meio ambiente e a sustentabilidade dos processos nos últimos anos, espera-se que este método venha a ter um enorme potencial. Os resultados obtidos nesta tese poderão levar a um avanço tecnológico, por se tratar de uma síntese “verde” em que se recorre a métodos relativamente rápidos e de baixo custo.
Organização do relatório A presente tese está organizada em 6 capítulos. No capítulo 1 apresenta-se uma breve introdução sobre o lugar ocupado pela nanotecnologia e pelos nanomateriais nos dias de hoje. No capítulo 2 apresentam-se as vantagens da utilização de matérias-primas naturais assim como exemplos da sua utilização em diversas áreas. No capítulo 3 são descritas as técnicas utilizadas na preparação dos materiais de sílica. No capítulo 4 apresenta-se o método experimental utilizado na preparação e funcionalização dos materiais de sílica, a instrumentação e procedimentos usados na sua caracterização. No capítulo 5 apresentam-se e discutem-se os resultados relativos à caracterização dos materiais de sílica e avaliação dos materiais funcionalizados. Por fim apresentam-se as considerações finais do trabalho (Capítulo 6) e as perspetivas futuras (Capítulo 7).
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Capítulo 1 Introdução
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1 Introdução 1.1 Enquadramento teórico Na Europa, a iniciativa “Desafios Societais- Compete 2020” [1] tem como objetivo que até 2020 os países façam emergir a sua liderança nas economias verde, digital e azul, recorrendo, para tal, a novos materiais e à exploração sustentável dos recursos endógenos. Esta transformação viabiliza assim a transição para uma sociedade e economia mais ecológicas, inovadoras e eficientes [2]. Seja em termos de necessidades, oportunidades ou preocupações (com o meio ambiente, segurança ou outras), novos estudos científicos contribuem para a evolução de produtos/processos novos e/ou significativamente adaptados- Figura 1 [3].
Figura 1- Forças para a mudança a nível dos materiais e processos [3].
Assim, um dos desafios atuais da ciência e nanotecnologia é o desenvolvimento de novos materiais/processos mais seguros tanto para a saúde humana como para o ambiente, no sentido de promover a sustentabilidade e a melhoria das condições de vida das gerações futuras [4,5]. Muitos dos impactes sobre o meio ambiente ocorrem na sequência dos processos industriais, do uso e manipulação dos produtos e do uso de combustíveis, assim como nos locais de deposição final dos resíduos industriais e na agricultura pelo uso de pesticidas prejudiciais para o homem e o meio ambiente [6]. A preocupação com o meio ambiente, que já vem desde os anos setenta, e a tentativa de melhorar os produtos existentes assim como desenvolver novos produtos e processos químicos, levou a que surgisse o conceito de química verde ou química para a sustentabilidade. Este conceito foi definido por Paul Anastas e Pietro Tundo como “A invenção, desenvolvimento e aplicação de produtos químicos e
2 processos, para reduzir ou eliminar, o uso e a geração de substâncias perigosas à saúde humana e ao meio ambiente” [6]. Os princípios da química verde [7] alertam para a necessidade de utilização de fontes renováveis de matéria-prima (biomassa), devendo ser usados materiais derivados de plantas e outras fontes biológicas renováveis ou reciclados sempre que possível. Além disso, falam na importância da biocompatibilidade dos produtos e de saber os efeitos dos mesmos para a saúde humana, ecossistema e sobrecarga da poluição. A nanociência e a nanotecnologia são áreas amplas e interdisciplinares que envolvem o estudo e o desenvolvimento de matéria à escala nano (10-9m), tendo vindo a atrair uma enorme atenção por parte da comunidade científica e consumidores em geral, nos últimos anos. A nanotecnologia permite trazer para o mundo real um conjunto de novos produtos em diversas áreas de engenharia, medicina, química, saúde pública e ambiente, tendo um elevado impacto económico na sociedade moderna. Um dos principais focos da nanotecnologia é a criação de nanomateriais (man-made) com propriedades físico-químicas distintas às que os mesmos materiais exibiriam às escalas micro e macro, permitindo assim aplicações únicas e inovadoras [8].
A sílica (SiO2) é o óxido mais abundante na crosta terrestre, porém apesar da sua abundância este mineral é predominantemente sintetizado. A sílica tem demonstrado um elevado potencial no desenvolvimento de nanomateriais tanto devido à sua biocompatibilidade como à possibilidade e facilidade de modificações químicas e físicas [9]. Na natureza, as principais fontes inorgânicas de sílica são a areia, o quartzo e quartzitos, estando ainda presente no mundo orgânico em plantas como o arroz, o milho e a cevada e ainda, em maiores quantidades, nas paredes celulares de diatomáceas [9]. Utilizar a sílica proveniente destas matérias- primas como fonte alternativa deste mineral pode contribuir para a redução do custo dos materiais/processos (pois substitui os precursores comerciais de sílica), trazendo ainda a vantagem da sustentabilidade dos mesmos, por se tratar de uma síntese “verde” de materiais.
1.2 Nanotecnologia O ano de 1959 é considerado o ano zero da nanociência e da nanotecnologia, pois foi quando o Nobel Richard Feynman proferiu, durante o congresso anual da American Physical Society, a palestra intitulada “There’s plenty of room at the bottom” [10]. Ao longo da palestra Feynman discutiu as possibilidades, mudanças e vantagens que seriam possíveis com a obtenção de materiais em escala atómica e molecular, desafiando ainda os seus colegas a estudar a matéria à escala nano [11]. Contudo, o termo «nanotecnologia» só foi usado pela primeira vez em 1974, quando Norio Taniguchi, um investigador da Universidade de Tokio, o usou para se referir à exatidão e à precisão de tolerâncias em maquinaria e materiais de acabamento. Apenas em 1986, quando Eric Drexler do Foresight Institute publicou o livro “Engines of Creation”, é que o termo nanotecnologia é aceite e passa a fazer parte da terminologia científica [12]. O significado desta nova ciência tem evoluído ao longo dos anos. Atualmente, o termo nanotecnologia é usado para se referir ao estudo de manipulação da matéria numa escala atómica e molecular e visa criar materiais nessa gama dimensional. A nanoescala é uma gama de tamanho que
3 corresponde aproximadamente a valores entre 1 nm a 100 nm (sendo que um nanómetro (nm) é um bilionésimo, ou 10-9 de um metro) [13]. A nanotecnologia é um campo vasto e interdisciplinar onde convergem a nanofísica, a química, a ciência de materiais e a biologia [14], depositando-se enormes expectativas no desenvolvimento de novos e melhorados produtos que promovam oportunidades de mercado mais competitivas. A nanociência e nanotecnologia, que têm ocupado um importante espaço na divulgação científica e tecnológica, já demonstraram ter um impacto significativo em vários aspetos da vida humana tais como a saúde, o meio ambiente, a energia, os meios de transporte e a tecnologia da informação sendo assim uma grande promessa para futuras inovações e transformações. A elevada versatilidade destas áreas tem feito com que os governos e empresas de diferentes países incluam a nanotecnologia e a nanociência como uma das prioridades dos seus investimentos [15] - Figura 2 [3].
Figura 2- Tendências de financiamento em nanotecnologia. Adaptado de [3].
1.3 Nanomateriais A produção de nanomateriais tem sido alvo de um estudo intensivo, sendo notável o aumento de protocolos experimentais de síntese desenvolvidos nos últimos anos [16]. A classificação dos nanomateriais depende do número de dimensões que se enquadram na faixa do nanómetro. Nos sistemas confinados a 3 dimensões (0D) têm-se as nanopartículas (NPs), que podem ser isoladoras, semicondutoras (pontos quânticos) ou metálicas. Nesta classificação estão ainda compreendidos os fulerenos e dendrímeros, nanocápsulas, materiais nanoporosos e materiais nanoestruturados. Nos sistemas confinados a 2 dimensões (1D) têm papel central os nanotubos (entre estes, destacam-se os nanotubos de carbono, descobertos em 1991), nanofibras e nanofios, enquanto que a 1 dimensão (2D) incluem-se os filmes finos, monocamadas e superfícies. Os nanomateriais não confinados (3D) são maciços, em geral nanocompósitos formados por 2 ou mais materiais que atuam sinergeticamente à escala nano para obter propriedades que não seriam conseguidas por um material isolado. Estes incluem pós, multicamadas, e materiais fibrosos e materiais policristalinos, em que os constituintes 0D, 1D e 2D estão próximos, estabelecendo interfaces [17] e dando origem ao 3D.
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Apesar de a grande maioria dos nanomateriais ter origem antropogénica (nanomateriais manufaturados) [18] é possível encontrar na natureza diversos materiais nanoestruturados com um elevado nível de auto-organização. As proteínas, os vírus, a concha do molusco haliote, o chifre dos rinocerontes e o fio da teia de aranha são exemplos de nanoarquiteturas biológicas [2]. A produção de produtos à base de nanomateriais envolve várias etapas de fabricação, podendo estes ser produzidos por duas abordagens distintas: top-down (abordagem destrutiva) e bottom-up (abordagem construtiva) - Figura 3. Na primeira começa-se com um material maciço que vai sendo dividido/debastado em pedaços menores usando energia mecânica, química ou outra forma de energia, enquanto a segunda consiste em sintetizar o material a partir de espécies atómicas ou moleculares individuais e, através de processos químicos, as partículas precursoras vão aumentando o seu tamanho. Ambas as abordagens podem ser realizadas em fase gasosa, líquida, fluidos supercríticos, estado sólido ou no vácuo [19]. Um grande interesse neste campo é a capacidade de controlo do tamanho e forma de partícula, distribuição de tamanho, e/ou composição e estrutura de partículas e grau de aglomeração das mesmas [19].
Figura 3- Duas abordagens distintas para a fabricação de nanomateriais: top-down (da esquerda para a direita) e bottom-up (da direita para a esquerda) [19].
A área superficial de um dado material aumenta se este for dividido em porções cada vez menores, tendo-se observado que a redução do tamanho do material para a escala nano pode alterar as propriedades físico-químicas comparativamente às escalas micro e macro. Essas alterações podem ocorrer a nível da reatividade superficial, da libertação de iões e da variação da temperatura de fusão. Estas novas características nos materiais à escala nano levam a que estes apresentem, frequentemente, propriedades mecânicas, óticas, biológicas, eletrónicas, supercondutoras, magnéticas e/ou catalíticas melhoradas ou inesperadas [19]. Tem-se provado que as aplicações dos nanomateriais têm um enorme potencial em termos de resolução de questões de interesse global tais como a saúde e soluções relacionadas com a energia, as alterações climáticas e a água potável [24]. Alguns exemplos das suas aplicações são os protetores solares e produtos cosméticos, tintas, dispositivos eletrónicos, baterias, catálise, biotecnologia,
5 aplicações ambientais, medicina e farmácia, têxteis, sensores de gás, alimentação, construção e energia [20]. Embora os nanomateriais já tenham uma grande diversidade de aplicações, a interação e a extensão da exposição aos nanomateriais pelos organismos são bastante complexas e ainda não são completamente conhecidas. O aumento do uso de NPs e nanomateriais na agricultura e na indústria, entre outros setores, poderá aumentar, por ingestão ou contato, o potencial de contaminação dos organismos vivos [18]. O desenvolvimento e adoção de novos nanomateriais deve ter em conta a sua segurança e impacte ambiental, biológico e económico, devendo ser usados materiais biocompatíveis, que promovam a sustentabilidade e contribuam para a valorização do meio ambiente. Além disso, o crescimento da economia mundial, a expansão dos mercados externos e o aumento da instabilidade política e dos conflitos regionais, têm levado a um aumento acentuado do preço das matérias-primas [8]. Assim, o uso de matérias-primas naturais (como algumas algas, o milho, o arroz e outros cereais) é estrategicamente importante no sentido em que possibilita uma diminuição do custo dos produtos/processos, além de ter implícitas algumas das premissas anteriores.
1.3.1 Ciclo de vida dos nanomateriais O ciclo de vida e o impacte ambiental dos nanomateriais é um âmbito que ainda não tem sido muito estudado, pelo que o conhecimento deste aspeto relativo aos nanomateriais ainda é escasso [21]. O que os estudos indicam é que as principais formas de entrada dos nanomateriais no meio ambiente é através das águas residuais, lamas e incineração de produtos que os contêm [22]. A exposição humana a nanomateriais manufaturados (NM) no estado sólido (libertação para o solo) ou através de lixiviados (libertação para o meio aquático), pode ocorrer nas várias fases do ciclo de vida destes produtos (presente na Figura 4): durante a síntese, produção e inclusão em produtos (exposição ocupacional) e/ou uso dos mesmos (exposição do consumidor). Além destas fases, também a fase de eliminação dos NM e consequente acumulação no ambiente poderá constituir uma fonte de exposição humana (exposição ambiental) [18].
Figura 4- Esquema das várias fases do ciclo de vida de um NM [18].
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Considerando a informação supracitada verifica-se a importância de efetuar a Análise do Ciclo de Vida do Produto (ACV), que consiste em analisar de forma sistemática os impactes ambientais (positivos ou negativos) dos produtos ao longo das várias fases do seu ciclo de vida. Pode ver-se como uma ferramenta que permite às empresas/organizações a gestão ambiental dos efeitos provocados pelos seus materiais, processos e produtos e utilizar esta informação para a investigação, conceção e desenvolvimento de novos produtos, menos prejudiciais para o ambiente [23,24]. Ao efetuar-se uma ACV podem obter-se diversas vantagens [24], sendo alguns exemplos o conhecimento dos impactes dos produtos/processos a nível de saúde humana e ambiental; a relação custo-benefício a estes associado; o consumo de matérias-primas e as emissões atmosféricas, para o solo e água. Isto permite a comparação entre diferentes produtos/processos a vários níveis possibilitando uma escolha mais apropriada tanto para o ser humano como para o ambiente.
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Capítulo 2 Revisão Bibliográfica
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2 Revisão Bibliográfica 2.1 Sílica biogénica
A sílica, SiO2, é constituída por unidades tetraédricas de SiO4 interligadas entre si de forma ordenada ou sem ordem a médio e a longo alcances [25]. A sílica tem aplicabilidade numa vasta gama de aplicações tecnológicas devido à sua elevada estabilidade química e resistência mecânica em ambientes bastante adversos. Contudo, a síntese laboratorial de SiO2 exige condições extremas de temperatura, pressão e pH, um tempo de reação elevado, o uso de solventes tóxicos e/ou caros bem como diversas etapas e protocolos complexos. Além disso, a obtenção de estruturas altamente ordenadas exige tratamentos térmicos prolongados [26]. Por outro lado, a sílica formada naturalmente, pela sua abundância na crosta terrestre, é uma MP barata. Na sílica MP natural destaca-se a sílica biogénica, i.e., toda a sílica que é produzida por organismos vivos. Este é o segundo biomineral mais abundante na Terra, sendo apenas ultrapassado [27] pelo CaCO3 biogénico . Algumas bactérias, protistas unicelulares, plantas, invertebrados e vertebrados, são capazes de formar minerais inorgânicos (biomineralização) [28]. Plantas como o arroz e outros cereais depositam sílica no reforço dos seus tecidos [29] ou como resposta sistémica a ataques patogénicos [30]. Além disso, a sílica está presente em animais, incluindo mamíferos, no desenvolvimento da cartilagem e dos ossos [31,32]. No entanto, a biomineralização da sílica é dominada por organismos unicelulares como diatomáceas e esponjas [27]. Este processo ocorre através da absorção do silício presente no meio ambiente em forma solúvel como ácido silícico. De seguida, armazenam-no nas suas células, catalisando a sua polimerização em sílica com uma estrutura precisa à nanoescala [33]. Hoje em dia, os biomateriais fornecem uma nova fonte de inspiração para o projeto/desenho e fabricação de materiais avançados nanoestruturados (miniaturização) [34]. Os materiais produzidos a partir de sílica biogénica apresentam características ímpares, que ainda não podem ser sintetizadas industrialmente. Para além de muitas vezes apresentarem propriedades físicas incomuns, como a elevada resistência mecânica e/ou química e o grau de hidratação, os minerais formados em ambiente biológico apresentam estruturas que exibem ordem em muitas escalas [35]. Estas características da sílica biogénica e as vantagens da sua utilização em distintas áreas têm levado a que, cada vez mais, a biomimetização dos materiais à base de sílica seja explorada e amplamente desenvolvida [36].
2.1.1 Arroz O arroz cresce em todos os continentes, exceto na Antártica, cobrindo cerca de 1% da superfície terrestre [37]. Este é o segundo cereal mais produzido em todo o mundo, superado apenas pelo trigo, tendo sido produzidas quase 750 milhões de toneladas de arroz só em 2016 [38]. Na indústria do arroz tem-se como subproduto mais volumoso as cascas, que chegam a corresponder a cerca de 20% (em peso) do mesmo. Os principais constituintes da casca de arroz (CA) são a celulose, lenhina, hemicelulose e sílica, sendo as suas quantidades relativas variáveis por a sua composição química ser dependente de fatores como o clima e a localização geográfica do crescimento do arroz [37,39].
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A CA produzida pelo processamento deste cereal é usada como fonte de energia (através da queima), sendo as cinzas depositadas em aterros [39,40]. No entanto, o seu depósito em aterros sanitários provoca a poluição das águas, pois a cinza gerada na combustão apresenta uma certa quantidade de carbono residual, que é um grave poluente para o solo [41,42]. Por outro lado, a sua queima, por ser a céu aberto [40], faz com que se espalhem pelo ar pequenas partículas (às escalas nano e micro) de cinzas deste material, o que pode comprometer a saúde humana [43,44]. Devido à necessidade crescente de conservar energia e recursos é muito importante conseguir efetuar a valorização e gestão dos resíduos da CA, pelo que a geração de energia através da queima desde composto sob condições controladas e o uso das cinzas obtidas neste processo para as mais diversas aplicações é uma alternativa vantajosa tanto do ponto de vista tecnológico como do económico e bioético [41,45]. Durante o crescimento, as plantas de arroz absorvem a sílica e outros minerais do solo e acumulam-na principalmente nos caules, folhas e cascas. A sílica chega a corresponder a cerca de 22% do peso CA [46] o que a torna um resíduo valorizado, uma vez que pode ser usada como fonte alternativa deste mineral [47]. Nos últimos anos têm sido reportados diferentes protocolos para a extração da sílica das CA, recorrendo a técnicas como a lixiviação ácida e gaseificação. As propriedades físico-químicas da sílica obtida a partir da CA são altamente dependentes de fatores como a temperatura, velocidade de aquecimento e fluxo do processo de tratamento térmico [48]. Apesar de a CA não ter valor comercial, devido a características como a elevada dureza e a natureza abrasiva e fibrosa, é muitas vezes utilizada como fonte alternativa de calor para gerar gases quentes, usados para a secagem do próprio arroz [41]. Em vez do emprego direto da CA, é efetuado um processo de queima a este cereal que dá origem a cinzas da casca de arroz (CCA), um resíduo agroindustrial com uma elevada quantidade de sílica (até cerca de 90% em peso) [40,45]. Apesar de a sílica obtida através do processo de queima estar normalmente na forma cristalina, é possível a obtenção de sílica amorfa branca de elevada pureza química a partir da CA. Muitos autores concluíram que um tratamento ácido da CA seguido de queima controlada se mostra eficaz na remoção da maior parte das impurezas metálicas e na produção de cinzas completamente brancas com uma área superficial elevada e altamente reativa devido às suas caraterísticas ultrafinas [49]. Chakraverty e Banerjee [50] estudaram a influência que o ácido usado na lixiviação, bem como a temperatura e o tempo utilizados no tratamento térmico (combustão), têm na estrutura final da sílica presente na CCA. Concluíram que entre os ácidos HCl, H2SO4 e HNO3, o HCl mostra ser o mais eficiente na remoção dos metais e que a lixiviação ácida não afeta a estrutura da sílica presente na CCA. Além disso, verificaram que o uso de HCl (1N) produz uma cinza totalmente branca e que a temperatura mínima de combustão para obter este tipo de cinza é de 500 ºC (com um tempo razoável). Concluíram ainda que o tempo necessário para a obtenção da sílica amorfa na CCA varia entre 5h a 500 ºC e 1,5h a 700 ºC. Hai Le et al. [51] aqueceram a CA durante 4 horas a 600 ºC para produzir CCA. De seguida, estas CCA foram misturadas com hidróxido de sódio para formar uma solução de silicato de sódio e por fim
10 foi efetuada uma precipitação com a adição de HCl, numa mistura de água/butanol, com presença catiónica. Diferentes análises confirmaram a extração de sílica amorfa. Madrid e Margarido [37] usaram um processo de valorização incluindo lavagem com água, lixiviação
ácida com H2SO4 e calcinação a 540 ºC. No final do processo, verificaram que a sílica presente na CCA tinha elevada pureza e que era branca, porosa e amorfa. Sendo a CCA uma matéria-prima barata e tendo em conta as vantagens que advêm do seu aproveitamento em vez do seu despejo, tem-se estudado a sua aplicabilidade em diversos campos. Já se verificou a eficiência da sua utilização em materiais de construção, isolamento ou cerâmica. Encontra ainda aplicações como suporte de catalisador, enchimento (por exemplo, papel, tinta, borracha, polímeros) e outros tipos de aditivos, abrasivos, isoladores e absorventes/adsorventes de poluentes [37].
2.1.2 Milho O milho é uma das culturas de plantas mais amplamente cultivada em diferentes partes do mundo. De acordo com o Conselho Internacional de Cereais, foram produzidas 977 milhões de toneladas de milho em 2016/2017, em todo o mundo [52]. Por cada 100 kg de grão de milho, são produzidas cerca de 18 kg de espigas de milho (EM), que são geralmente deitadas fora como desperdício ou queimadas como um combustível de baixa qualidade. Isto possui um problema sério não só no seu armazenamento, mas também na eliminação, pois a combustão da EM contribui, tal como no caso do [54,55] arroz, para um aumento na concentração de CO2 na atmosfera .
A EM contém uma elevada quantidade de SiO2 (> 60% em massa) e alguns elementos metálicos. Uma vez que a cinza da espiga de milho (CEM) é obtida como pó fino após a combustão, não são necessários mais processos de moagem, tornando-se assim uma das fontes mais económicas de sílica [55]. Apesar de o uso de EM já ter sido desenvolvido em vários campos como a produção/preparação de enzimas, proteínas, combustível, absorvente e cimento, pouco se centrou no uso da CEM para a produção de sílica e do seu uso como fonte alternativa deste mineral [55]. Apenas recentemente começaram a ser feitos estudos nesse sentido. Mohanraj e os seus colaboradores [53] prepararam e caracterizaram nano-sílica obtida a partir das CEM, utilizando um método de precipitação. Para tal, começaram por calcinar as espigas de milho às temperaturas de 550 °C, 650 °C e 750 °C, durante 2 h, para remover os voláteis da amostra e determinar a estrutura amorfa de SiO2. Em seguida, misturaram a cinza tratada termicamente com várias concentrações de NaOH e álcool polivinílico (PVA), que atuou como agente dispersante, obtendo assim a sílica pura. Saleem et al. [54] sintetizaram sílica a partir da EM utilizando ácidos orgânicos. A CEM foi produzida por imersão de EM em três ácidos orgânicos diferentes: ácido cítrico, ácido acético, ácido oxálico, e solução combinada de ácido cítrico e ácido acético. Os ácidos orgânicos foram usados para ajustar a qualidade da matéria-prima, tendo ainda a função de desaluminar as cinzas antes da extração da sílica precipitada. As CEM foram misturadas com uma solução alcalina para produzir solução de silicato de sódio e a sílica precipitada foi produzida pela neutralização da solução de silicato de sódio.
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Velmurugan e os seus colegas [55] trataram a CEM com uma solução de NaOH, de modo a obterem sílica amorfa e pura e, após várias lavagens, obtiveram silica xerogel. A sílica produzida demonstrou- se eficiente na remoção do corante catiónico azul de metileno. Okoronkwo e os seus colaboradores [56,57] têm-se dedicado ao estudo da extração de sílica das CEM, através do método sol-gel. Em 2013 [56], usaram as CEM para a produção de sílica xerogel e, três anos mais tarde [57], desenvolveram um novo estudo para analisar a utilização das CEM’s para a obtenção de NPs de sílica [57].
2.1.3 Diatomáceas Os oceanos cobrem 70% da superfície do nosso planeta. Apesar de os organismos fotossintéticos que vivem dentro da sua zona fótica fazerem parte de uma pequena porção da biomassa verde da Terra, são responsáveis por cerca de metade da produtividade primária global do planeta. As diatomáceas são consideradas o grupo de organismos eucarióticos com maior contribuição nesta produtividade [58], As diatomáceas são microalgas unicelulares, eucarióticas e fotossintéticas, que estão presentes em ecossistemas de água doce e salgada, já tendo sido descritas mais de 100 000 espécies com uma elevada diversidade de morfologias [28]. Na Figura 5 [59] é possível ver alguns exemplos da diversidade da forma e estrutura de algumas diatomáceas.
[59] Figura 5- Diversidade de formas e estruturas nas algas diatomácea .
A elevada contribuição das diatomáceas para a produção primária biológica na Terra (são responsáveis por aproximadamente 20% a 25% desta produção) deve-se a estarem envolvidas tanto no ciclo do silício como no do carbono [33,60]. Estes organismos são ainda os predominantes na biosilicificação tanto em relação ao número de estruturas silicificadas que conseguem produzir como na produção global de sílica biogénica [61]. Enquanto a quantidade de sílica solúvel na água do mar é cerca de 0,01-0,1 mM, nestas algas este valor apresenta valores bastante superiores (10-100 mM) [62]. As diatomáceas são consideradas como o exemplo mais notável de organismos vivos com estruturas de sílica geradas biologicamente, possuindo uma arquitetura 3D de microesferas de sílica
12 porosa, que formam a parede celular destas algas. A composição da parede celular (frústula) das diatomáceas tem sido amplamente investigada nos últimos 30 anos tendo sido identificados carboidratos, proteínas (silafinas e/ou poliaminas de cadeia longa), lipídios e outras biomoléculas na mesma. A ligação entre os diferentes componentes constituintes da frústula e a rede de sílica tem uma forte relação com o grau de complexidade da mesma [36]. A frústula das diatomáceas é composta por duas metades (denominadas tecas), uma ligeiramente maior que outra, que se encaixam assemelhando-se a uma caixa de Petri. A teca maior (epiteca) e a menor (hipoteca) são compostas por valvas que se encontram nas extremidades da célula (epivalva e hipovalva), unidas por um conjunto de anéis ou bandas conetivas, também de natureza siliciosa [63]. Durante a sua reprodução vegetativa, que predomina sobre a reprodução sexual, as diatomáceas precisam de produzir uma nova parede celular de sílica. Apesar de ainda não ser conhecido o precursor que as diatomáceas usam para a formação da sílica biogénica no seu interior, os investigadores acreditam que o ácido silícico (Si(OH)4), que ocorre em habitats onde estas algas se encontram, é a fonte original da formação deste mineral. Assim, a rede siliciosa presente nas frústulas das diatomáceas será formada através da reação de policondensação representada pela equação 1 [28].
푆푖(푂퐻)4 → 푆푖푂2 + 2퐻2푂 (eq. 1)
A formação das estruturas de sílica biogénica ocorre num compartimento intracelular especializado, denominado Vesícula de Deposição de Sílica (SDV), sendo este o local considerado como o responsável pelo controle da precipitação de sílica e formação dos mais diversos padrões [63]. O ciclo celular de diatomáceas começa com mitose seguida de citocinese, resultando na divisão do protoplasto em duas células-filhas. Imediatamente após a divisão celular, cada célula-filha inicia a produção de uma nova valva, sendo a formação de sílica para a síntese de novas valvas iniciada nas VDS’s. Com a precipitação progressiva de sílica, as VDS’s expandem-se e, quando a síntese de sílica é concluída, o conteúdo da VDS é então transportado para o espaço extracelular por exocitose, sendo assim formadas as paredes celulares destas algas [63]. A presença de sílica nas paredes celulares das diatomáceas faz com que estas apresentem uma estrutura porosa altamente ordenada, com padrões distintos de espécie para espécie e uma elevada organização hierárquica à escala nano [64]. A frústula das diatomáceas, de diâmetro entre 20 e 200 μm [65], é formada por uma rede de sílica amorfa de elevada área superficial, baixa densidade, elevada permeabilidade e excelente resistência mecânica. Estas características levam a que as diatomáceas tenham propriedades óticas e fotónicas, permitindo ainda a sua utilização como agentes de transporte molecular [66]. As diatomáceas podem ser recolhidas no seu habitat (culturas celulares de diatomáceas em lagoas ou mares) ou como sedimento silicioso fossilizado no fundo de lagoas ou mares, denominando- se diatomito ou terra de diatomáceas (DE) [67,68]. As diatomáceas podem ser facilmente cultivadas em laboratório, num meio de cultura, necessitando apenas de luz e alguns nutrientes. Em poucos dias, uma única diatomácea pode gerar, através do processo de auto-divisão, um elevado número de «diatomáceas-filha» com frústulas
13 idênticas. Por exemplo, é possível obter mais de 1 trilião de diatomáceas a partir de apenas 40 ciclos de reprodução contínua, a partir de uma única diatomácea [59, 69]. A limpeza controlada da frústula das diatomáceas é necessária, tanto para a caracterização e avaliação da morfologia da frústula como para a sua aplicação em materiais. A limpeza tem como objetivo a remoção de toda a parte orgânica de modo a ter unicamente sílica mineral na diatomácea. Este processo pode afetar a estrutura da frústula, por exemplo induzir a sua fragilidade e alterar a sua porosidade, pelo que é necessário algum cuidado durante este procedimento. Os protocolos de limpeza reportados são relativamente simples e baseiam-se tanto em tratamentos químicos (p.e. com diferentes ácidos ou oxidantes), como em tratamentos térmicos a diferentes temperaturas [70]. A facilidade do cultivo artificial das diatomáceas e da sua preparação, aliado ao fato de serem uma fonte económica de sílica, despertou o interesse dos investigadores para usar estas microalgas em diferentes áreas. Atualmente já estão publicados alguns trabalhos e revisões a descrever a grande variedade de aplicações em que as diatomáceas podem ser usadas. Na nanotecnologia encontram aplicações na ótica, fotónica, eletrónica, bio-deteção, biossensores, filtração, imunoprecipitação, imunoisolação, microfluidos, técnicas de micro- e nanofabricação, separação molecular e catálise [66 e artigos citados]. Na Figura 6 é possível ver os diversos campos de aplicações [33] destas microalgas, alguns já atualmente explorados enquanto outros se têm como perspetiva de estudo.
Figura 6- Diversos campos de possíveis aplicações das diatomáceas [33].
A maioria dos trabalhos de investigação reportados até à data são realizados em escala de laboratório, pelo que é necessário o estudo da viabilidade técnico-económica para escala industrial. Além disso, muitas das aplicações das diatomáceas são limitadas pela química da sua sílica, pelo que mais recentemente começaram a ser efetuados estudos no sentido de modificar a sua estrutura e obter a sua funcionalização, preservando a nanoestrutura 3D da frústula. No sentido de converter a sílica biogénica em estruturas inorgânicas (MgO, ZrO2, TiO2, zeólitos), semicondutores (Si-Ge), metais (Au) ou orgânicos (polianilina), podem ser usadas variadas abordagens como o crescimento hidrotermal, deslocamento de gás/sólido, deposição química, processo sol-gel e polimerização [71 e artigos citados].
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Nos últimos anos, foram desenvolvidos alguns procedimentos para a funcionalização da sílica presente nas frústulas das diatomáceas e da DE com 3-(aminopropil)trietoxissilano (APTES). Yu e Losic [68] modificaram quimicamente as micropartículas da sílica de diatomáceas com monocamadas auto-organizadas (SAM’s) de APTES e estudaram a sua aplicação para a adsorção de iões de mercúrio (Hg (II)), demonstrando que a adsorção deste elemento foi bastante melhorada após a funcionalização química das micropartículas da diatomácea. Kabiri et al. [72] também estudaram a eficiência do desempenho da DE na adsorção de Hg (II) da água. Para tal sintetizaram compósitos sob a forma de aerogéis auto-organizados com redes tridimensionais (3D) de grafite natural e rochas de DE. Em ambos os trabalhos, o material funcionalizado preparado exibiu excelente desempenho de adsorção para a remoção de mercúrio da água, demonstrando-se promissores adsorventes naturais, económicos e benignos para o meio ambiente. Aw e os seus colegas [66,73] têm-se dedicado ao estudo da funcionalização de DE com APTES, recorrendo à utilização de material funcionalizado como portador de fármacos (drug delivery) insolúveis em água. Bariana et al. [74] demonstraram a modificação da superfície de DE com SAM’s, incluindo APTES, também com o propósito de ver a sua eficiência no transporte de fármacos. Em todos estes trabalhos foi demonstrado que a superfície hidrofílica (proporcionada pelo APTES) permite uma libertação do fármaco mais rápida e um menor tempo de transporte, provando a eficiência dos materiais sintetizados como portadores de fármacos (drug carriers). A sílica biogénica das diatomáceas é assim uma alternativa promissora para a síntese de novos dispositivos para a administração oral e local de fármacos. Ruggiero e os seus colaboradores [75] descreveram um procedimento para a preparação de NPs de DE com um tamanho médio de 200 nm, sendo as mesmas posteriormente funcionalizadas com APTES. Análises de microscopia confocal revelaram uma absorção eficiente das NPs no citoplasma de células de carcinoma epidermoide humano, demonstrando que as NPs de diatomito podem representar uma ferramenta promissora para a entrega de algumas moléculas anticancerígenas e de fármacos dentro de células cancerígenas. Rea et al. [76] converteram a sílica biogénica das diatomáceas em estruturas de sílica, através de um processo magnesiotérmico, sendo depois funcionalizadas com APTES. O material funcionalizado demonstrou ter propriedades de emissão de luz, podendo ser usado para reconhecer anticorpos, comprovando a aplicabilidade das diatomáceas como sensores optoeletrónicos.
2.2.3.1 Presença de diatomáceas nos Açores Os Açores (Região Autónoma dos Açores) são um arquipélago transcontinental situado no nordeste do Oceano Atlântico entre os 36º e os 43º de latitude Norte e os 25º e os 31º de longitude Oeste. O arquipélago é composto por 9 ilhas principais que se encontram em grupos distintos tento em conta a sua localização geográfica. Os Açores caracterizam-se por uma enorme biodiversidade de espécies, fauna e flora. No final do século XIX e na primeira metade do século XX vários algologistas realizaram expedições ao arquipélago, das quais resultou uma grande contribuição para o conhecimento de flora algológica de água doce desta região [77].
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As diatomáceas podem ser encontradas em grande abundância nas diferentes lagoas que se distribuem pelas ilhas, já tendo sido identificadas diversas espécies destas algas. Nos Açores as diatomáceas têm sido fortemente estudadas como indicadores paleoecológicos, tendo sido usadas ainda como indicadores de alterações climáticas, antropogénicas e de alterações do estado trófico das lagoas [78]. Os locais de recolha das algas diatomáceas utilizadas na realização do trabalho estão representadas na figura abaixo (Figura 7).
Figura 7- Locais onde as amostras de algas diatomáceas, usadas neste trabalho, foram recolhidas: Lagoa das Furnas (à esquerda) e Lagoa das Sete Cidades (à direita).
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Capítulo 3 Técnicas de Preparação e Caracterização
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3 Técnicas de Preparação e Caracterização Este capítulo descreve o processo usado para a funcionalização da (bio)sílica proveniente de diatomáceas (processo sol-gel) bem como as técnicas usadas para a caracterização físico-química (TEM-EDS, RMN, DRX, FTIR e TGA) das amostras de algas após os diferentes procedimentos.
3.1 Processo sol-gel Sol-gel é um método de síntese construtiva (bottom-up) que adquiriu popularidade nos últimos anos pela enorme versatilidade química, simplicidade, elevado grau de pureza dos materiais obtidos e ainda a diversidade topológica dos produtos que é possível obter (0D, 1D, 2D e 3D). A produção de materiais através do método sol-gel inicia-se em 1846 quando Ebelmen prepara um metal alcóxido a partir de SiCl4 e álcool. Mas apenas em 1939 este processo é usado pela primeira vez em escala industrial pela Schott Glass, para deposição de camadas de óxidos sobre vidros [79]. Desde então, este método tem sido imensamente utilizado em diversas áreas da tecnologia. Sol-gel é uma via química húmida onde num determinado momento ocorre uma transição sol-gel. O termo ‘sol’ refere-se a uma suspensão cineticamente estável de partículas sólidas coloidais (dimensão entre 1 e 1000 nm) num líquido, e o termo ‘gel’ refere-se a uma rede sólida contínua, porosa e tridimensional (3D), rodeada e suportada por uma fase contínua líquida, imobilizando o líquido nos seus interstícios. A alteração do método e das variáveis processuais usadas permite a produção de materiais com arquitetura, flexibilidade e porosidades diferentes, tais como fibras, cerâmicos, nanopartículas e filmes de diferentes espessuras [79]. O método sol-gel apresenta grandes vantagens tanto a nível da química básica como do protocolo experimental. O produto final apresenta elevada homogeneidade, fácil controlo da espessura e da dimensão das NPs. O fato de o processo ocorrer à temperatura ambiente leva a que tenha um preço relativamente baixo comparativamente a outros métodos. Outra vantagem é a possibilidade de obter materiais com diferentes tipos de configuração [79]. Apesar das vantagens mencionadas este método apresenta alguns problemas que limitam o seu uso industrial, tais como o custo elevado dos precursores químicos e/ou reagentes bem como o número limitado dos mesmos disponíveis no mercado, o tempo de processamento elevado e baixa reprodutibilidade das propriedades físicas finais dos materiais [80,81]. No processo sol-gel estão envolvidas diferentes etapas (Figura 9) e todas elas contribuem para a estrutura e propriedades do gel final obtido. Este processo conta com a preparação do sol, reações de hidrólise e condensação, catalisadas por ácidos ou bases, uma transição sol-gel e o envelhecimento e secagem do gel.
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Figura 8- Esquema da obtenção de materiais pelo processo sol-gel [84].
3.1.1 Hidrólise e Condensação Na reação de polimerização sol-gel estão envolvidas 2 reações principais. A primeira é a hidrólise, em que há a substituição dos grupos alcóxido (OR) por grupos OH, formando-se os grupos silanol (Si-OH) e sendo libertado um grupo alcoólico (ROH). Esta reação pode ser representada pela equação 2 [79]:
(eq . 2)
Na segunda etapa ocorre uma policondensação: a primeira aquosa (equação 3a) e a segunda alcoólica (equação 3b), correspondendo à condensação do grupo silanol, a qual leva inicialmente à formação do sol e, posteriormente, ao gel. Através deste passo obtêm-se então os grupos siloxano (Si- [79] O-Si) :
(eq. 3a)
(eq. 3b)
O fato de as reações de hidrólise e condensação poderem ocorrer simultaneamente faz com que os mecanismos envolvidos nas mesmas durante a transição sol-gel sejam bastante complexos.
3.1.1.1 Mecanismo da Hidrólise: Catálise ácida e básica Apesar de a hidrólise poder ocorrer sem a presença de um catalisador, verificou-se que a velocidade e extensão desta reação podem ser melhoradas pela adição de um catalisador ácido ou básico, pelo que o seu uso é bastante recorrente. A natureza e concentração do catalisador afetam fortemente a velocidade e a extensão desta reação. Além disso, a reação de hidrólise é favorecida pela diminuição do impedimento estereoquímico em torno do átomo de silício e pela presença de substituintes dadores de eletrões, que estabilizam a carga positiva do estado de transição [79]. Em condições ácidas, o grupo alcóxido ligado ao silício é protonado rapidamente, ocorrendo de seguida uma substituição nucleofílica (SN2) através do ataque nucleofílico do oxigénio da água ao
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átomo de silício. Quando o grupo alcóxido é protonado, a densidade eletrónica sobre o átomo de silício é retirada, tornando-o mais eletrofílico com cargas positivas parciais e, dessa forma, mais suscetível ao ataque nucleofílico pela molécula de água. De seguida, há a formação de um intermediário pentacoordenado, onde há o ataque simultâneo do nucleófilo e deslocamento do grupo de saída. A carga positiva do alcóxido protonado é então reduzida, tornando o álcool o melhor grupo abandonador, sendo eliminado [79]. A Figura 9 [82] demonstra o mecanismo de reação de hidrólise de um grupo alcóxido catalisada por um ácido:
Figura 9- Mecanismo da reação de hidrólise, catalisada por um ácido, de um grupo alcóxido [82].
A hidrólise catalisada por bases é mais lenta quando comparada com a catalisada para ácidos, pois os oxigénios dos alcóxidos tendem a repelir o nucleófilo, OH-. Contudo, após a reação de hidrólise inicial, os grupos alcóxidos vão sendo cada vez mais facilmente removidos, aumentando sucessivamente a velocidade da reação [79]. Sob condições básicas o nucleófilo é o próprio ião hidróxido (formado pela dissociação da água), consistindo a reação no ataque nucleofílico deste ao átomo de silício do alcóxido. De seguida, há a transferência de um protão da água para um grupo alcóxido, com a libertação de uma molécula de álcool. O mecanismo da reação de hidrólise catalisada por base pode ser descrito como na Figura 10 [82]:
Figura 10- Mecanismo da reação de hidrólise, catalisada por uma base, de um grupo alcóxido [82].
Ambas as reações de hidrólise dependem dos efeitos estereoquímicos e indutivos. No entanto, as reações catalisadas por bases dependem mais dos fatores estereoquímicos, pois nestas condições o silício do estado de transição tem pouca carga [79].
3.1.1.2 Mecanismo da Condensação: Catálise ácida e básica A velocidade da reação de condensação é máxima a um pH neutro, onde a concentração de silanóis protonados e desprotonados é idêntica. No ponto isoelétrico da sílica (pH=2), ponto para o qual as cargas à superfície são nulas (potencial zeta () = 0), a velocidade da reação é mínima [79]. A reação de condensação com catalisadores envolve o ataque de um silanol desprotonado nucleofílico numa espécie de silicato neutra. Esta reação ocorre acima do ponto isoelétrico de sílica, que é onde os grupos silanóis podem estar desprotonados (dependendo da sua acidez). A acidez de um silanol depende dos outros substituintes no átomo de silício. Quando os grupos -OR e -OH são substituídos por grupos -OSi, a densidade de eletrões no átomo de Si é reduzida, aumentando a acidez
20 dos protões nos restantes silanóis [79, 82]. O mecanismo da reação de condensação catalisada por base pode ser descrito como na Figura 11 [82].
Figura 11- Mecanismo da reação de condensação, catalisada por uma base, de um grupo alcóxido [82].
No caso de mecanismo de condensação com catalisadores ácidos, a reação envolve a protonação de espécies silanol. A protonação torna o silício mais eletrofílico, tornando-o mais suscetível ao ataque nucleofílico [79, 82]. O mecanismo da reação de condensação catalisada está representado na Figura 12 [82].
Figura 12- Mecanismo da reação de condensação, catalisada por um ácido, de um grupo alcóxido [82].
As reações de condensação são também influenciadas por fatores estereoquímicos e indutivos. Os substituintes ligados ao silício que reduzem o efeito estereoquímico melhoram a cinética da reação. Já os grupos volumosos ligados ao silício ou, ainda, a condensação parcial do silício envolvido na reação de condensação, retardam o processo de condensação [79].
3.1.1.3 Parâmetros que influenciam as reações As propriedades físicas (p.e. área superficial específica e o tamanho médio e distribuição dos poros) e químicas do gel dependem fortemente dos parâmetros utilizados no processo de sol-gel. Fatores como o tipo de precursor e a sua reatividade, pH do meio reacional, temperatura, razão molar H2O/alcóxido (R), natureza e concentração do catalisador, tipo de solvente, contribuem para a obtenção de materiais com diferentes estruturas e, portanto, com diferentes propriedades. Estas variáveis, por influenciarem fortemente a velocidade das reações de hidrólise e condensação, vão controlar o crescimento e agregação das espécies de sílica durante a transição sol-gel [79].
Moléculas precursoras A formação da suspensão coloidal (sol) é feita pela dispersão de NPs sólidas ou um material precursor, juntamente com uma solução de reagentes e solventes. A escolha do precursor a utilizar é muito importante, pois pode definir as propriedades do produto final. Estes são divididos em dois grupos: os sais (cloretos, nitratos, sulfetos, entre outros) e alcóxidos, sendo os últimos mais utilizados [81]. Nos últimos anos tem sido desenvolvido trabalho de investigação com o objetivo de desenvolver precursores alternativos e mais baratos como sais inorgânicos e orgânicos. No entanto, os precursores mais comumente utilizados para a produção de géis de sílica continuam a ser os alcoxisilanos, como o tetraetilortosilicato (TEOS) e o tetrametilortosilicato (TMOS) [81].
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Nos alcoxisilanos, o átomo de silício central é ligado covalentemente, através de ligações éter, a [35] grupos orgânicos . A polimerização sol-gel do TEOS, Si(OEt)4, e do TMOS, Si(OMe)4, é um método simples e adequado para a síntese de géis de sílica amorfa [84]. Na escolha do uso do precursor a utilizar, é necessário ter em conta as propriedades de hidrofobicidade e hidrofilicidade dos mesmos. Uma vez que a grande maioria dos precursores utilizados tem baixa ou até mesmo nula solubilidade em água, é usual a adição de co-solventes orgânicos (como etanol) para promover a mistura homogénea entre o precursor e a água [79]. Características dos precursores, como o efeito indutivo e o impedimento estereoquímico do grupo alcóxido ou outro substituinte orgânico ligado ao átomo de silício, influenciam a cinética das reações. A introdução de grupos funcionais produz materiais híbridos com diferentes propriedades [85]. Características dos precursores, como o efeito indutivo e o impedimento estereoquímico do grupo alcóxido ou outro substituinte orgânico ligado ao átomo de silício, influenciam a cinética das reações [79]. Os efeitos indutivos dos grupos ligados ao átomo de silício estabilizam ou desestabilizam os estados de transição durante as reações de hidrólise e condensação, daí a sua importância. A densidade eletrónica do átomo de silício diminui na seguinte ordem: Si-R > Si-OR > Si-OH > Si-O-Si. Assim, na catálise ácida, a densidade eletrónica do átomo de Si deve ser maior para que a carga positiva do estado de transição seja melhor estabilizada depois. Além disso, a velocidade das reações do processo sol-gel, sob condições ácidas, aumentam na mesma ordem que a densidade eletrónica do silício [79,87]. A estabilidade hidrolítica dos alcoxisilanos é influenciada por fatores estereoquímicos sendo que, quanto maior o tamanho da cadeia e o número de ramificações do grupo alcóxido, menor a velocidade de hidrólise dos alcoxisilanos [62].
Catalisadores A utilização de catalisadores, ácidos ou básicos, no processo sol-gel é essencial na redução do tempo de reação. Catalisadores como o ácido clorídrico (HCl), ácido nítrico (HNO3), ácido fluorídrico (HF),
ácido acético (CH3COOH) e hidróxido de amónio (NH4OH), têm sido os mais usados no processo sol- gel. Os ácidos minerais são tidos como mais eficientes catalisadores que as bases de concentração equivalente, por diminuírem o tempo de gelificação [79]. O catalisador utilizado pode modificar drasticamente a estrutura do material produzido, pois o pH do meio vai influenciar a velocidade das reações de hidrólise e condensação, controlando assim o mecanismo da reação [79]. Em condições de catálise ácida a hidrólise é favorecida, ocorrendo rapidamente, o que produz um rápido aumento de monómeros contendo a espécie Si–OH. Assim, a condensação ocorre preferencialmente entre os grupos silanóis localizados nas extremidades da cadeia polimérica, levando à formação de géis compostos por cadeias poliméricas lineares por vezes com ligações cruzadas. Após a secagem é então formado um gel denso, fraco e com poros pequenos (microporoso) [79]. As soluções catalisadas com ácidos fracos demoram mais tempo para atingirem o ponto de gel do que as com ácidos fortes [79].
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Por outro lado, sob condições de catálise básica, as reações de hidrólise e condensação ocorrem segundo um mecanismo SN2. Nestas condições é promovida a reação de condensação e a adição do nucleófilo Si-O é direcionada preferencialmente para o centro dos oligómeros (que são mais ácidos), o que se deve ao fato de a carga parcial positiva do silício aumentar com a conetividade. Estas condições levam à formação espécies altamente ramificadas que não são interpenetráveis antes da secagem comportando-se, portanto, como espécies discretas. São assim produzidos materiais com um grande volume de poros (mesoporosos) e maior resistência à tração devido à alta taxa de condensação [79]. A hidrólise é mais lenta quando se utilizam catalisadores básicos do que quando se utilizam catalisadores ácidos, para uma concentração equivalente. No entanto, em condições básicas, a hidrólise tende a ser completa e irreversível [79]. Os efeitos dos catalisadores são melhor observados na faixa de pH de 2 a 10. Fora dessa faixa, têm pouca influência nas reações de condensação. Observa-se que, para reações catalisadas por ácidos, o melhor pH é em torno de 4 e para catalisadores básicos, o pH deve ficar próximo a 8, otimizando a ação destes catalisadores [79].
Efeito do pH Como o ponto isoelétrico da sílica ocorre a pH=2, são considerados três casos para o estudo da influência do pH no processo sol-gel: pH<2, 2
Razão H2O: alcóxido (R) A razão molar de água/alcóxido (R) tem um papel importante no controlo da nanoestrutura do produto final. A quantidade de água disponível no início da reação de hidrólise influencia a extensão da hidrólise dos monómeros o que irá, por sua vez, afetar a velocidade das reações de condensação aquosa e alcoólica [79, 87]. Quanto maior R mais completa é a hidrólise, por promover o contato entre a água e o precursor de sílica. Assim, o esperado seria que o aumento do valor de R, aumentasse a velocidade das reações de policondensação, o que não acontece realmente. Primeiro, este valor não pode atingir valores demasiado elevados por poder levar ao risco de imiscibilidade das fases água/TEOS. Além disso,
23 aumentando a razão H2O: alcóxido e mantendo a relação solvente: Si constante, a concentração de silicatos formados é reduzida. Este efeito de diluição diminui a velocidade das reações de hidrólise e condensação, aumentando o tempo de gelificação. Assim, deve-se trabalhar com valores intermédios de R (entre 2 e 4) [79,87]. Dependendo da quantidade de água e de catalisador, a hidrólise pode ser mais ou menos completa, ou seja, pode haver maior ou menor substituição de grupos alcóxidos (OR) por hidroxilos (OH-). TEOS, por ser um precursor tetrafuncional, necessita estequiometricamente de 4 moléculas de água para que a sua hidrólise seja completa, mas, como a água é um dos produtos da condensação subsequente, R=2 é suficiente para completar a reação de hidrólise [79]. Enquanto o mecanismo de condensação alcoólica - equação 3b- é favorecido em condições subestequiométricas de água (R<<2), o mecanismo de condensação aquosa- equação 3a- é favorecido para valores de R>2 [79]. Para valores de R<2, a taxa de hidrólise diminui devido ao défice de um dos reagentes- a água. A reação dos alcóxidos de silício com a água vai levar à formação de monómeros parcialmente hidrolisados e, quando estes condensam, formam géis com estruturas semi-esterificadas (espécies poliméricas lineares ou ramificadas). Além disso, quando R<<2 como a condensação alcoólica é dominante e o tempo de geleificação é mais elevado, obtém-se um material mais microporoso. Pelo contrário, uma grande quantidade de água (R>2) faz aumentar a velocidade de hidrólise, promovendo a condensação aquosa. Neste caso, a velocidade de agregação é menor, levando à formação de estruturas mais ramificadas e, consequentemente, mais porosas e com maior área superficial. Em condições de grande excesso de água (R>10), a quantidade de água não afeta praticamente a estrutura do gel formado [79]. Relacionando o tipo de catálise com o valor de R, conclui-se que condições de catálise ácida e baixos valores de R resultam em sóis poliméricos pouco ramificados e géis que, após secagem, se apresentam como xerogéis microporosos com textura muito fina- Figura 13 [87]; por outro lado, sob catálise básica e valores de R elevados são produzidas partículas coloidais, que formam xerogéis meso ou macroporosos compostos por partículas densas e não porosas- Figura 14 [87].
Figura 13- Reação catalisada por ácidos e R baixo. Adaptado de [87].
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Figura 14- Reação catalisada por bases e R elevado. Adaptado de [87].
Efeitos do solvente Tal como mencionado anteriormente os alcoxisilanos são hidrofóbicos, pelo que são imiscíveis com a água. Assim, é necessária a adição de solventes orgânicos (por exemplo um álcool) para promover a homogeneização da mistura reacional. [79] O diagrama ternário TEOS-H2O-ROH (Figura 15) ilustra a zona de imiscibilidade entre o TEOS e H2O. Neste sistema a zona de miscibilidade aumenta com a diminuição da quantidade de TEOS (devido à natureza hidrofóbica dos grupos etoxi no TEOS). A utilização de um álcool como co-solvente permite pôr em contacto as moléculas de água e TEOS, que de outra forma se separariam em 2 fases imiscíveis. É ainda importante notar que no caso em que se usa álcool como co-solvente este vai influenciar o mecanismo da reação uma vez que é um dos produtos da condensação alcoólica (neste caso será favorecido o mecanismo de condensação- equação 3a).
Figura 15- Diagrama de fases ternário Água+ Álcool+ TEOS [79].
A polaridade dos solventes é também um fator a ter em conta, por ser determinante na sua capacidade para dissolver espécies polares ou apolares. Enquanto os solventes polares retardam a condensação catalisada em meio básico e promovem a condensação catalisada em meio ácido, os solventes apolares apresentam o efeito contrário. Isto acontece porque na reação de hidrólise, onde + - intervêm iões H ou OH , haverá a redução da atividade catalítica no caso em que uma molécula de solvente se liga a um destes dois iões. Como resultado, os solventes polares que não fazem ligações
25 de hidrogénio com os iões H+, tornam-nos mais eletrófilos, enquanto que os solventes apolares formam iões hidróxido mais nucleófilos. Assim, os solventes polares fazem ligações de hidrogénio com silanóis nucleófilos apolares, enquanto que os solventes apolares se ligam a silanóis protonados eletrófilos [79].
3.1.2 Gelificação, envelhecimento e secagem do gel Na transição sol-gel, também chamada gelificação, as partículas coloidais dispersas (sol) presentes inicialmente em solução ligam-se, formando pequenas cadeias ramificadas tridimensionais e regiões de microgel, produzindo-se assim um agregado de maiores dimensões (gel). Estes agregados vão crescendo, devido à condensação de polímeros ou à agregação de partículas. Quando o crescimento das regiões estruturadas atinge aproximadamente metade do volume total, o sol alcança o ponto de gelificação. O ponto de gelificação ou tempo de gelificação (tgel) é definido como o tempo em que ocorre um aumento abrupto da viscosidade (η) de um gel ou como um ponto em que o gel propicia uma resposta elástica específica a uma amostra. A partir do tgel as regiões estruturadas crescem conjuntamente, culminando na formação de uma rede que ocupa todo o volume do sistema, ocorrendo uma contração volúmica e aumentando a rigidez do gel [79].
O tgel varia de gel para gel, podendo ser diminuído pelos fatores que aumentam a velocidade das reações de condensação, ou seja, pelo controle do pH do sol, aumento da razão água/alcóxido, temperatura e concentração de alcóxido e diminuição dos grupos alquilo do precursor [79].
Figura 16- Mudanças da viscosidade e elasticidade na gelificação [88].
Após a gelificação continuam a ocorrer as reações químicas que deram origem ao gel. Diferentes processos podem ser identificados na fase de envelhecimento de um gel, destacando-se a polimerização e a sinérese. Estas reações são possíveis devido à alta concentração de grupos silanóis lábeis e são dependentes da temperatura e do pH. O resultado do processo de formação de novas ligações é a perda de complacência e o fortalecimento mecânico da rede. A sinérese é o encurtamento da rede do gel resultando na expulsão de líquido dos poros. A retração observada na rede dá-se pelas mesmas reações de condensação que levam à formação do gel [81]. Uma vez que tenha sido formado o gel, os grupos alcóxido que não reagiram podem permanecer dentro da estrutura do gel. Consequentemente, a hidrólise e as reações de condensação continuam
26 quando o tempo adequado é fornecido. Este período prolongado de polimerização fortalece a rede de sílica. A resistência mecânica de um gel também pode ser melhorada alterando o pH, o tipo e concentração de precursores e o teor de água da solução que acomoda o processo de envelhecimento [79]. O processo de envelhecimento torna a rede de sílica do gel mais robusta mecanicamente devido à dissolução e reprecipitação de partículas de sílica na rede de gel, à adição de novos monómeros de sílica da solução de envelhecimento, à reticulação e ramificação de monómeros de sílica adicionais e ainda à atividade de policondensação melhorada [81]. A última etapa envolvida no processo sol-gel corresponde à secagem, que envolve a evaporação, à temperatura ambiente, do líquido intersticial presente no interior dos poros do gel. Este processo é essencial para obter um material com estabilidade mecânica e química e pode ser dividido em diferentes etapas. Num primeiro momento, conhecido como período de taxa constante, o gel irá encolher, devido à perda do líquido por evaporação, e a interface líquido vapor permanece na superfície externa do gel. Quando o gel está suficientemente rígido e já não retrai, a interface líquido-vapor dirige- se para o interior dos poros do gel, até restar um filme contínuo de líquido na parede dos poros. Aqui, a tensão no gel torna-se tão grande que a probabilidade de o gel colapsar é bastante elevada. No último estágio, o filme líquido é rompido e, eventualmente, o líquido que está em cavidades isoladas, pode sair por difusão gasosa [79]. A secagem de um gel por evaporação, sob condições normais (p.e temperatura e P ambientes), provoca o surgimento de uma pressão capilar, levando ao encolhimento da rede do gel. Deste modo é produzido um «gel seco» denominado xerogel. Este tipo de géis possui densidades relativamente elevadas (0,8 a 1,6 g/cm3), boas propriedades mecânicas e elevada área superficial. Quando os poros são inferiores a 4 nm são ambientalmente estáveis e transparentes à luz visível. Um processo alternativo para a secagem do gel é sob condições supercríticas, isto é, a temperaturas e pressões acima do ponto crítico do solvente. Nesta situação, não existe interface entre o líquido e o vapor, as densidades são iguais e a pressão capilar é mínima, evitando-se o colapso e/ou encolhimento do gel. Os géis obtidos desta forma são denominados aerogéis, tendo como características baixa densidade, baixas propriedades mecânicas, elevada área superficial, índice de refração uniforme e instabilidade ambiental [79,81]. Após a formação dos xerogéis ou aerogéis, podem continuar a realizar-se transformações estruturais nos géis. A consolidação dos géis acontece com o aumento da temperatura, levando a que haja a relaxação estrutural (encolhimento) e, ao mesmo tempo, o fortalecimento da estrutura do gel. Ocorrem também, reações de condensação que, somadas ao encolhimento e fortalecimento da estrutura, aumentam a densidade do material e diminuem a porosidade e a área superficial do gel [79].
3.1.3 Produtos obtidos pelo processo sol-gel O processo sol-gel pode dar origem a produtos de diferentes dimensões: 0-D (NPs), 1-D (fibras), 2-D (revestimentos) e 3-D (materiais maciços).
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Nanopartículas Recentemente, as nanopartículas de sílica (SNPs) atraíram enorme atenção pelas suas aplicações em muitas áreas emergentes. Durante a última década o controlo do tamanho, da forma e da porosidade das SNPs, assim como a melhoria das suas propriedades físico-químicas, tem centrado enorme esforço da comunidade académica e tecido industrial. Atualmente são usadas diferentes técnicas na preparação de SNPs, como a pirólise de spray de chama, deposição química de vapor, micro-emulsão, moagem em moinho de bolas e sol-gel, tendo o último grande popularidade devido à sua simplicidade e eficiência [89]. O primeiro trabalho publicado sobre a síntese de SNPs foi relatado por Stöber e seus colegas [90], em 1968. O protocolo que desenvolveram levou à produção de SNPs de tamanho controlado (500nm- 2 μm), usando o TEOS como precursor, água, etanol e amónia (em meio básico, pH~10). O método de Stöber permite a obtenção de SNPs não porosas, esféricas e monodispersas, através de reações de hidrólise e policondensação de silicatos, em meio básico. A alteração de parâmetros como a concentração de amónia e de água, o tipo de precursor de alcóxido de silício, o tipo de álcool e a temperatura de reação, permite a produção de SNPs com diferentes tamanhos (diâmetros entre 5 a 2000 nm) [89,91]. A obtenção de SNPS pode ser feita através da diminuição da velocidade das reações de policondensação. Um processo de secagem cuidadoso e controlado leva à formação de partículas monodispersas, enquanto que a secagem na presença de água pode resultar em fenómenos de aglomeração. O movimento browniano, efeito hidrodinâmico e pressão capilar durante o processo de secagem também podem contribuir para o comportamento da aglomeração. No entanto, a aglomeração de NPs durante o processo de secagem pode ser efetivamente reduzida usando o etanol como meio de suspensão [89,91]. As SNPS têm aplicação em variadas áreas como p.e. na cosmética, no desenvolvimento de catalisadores, em materiais de construção (p.e. reforço do cimento), biossensores, sistemas de libertação controlada de fármacos e nano-revestimentos funcionais [91].
Revestimentos e filmes finos Os filmes finos e os revestimentos foram desde cedo umas das aplicações do método sol-gel. Nos últimos anos tem havido um grande desenvolvimento no processamento destes materiais para serem aplicados nas mais diversas áreas [88]. O método sol-gel permite o controlo da difusão da água necessária, da hidrólise e da difusão dos produtos de condensação são, o que permite a obtenção de revestimentos uniformes, homogéneos e densos [74]. Além disso este método tem a possibilidade de revestir substratos grandes e curvos, assim como de produzir revestimentos multicamadas. Permite ainda, ao contrário de outros métodos, a obtenção de materiais híbridos orgânicos-inorgânicos [88]. Os revestimentos derivados de sol-gel podem ser usados como óticos, eletrónicos, magnéticos e fotónicos com funções químicas [92]. Os filmes de sílica têm elevada estabilidade térmica e resistência química, o que lhes permite ter aplicabilidade em diferentes áreas. A produção de filmes de sílica pode ser feita pelo método sol-gel,
28 uma alternativa a métodos como técnicas de vácuo e a oxidação térmica do silício. O método sol-gel oferece vantagens como a simplicidade do processo, o processamento a baixas temperaturas, a viabilidade económica, a possibilidade de obter filmes finos, porosos e de elevada homogeneidade e, principalmente, o fato de a microestrutura do filme obtido poder ser modificada [92,93]. A qualidade e as características dos filmes preparados, como a porosidade, espessura e índice de refração, dependem dos parâmetros do processo sol-gel e da técnica utilizada na deposição [92,93]. Por exemplo, diferentes trabalhos demonstraram que o uso de alcóxidos de alquilos menores produz filmes mais densos; o solvente usado tem uma elevada influência tanto no tamanho dos poros como na área superficial do filme; a condensação hidrolítica em soluções mais diluídas produz partículas de menores dimensões e, consequentemente filmes mais finos e com maior porosidade [88]. Existem muitas técnicas diferentes para fabricar filmes finos pelo processo sol-gel, como processo de revestimento por imersão, processo de revestimento por centrifugação, técnicas de revestimento por pulverização e técnicas capilares [92]. Os filmes produzidos pelo método sol-gel são amplamente utilizados como uma camada de proteção contra corrosão e oxidação de substratos de aço inoxidável, Ag, Al e Cu [93]. São ainda usados como membranas, em sensores e em reatores de membrana [94].
Maciços Os materiais maciços obtidos por sol-gel são tipicamente preparados pela gelificação de um sol concentrado (através da formação de ligações covalentes ou interações eletrostáticas), seguido de envelhecimento e evaporação do fluido retido nos poros (solventes, catalisadores, eventuais reagentes,
H2O e álcool produtos de condensação) para produzir um gel seco poroso ou xerogel. Durante o processo de secagem, a tensão capilar é desenvolvida no fluido dos poros pela criação de meniscos de vapor líquido [95]. A microestrutura porosa final do gel é definida pela etapa da secagem, pelo que esta etapa é muito importante na produção destes materiais. Além disso, a baixa velocidade das reações de hidrólise e condensação, assim como de difusão, exigem que a etapa de secagem seja mais demorada que no caso do processamento de NPs, filmes ou revestimentos [87]. Tal como no caso dos filmes finos, o tamanho dos poros e a área de superfície dos materiais maciços dependem fortemente do tipo de solvente utilizado [88]. Os materiais maciços são usados, por exemplo, como adsorventes ou suportes de catalisador [95].
3.1.4 Funcionalização in situ da sílica A funcionalização da superfície da sílica pode realizar-se in situ e tem como finalidade a integração de grupos orgânicos, não hidrolizáveis. Este processo apresenta um elevado potencial devido às caraterísticas químicas e físicas apresentadas pelos materiais funcionalizados, nomeadamente o ajuste fino do caráter hidrofílico/hidrofóbico. Os grupos silanol (Si-OH) presentes na superfície da sílica são responsáveis pelo caráter hidrofílico e pela reatividade da sílica. A polaridade da sílica é devida à presença dos grupos silanol,
29 que são locais eficientes de imobilização ou interação com diferentes espécies químicas. A presença de grupos orgânicos introduz um caráter hidrofóbico e a possibilidade de posterior bioconjugação [96]. A escolha do grupo funcional a ser introduzido na sílica depende do tipo de aplicação que se pretende para o material. O precursor híbrido poderá ter a fórmula RSi(OR’)3 e é constituído por grupos silano. O grupo OR’ corresponde ao grupo que vai sofrer hidrólise e o grupo R ao não hidrolisável, que conferirá a nova funcionalidade à superfície da sílica [73]. Neste trabalho usou-se o precursor APTES que é um agente de modificação da superfície, popular, e amplamente utilizado em várias aplicações na promoção da adsorção entre compostos orgânicos (proteínas, fármacos) e substratos de sílica [73]. O APTES produz grupos silanol por hidrólise que podem ser condensados com o grupo Si-OH da superfície da sílica para formar uma ligação siloxano (Si-O-Si) estável. Este processo reveste a superfície de sílica com grupos amina- Figura 17. Por outro lado, a ligação do APTES com os grupos silanol ou com APTES adjacentes, também pode ser feita por ligações por pontes de hidrogénio ou atrações eletrostáticas [96].
Figura 17- Funcionalização da superfície da sílica com APTES.
3.2 Métodos de caracterização físico-química da sílica Para a caracterização das amostras foram usadas diferentes técnicas de modo a analisar diferentes propriedades físico-químicas das mesmas, como o tamanho dos poros e a constituição química.
3.2.1 Microscopia Eletrónica de Transmissão com Microanálise de Raios-X (TEM- EDS) A microscopia eletrónica de transmissão (TEM) é uma técnica utilizada para observação e análise das características microestruturais dos materiais. A imagem TEM é formada pela incidência de um feixe de eletrões na superfície do material a analisar, sob condições de vácuo. A interação do feixe de eletrões com a superfície da amostra leva à emissão de radiações, nomeadamente, eletrões secundários, eletrões retrodifundidos, raios-X característicos e eletrões auger. O volume da interação eletrões-matéria determina a resolução do sinal utilizado na caracterização da amostra. A imagem é formada ponto a ponto, o que possibilita a sua visualização em monitores e a aquisição de imagens em formato digital [97,98]. O princípio de um microscópio eletrónico de transmissão consiste em utilizar um feixe de eletrões (usualmente um filamento de tungstênio aquecido) de pequeno diâmetro para explorar a superfície da amostra, e este feixe é direcionado pela mesma através das lentes do condensador. O sinal de imagem
30 resulta da interação do feixe incidente com a superfície da amostra. O sinal recolhido pelo detetor é utilizado para modular o brilho do monitor, permitindo a observação [97,98]. Quando o feixe primário incide na amostra, parte dos eletrões difunde-se e constitui um volume de interação cuja forma depende principalmente da tensão de aceleração e do número atómico da amostra. Neste volume, os eletrões e as ondas eletromagnéticos produzidos são utilizados para formar as imagens ou para efetuar análises físico-químicas. Para serem detetados, as partículas e/ou os raios eletromagnéticos resultantes da interação do feixe eletrônico com a amostra devem retornar à superfície da amostra e daí atingirem o detetor. A profundidade máxima de deteção, portanto, a resolução espacial, depende da energia com que estas partículas ou raios atingem o detetor, ou são capturadas pelo mesmo [97,98]. Os componentes do microscópio de TEM convencional incluem uma coluna ótico-eletrónica adaptada a uma câmara com porta-amostra integrado, sistema eletrónico, detetores e sistema de vácuo- Figura 18 [98].
Figura 18- Esquema dos componentes básicos da TEM [98].
Ao TEM pode ser acoplado um espectrómetro de raios-X de energia dispersiva (EDS), possibilitando a determinação da composição química (qualitativa e semi-quantitativa) das amostras, a partir da emissão de raios-X característicos. Esta é uma técnica relativamente fácil, rápida e eficaz [98]. No EDS, quando o feixe de eletrões incide sobre um material, ocorre a excitação de eletrões para níveis energéticos mais elevados. Ao voltarem para a sua posição inicial, estes libertam a energia adquirida, que é emitida em comprimento de onda no espectro de raios-X. Os detetores instalados na câmara do TEM medem a energia associada a esse eletrão identificando-o através da sua energia característica, sendo assim possível determinar quais os elementos químicos que estão presentes no ponto de incidência do feixe [97,98]. A técnica de EDS considera o princípio de que a energia de um fotão (E) está relacionada com a frequência eletromagnética () pela relação E = h, onde “h” é a constante de Planck. Fotões com energias correspondentes a todo espectro de raios-X atingem o detetor de raios-X quase que simultaneamente, e como o processo de medida é rápido, a análise de todos os comprimentos de onda pode ocorrer simultaneamente [98].
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3.2.2 Ressonância Magnética Nuclear (RMN) A Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é uma técnica valiosa para a obtenção de informação sobre a estrutura de moléculas pois permite determinar o número e o tipo de grupos funcionais num composto, através da deteção das propriedades magnéticas dos núcleos [99]. A maior parte dos núcleos exibe campo magnético, comportando-se como pequenos magnetes e estando geralmente dispostos aleatoriamente. Quando expostos a uma radiação eletromagnética, os núcleos recebem energia e são obrigados a “saltar” para uma outra orientação (de nível energético superior). Quando retomam a sua orientação original os núcleos libertam energia, emitindo uma radiação característica [99]. Com base no fenómeno anterior, numa experiência de RMN sujeita-se uma amostra a um intenso campo magnético e, seguidamente, expõe-se a mesma a um varrimento de radiação eletromagnética na frequência rádio. No momento em que a frequência do aparelho corresponde exatamente à frequência de ressonância característica do núcleo (designada por frequência de Larmor), os núcleos mudam de orientação. Quando se desliga a fonte de radiação eletromagnética, os núcleos retomam a sua orientação original emitindo uma radiação que origina um sinal elétrico. Após tratamento matemático (transformação de Fourier - FT) é possível traçar um gráfico da intensidade do sinal em função da frequência aplicada, denominado espectro de RMN- Figura 19 [100].
Figura 19- Diagrama esquemático de um espectrómetro de RMN. Adaptado de [100].
As frequências de ressonância dos núcleos dependem, não só da natureza do núcleo em estudo, mas também do ambiente químico, aparecendo em sítios diferentes do espectro de RMN. As frequências de ressonância são expressas numa unidade que se designa por desvio químico (e é expressa em ppm). Este desvio químico indica a localização de um sinal de RMN em relação a um padrão, que por convenção tem um desvio químico igual a 0 ppm [100]. Relativamente aos sinais de RMN, o seu número mostra a quantidade de diferentes protões presentes na amostra; a sua localização mostra como o protão é protegido ou desprotegido; a sua intensidade mostra o número de protões do mesmo tipo; e o seu desdobramento mostra o número de protões dos átomos adjacentes [100].
3.2.2.1 RMN no estado sólido As análises RMN no estado sólido resultam em espectros com picos alargados, devido ao baixo movimento molecular e à anisotropia do deslocamento químico. No entanto, foram desenvolvidas técnicas que permitem eliminar os alargamentos de linha com maior amplitude [101].
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A técnica básica da RMN no estado sólido (rotação no ângulo mágico- MAS) baseia-se em girar a amostra num ângulo de 54,74°. A combinação deste ângulo com o forte desacoplamento do hidrogénio elimina a interação dipolar e minimiza a anisotropia do deslocamento químico [101]. A baixa abundância isotópica dos núcleos de spin raros dificulta a sua deteção. Pela RMN no estado sólido a deteção deste tipo de núcleos pode ser obtida através da técnica de polarização cruzada (CP), baseada na transferência de polarização de um núcleo de spin abundante, como o hidrogênio, para um núcleo de spin raro, como o núcleo de 13C. Na polarização cruzada a frequência de pulsos aplicada faz com que a precessão dos núcleos de carbono e hidrogénio tenham frequências semelhantes nos seus respetivos eixos de rotação a um intervalo de tempo limitado, denominado tempo de polarização cruzada [101]. Usando uma combinação das técnicas de polarização cruzada e rotação segundo o ângulo mágico (CP/MAS) é então possível obter espectros de RMN de alta resolução para sólidos. Além disso, esta técnica possibilita o aumento da intensidade do sinal de ressonância dos núcleos de spins raros e a diminuição do intervalo de tempo para a repetição da sequência de pulsos [101].
3.2.3 Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) A espectroscopia de Infravermelhos (IR) com transformadas de Fourier (FT) é uma técnica usada para se obter espectros de absorção, emissão, fotocondutividade ou de difração de Raman de infravermelhos de um sólido, líquido ou gás. Um espectrómetro FTIR recolhe, simultaneamente, dados de uma vasta gama espectral, o que lhe confere vantagem sobre o espectrómetro dispersivo, que mede a intensidade num intervalo muito estreito de comprimentos de onda em cada medição. O termo FTIR provém do facto de ser necessário recorrer-se às FT para converter os dados recolhidos no espectro de radiação [102]. Esta técnica usa um feixe de luz (beam splitter), com diversos comprimentos de onda, que transmite a metade da radiação recebida para o espelho fixo e a outra metade para o espelho móvel. Após a reflexão a partir do espelho fixo e móvel, a luz é recombinada no divisor de feixe. A recombinação da radiação é então direcionada através da amostra e focada no detetor. Este processo é repetido várias vezes e, no final, os dados são recolhidos e trabalhados através da operação matemática transformadas de Fourier [102]. O diagrama representativo de um espectrofotómetro de FT- IR encontra-se na Figura 20 [103].
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Figura 20- Diagrama representativo de um espectrofotómetro de FTIR [103].
Os níveis de energia moleculares podem ser divididos em três estados: eletrónico, de vibração e rotacional. O espectro de IR é um espectro de vibração molecular, que se compreende entre 10000 cm- 1 e 5000 cm-1. Quando expostas a radiação e infravermelhos, as moléculas absorvem seletivamente radiação com comprimentos de onda específicos, o que causa uma mudança do dipolo. As principais categorias de vibração molecular são a elongação (stretching) (mudança na distância inter-atómica ao longo do eixo da ligação) e a deformação (bending) (mudança do ângulo entre duas ligações); a absorção elongação produz geralmente picos maiores que a da deformação [102].
3.2.4 Difratometria de raios- X (DRX) A difratometria de raios-X (DRX) corresponde a uma das principais técnicas de caracterização microestrutural de materiais cristalinos, encontrando aplicações em diversos campos do conhecimento, nomeadamente na engenharia, ciências de materiais, engenharia metalúrgica, química e geociências. O fenómeno de difração ocorre quando um feixe de raios-X monocromáticos incide sobre um material cristalino. Após a colisão com o eletrão, o fotão de raios-X muda a sua trajetória, mantendo, contudo, a mesma fase e energia do fotão incidente. Sob o ponto de vista da física ondulatória, considera-se que a onda eletromagnética é instantaneamente absorvida pelo eletrão e reemitida; pelo que cada eletrão atua como um centro de emissão de raios-X [104]. Ao se incidir um feixe de raios-X sobre um cristal, onde os átomos estão regularmente espaçados (periodicidade do arranjo cristalino), cada átomo será uma fonte de emissão esférica de radiação. Nestas condições poderá haver interferências construtivas ou destrutivas entre as ondas eletromagnéticas se estiverem em fase entre si ou desfasadas, respetivamente. Portanto, nos materiais amorfos, onde os átomos estão dispostos de forma aleatória, os raios-X vão sobrepor-se, deixando uma mancha distorcida. Pelo contrário, se a estrutura tiver um arranjo repetitivo de átomos, os raios vão deixar um padrão de manchas afiadas e claras [104]. As intensidades medidas com DRX podem fornecer informações quantitativas e precisas sobre os arranjos atómicos nas interfaces. Assim, os difratogramas de raios-X permitem identificar os parâmetros de rede, de fases, e o tamanho do cristal, devido ao padrão de difração característico dos materiais cristalinos [105]. Na Figura 21 [105] está representado o diagrama de uma DRX.
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Figura 21- Diagrama representativo da caracterização de DRX. Adaptado de [105].
Quando um feixe de raios-X é direcionado através de um material cristalino, esses raios são difratados pelos planos dos átomos ou iões dentro do cristal, sendo o ângulo de difração dependente o comprimento de onda dos raios-X e da distância entre os planos adjacentes. Esta condição é descrita através da lei de Bragg- equação 4. Assim, para que um pico de difração seja observado, esta lei terá de ser satisfeita, ou seja, terá de ocorrer interferência construtiva entre os vários feixes difratados por vários planos de uma mesma família [104].
n 2dsen (eq. 4)
Onde “n” corresponde a um número inteiro (ordem de difração), “” é o comprimento de onda da radiação incidente, “d” a distância interplanar para o conjunto de planos hkl (Índice de Miller) da estrutura cristalina e “” o ângulo de incidência dos raios-X (medido entre o feixe incidente e os planos cristalinos) [104].
3.2.5 Análise Termogravimétrica (TGA) A análise termogravimétrica (TGA) é uma técnica experimental em se mede a variação da massa de uma amostra em função da temperatura ou do tempo, em condições de aquecimento/arrefecimento controladas (podendo ser efetuada sob condições ambientais reativas, oxidantes ou inertes) [107,108]. Esta análise pode ser efetuada de três modos distintos: a taxa de aquecimento constante, ou seja, com um programa de temperaturas pré-determinado (termogravimetria dinâmica); a temperatura constante, na qual a massa da amostra é registada em função do tempo (termogravimetria isotérmica); e ainda se pode efetuar de forma quasi-isotérmica, que se baseia em aquecer a amostra até massa constante numa série de patamares de temperatura. A escolha do programa de temperatura a usar depende do tipo de informação que se requer acerca da amostra [106 ,107]. Os resultados de uma medida TGA apresentam-se sob a forma uma curva termogravimétrica, em que se tem a massa ou percentagem de massa em função da temperatura e/ou tempo. É ainda possível complementar esta informação com a primeira derivada da curva TGA, a termogravimetria derivada
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(DTG), que consiste num arranjo matemático na qual a derivada da variação de massa em relação ao tempo (dm/dt) é registada em função da temperatura ou tempo [106 ,107]. As mudanças de massa na amostra ocorrem ou quando a amostra perde matéria ou quando reage com a atmosfera circundante. Esta variação produz patamares na curva TGA e picos exotérmicos na curva de DTG [106 ,107]. Os principais fatores que podem afetar as medidas de TGA/DTG são os intrumentais como a velocidade de aquecimento e atmosfera do forno, velocidade e tempo de resposta do instrumento de medida, geometria e material do porta-amostras, sensibilidade da balança; e os da amostra como a sua quantidade, natureza e tamanho, a solubilidade dos gases envolvidos, a entalpia da reação e ainda a condutividade térmica [106 ,107].
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Capítulo 4 Parte Experimental
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4 Parte Experimental Neste capítulo apresenta-se a descrição do método utilizado, desde a recolha das diatomáceas até aos procedimentos utilizados na preparação e funcionalização dos materiais obtidos à base de sílica. Refere-se ainda aos materiais, instrumentação, técnicas e procedimentos experimentais usados na caracterização dos materiais de sílica obtidos. Na Figura 22 encontra-se um fluxograma com os processos utilizados na preparação das amostras de diatomáceas, sendo os mesmos desenvolvidos ao longo deste capítulo.
Figura 22- Fluxograma de preparação das amostras à base de sílica. 4.1 Materiais Os reagentes e solventes utilizados apresentam-se na Tabela 1. Todos os reagentes e solventes foram usados sem purificação adicional. As algas de diatomáceas (matéria-prima no presente trabalho) foram recolhidas nos Açores, nas Lagoa das Furnas e Lagoa Verde da Lagoa das Sete Cidades. Tabela 1- Compostos utilizados na preparação das diatomáceas.
Composto Fabricante Peso Molecular (g/mol) Pureza (%) Etanol Merck 46,07 ≥99,9 TEOS Aldrich Chemistry 208,33 ≥99 APTES Aldrich Chemistry 221,37 ≥ 98 Amónia Sigma-Aldrich 17,03 ≥99,9 Ácido Nítrico Scharlau 63,01 ≥65 Ácido Sulfúrico Merck 98,08 95-97% Peróxido de Biochem 34,01 30% Hidrogénio Chemopharma
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4.2 Técnicas de preparação e caracterização dos materiais de sílica Apresentam-se os aparelhos utilizados ao longo do trabalho, as suas especificações e as condições em que foram utilizados.
Moinho de Bolas A moagem do 1º lote de algas diatomáceas foi realizada num moinho de bolas da marca Fritsh puluerisette, durante 15 minutos e com uma velocidade de rotação de 8 (1º lote de algas diatomáceas).
Almofariz de ágata A moagem do 2º lote de algas diatomáceas foi realizada manualmente num almofariz de ágata com 8 cm de diâmetro, durante cerca de 2 horas.
Forno O tratamento térmico das algas diatomáceas foi realizado num forno em atmosfera de ar, desde a temperatura ambiente (26ºC) até aos 500ºC, com controlo incremental de aumento de temperatura (0,5 ºC/min).
Centrífuga Para a lavagem das algas com etanol e água bidestilada foi usada uma centrífuga da marca Beckman Coulter (Allegra X-30R centrifugue). O rotor utilizado suporta 10 tubos de 10 mL atingindo um máximo de velocidade de 15300 rpm, 20150×g.
TEM
O aparelho TEM é da marca Hitachi, modelo H-8100, com um filamento de LaB6, tendo sido sempre utilizada uma tensão de aceleração de 200 kV. O aparelho está equipado com uma câmara CCD KeenView 1kx1k da Olympus. As suspensões foram suspensas em água ou etanol. Em cada análise foi colocada uma gota da suspensão sobre uma grelha de cobre. Após a evaporação do meio suspensor da amostra, a grelha de cobre foi colocada num suporte, e este inserido no microscópio.
RMN Para esta análise as amostras de diatomáceas em pó (≈ 200 mg) foram empacotadas em rotores de zircónia 7 mm d.c., equipados com tampas Kel-F. Os espectros de rotação do ângulo mágico (MAS) do 29Si foram obtidos a 59,595 MHz, empregando um pulso de ângulo de acionamento de 30º, num Tecmag Redstone / Bruker 300WB, com taxas de rotação de aproximadamente 3 kHz. Foram utilizados atrasos de relaxamento de 20 segundos. Os espectros de RMN de 29Si CP-MAS foram medidos com um impulso de ângulo de acionamento de 1H e 90º e um desacoplamento do 1H de onda contínua. Os desvios químicos de 29Si foram referenciados externamente em relação ao tetrakis silano (trimetil sililo) (δ 29Si a -9,8; -135,64 ppm).
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DRX Os dados foram obtidos usando uma geometria Bragg-Brentano num difractómetro de pó Bruker D8Advance, com um ânodo de cobre (Cu K1, = 1.54 ºA), a operar a 40 kV e 40 mA e equipado com um detetor LYNXEYE-XE.
FTIR Para a análise por FTIR, foram preparadas pastilhas de KBr, que consistiram numa mistura de KBr e de amostra, numa quantidade de 200 mg para 2 mg de amostra. As análises foram efetuadas num equipamento FTIR Nexus, utilizado sob as condições de obtenção de espectros na região de IV-médio (4000-400 cm-1). Os espectros foram obtidos com 16 varrimentos e resolução de 4 cm-1. Os gráficos obtidos foram tratados para eliminar os compostos atmosféricos (CO2). Para comparação entre espectros foi feita a correção da linha de base, a normalização e, como alguns deles apresentavam ruído, este foi minimizado pela utilização da função “smooth”.
TGA A análise termogravimétrica sob fluxo de ar foi usada para avaliar a degradação da matéria orgânica das amostras de algas diatomáceas. Para tal usou-se uma termobalança Setaram (TG-DTA/DSC LabSys). As amostras em pó (cerca de 60 mg) foram aquecidas num cadinho de alumina (50 microL), desde a temperatura ambiente até aos 1100 °C a uma taxa de varredura de 25 °C/min. O perfil DTG foi calculado para identificar os processos de perda de massa.
4.3 Preparação dos nanomateriais de sílica Com a finalidade de obter um nanomaterial à base de sílica a partir da matéria-prima diatomáceas, foram efetuadas diferentes etapas, desde a recolha das algas até à funcionalização das mesmas.
1- Recolha de diatomáceas As amostras das algas foram recolhidas nos Açores, nas Lagoa das Furnas e Lagoa Verde da Lagoa das Sete Cidades. Foram realizadas 2 colheitas, estando os dados sobre as algas recolhidas representados na Tabela 2.
Tabela 2- Dados sobre as algas recolhidas.
Recolha Data Massa bruta (g) 1ª 14/2/2017 2,3 2ª 25/6/2017 1,6
Na colheita das algas foram utilizados 2 métodos distintos: o primeiro baseou-se na raspagem de rochas encontradas nas lagoas, enquanto no segundo se utilizou uma rede própria para a recolha de algas em suspensão. Ao longo do trabalho não é feita qualquer distinção entre as algas recolhidas por um método ou por outro, considerando-se que as algas obtidas pelos dois procedimentos são iguais.
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2- Pré-tratamento das diatomáceas Foi efetuado um pré-tratamento às algas recolhidas de modo a retirar as impurezas macro e micro. Primeiro retiraram-se manualmente as impurezas macroscópicas e, de seguida, efetuou-se uma centrifugação, a uma velocidade de 7000 rpm e uma temperatura de 20ºC, durante 10 minutos, para retirar o excedente de água. Posteriormente, efetuaram-se 4 lavagens, 2 com etanol e 2 com água bi- destilada (bi-D). Entre cada lavagem, as suspensões foram a sonicar por 15 minutos para ficarem homogéneas. O processo seguinte foi a decantação das suspensões, onde se descartou o sobrenadante e se guardou o precipitado. Por fim, para a secagem das amostras, colocaram-se as mesmas numa estufa a aproximadamente 40ºC, durante 1 dia.
Tabela 3- Comparação da massa de amostra antes e após o pré-tratamento.
Massa antes do pré- Massa após pré- Recolha tratamento (g) tratamento (g) 1ª 2,3 1,7 2ª 1,6 0,9
Pela Tabela 3, é possível verificar que há uma elevada perda de amostra, após o pré-tratamento, o que mostra a elevada quantidade de impurezas presentes nas mesmas. Após o pré-tratamento o produto final obtido foi visualizado ao microscópio fluorescente, confirmando-se a presença de diatomáceas. As imagens obtidas estão representadas na Figura 23.
Figura 23- Imagens obtidas no microscópio fluorescente após o pré-tratamento das amostras recolhidas.
3- Moagem A moagem das amostras visou reduzir e uniformizar o tamanho das partículas. A reduzida quantidade de amostra dificultou (e na 2ª colheita impossibilitou), o uso de moagem automática. Assim, foram utilizados 2 equipamentos distintos: moinho de bolas (1º lote de algas) e moinho manual de ágata (2º lote de algas).
4- Remoção da parte orgânica A purificação das diatomáceas prosseguiu com a remoção da matéria orgânica, com vista a ficar presente apenas a sílica de biossíntese. A remoção dos orgânicos foi feita térmica e quimicamente:
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A) Química
A remoção química dos compostos orgânicos foi efetuada com H2O2 (30% volume) à temperatura de 80ºC. Em primeiro lugar fez-se uma suspensão das amostras em água destilada e, de seguida, fez-se raspagem do biofilme para o colocar num gobelé. Após este processo colocou-se um pouco mais de água destilada e colocaram-se os gobelés numa placa de agitação de modo a homogeneizar as amostras e desagregar as partículas, para haver uma maior área de contacto entre as partículas e o
H2O2. Após agitação, colocou-se o H2O2 numa relação de 3:1 e por fim passaram-se as soluções para um Erlenmeyer, colocando-se os mesmos num banho-maria sob agitação, à temperatura de 80ºC, durante 4 horas. Após o processo de purificação colocaram-se as amostras na estufa a aproximadamente 60ºC, durante 24h, tendo-se verificado que após este tempo as amostras apresentavam uma cor esverdeada.
B) Térmica Para a remoção térmica dos compostos orgânicos, as amostras foram colocadas num forno tubular em atmosfera de ar, desde a temperatura ambiente (26ºC) até aos 500ºC, com controlo incremental de aumento de temperatura (0,5 ºC/min). Após o tratamento a amostra ficou um pó de cor esbranquiçada.
5- Funcionalização
A funcionalização das diatomáceas foi efetuada por sol-gel com grupos amina (-NH2), tendo-se usado como precursor APTES. Para tal, utilizaram-se 3 protocolos diferentes.
Funcionalização das amostras tratadas química e termicamente Após a remoção térmica ou química de orgânicos as amostras foram funcionalizadas recorrendo a 2 protocolos distintos:
Protocolo 1*- Adaptação de um Protocolo do grupo (Meio ácido) Este procedimento foi realizado para algas tratadas química e termicamente. Colocaram-se 5 mg de alga tratada num copo e adicionou-se 6,5 mL de etanol, 0,05 mL de APTES
e 0,05 mL de TEOS (gota-a-gota), e ainda 0,8 mL de H2O. Para ficar com pH ácido (pH~2-3)
adicionou-se à solução 2 gotas de HNO3. Deixou-se a mistura em agitação durante 1h, a 65ºC, e passado esse tempo, à temperatura ambiente durante 24h.
* Este procedimento foi realizado nas mesmas condições experimentais, mas na ausência da sílica das algas diatomáceas, para ser feita uma comparação entre os grupos formados numa situação e noutra.
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Protocolo 2- Modificação do método de Stöber [91] (Meio básico)
Na adaptação da metodologia de Stöber, usou-se uma razão H2O: SiO2 igual a 500:20. Este procedimento foi realizado sob duas condições distintas: na presença de dois precursores, TEOS e APTES, e na presença apenas do precursor APTES.
A) Presença de TEOS/APTES Nesta experiência, realizada para amostras tratadas térmica e quimicamente, usou-se uma
proporção TEOS: APTES e SiO2: APTES de 7:3. O método sol-gel foi feito adicionando 280L de água bi-D e o 25 mL de etanol, a 100 mg algas tratadas. A solução foi a sonicar durante 20 minutos e posteriormente a agitação magnética durante 15 minutos. Após esse tempo e ainda sob agitação adicionou-se 1 mL de TEOS e 0,5 mL de APTES (gota-a-gota). A solução ficou em agitação magnética durante 24 h. Após este tempo efetuaram-se 4 lavagens na centrifugadora, 2 com etanol e 2 com água bi-D, e deixou-se a amostra a secar à temperatura ambiente.
B) Presença de TEOS/APTES Nesta experiência, realizada apenas para amostras tratadas termicamente, usou-se uma
proporção SiO2: APTES de 7:3. O procedimento foi realizado da mesma maneira que o anterior, mas usou-se ¼ das proporções por se usar apenas 25 mg de algas.
Funcionalização baseada no procedimento experimental de outros investigadores Em alternativa aos métodos anteriores, as algas diatomáceas foram funcionalizadas segundo uma modificação do procedimento experimental de Rea et al. [76].
Protocolo 3- Modificação do protocolo usado por Rea et al. [76]
Colocou-se 0,1 g de amostra pré-tratada num copo, junto com uma solução Piranha (H2O2: H2SO4 1: 4), sob agitação magnética durante 30 min, a 80 °C. De seguida as amostras foram lavadas três vezes em água bi-D, para remover qualquer ácido adsorvido, e incubadas numa solução de HCl 5 M durante a noite a 80 °C. No dia seguinte as amostras foram centrifugadas, a 5000 rpm e à temperatura ambiente, durante 30 min, sendo o sobrenadante removido. O sedimento foi lavado duas vezes com água desionizada para remover o excesso de HCl e depois foi centrifugado a 15 000 rpm, durante 30 min, e o sobrenadante foi descartado. As diatomáceas foram então silanizadas por imersão em soluções de APTES a 5% em etanol durante 1 h à temperatura ambiente. Após este passo, a suspensão foi centrifugada durante 30 min a 15000 rpm e o sobrenadante foi descartado. Por fim, as diatomáceas funcionalizadas foram lavadas duas vezes com etanol absoluto.
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O primeiro passo deste procedimento (a adição da solução Piranha) tem como objetivo ativar a sílica das algas, criando uma superfície rica em grupos -OH. A adição do APTES permitirá então ter o grupo funcional -NH2 na frústula da alga. O processo descrito está representado na Figura 24.
Figura 24- Esquema da funcionalização da sílica das diatomáceas pelo procedimento 3.
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Capítulo 5 Resultados e Discussão
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5 Resultados e Discussão Neste capítulo apresentam-se e discutem-se os resultados obtidos, nas diferentes etapas de caraterização, tanto na purificação das diatomáceas como na funcionalização da sílica. A quantidade limitada de amostra delimitou a execução experimental. Assim, não foi possível a realização de duplos e, relativamente à funcionalização das algas, não foi possível realizar o procedimento 2 só com o precursor APTES (no caso da amostra tratada quimicamente). Antes do pré-tratamento as amostras foram visualizadas ao microscópio, estando as imagens obtidas no Anexo A-1. Nas Figura 25 e 26 estão representadas as caracterizações efetuadas e as fotografias das amostras, respetivamente, após os diferentes procedimentos efetuados.
Figura 25- Caracterizações efetuadas após os diferentes procedimentos.
Figura 26- Fotografias das amostras após os diferentes procedimentos.
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5.1 Amostras após pré-tratamento Após o pré-tratamento, a amostra foi analisada por TEM-EDS, RMN, FTIR, DRX e TGA.
TEM-EDS As diatomáceas foram observadas por TEM para visualizar a sua estrutura. Na Figura 27 é possível observar que a frústula se assemelha a um pequeno tubo e que contém fileiras de poros finos, correspondentes aos poros de sílica. São também visíveis algumas impurezas e algumas diatomáceas fraturadas. A parede celular (frústula) das diatomáceas contém poros com uma estrutura aproximadamente circular e baixa dispersividade de tamanhos. Para ter ideia de algumas características dos poros de (bio)sílica das diatomáceas, foi feita uma medição do diâmetro destes e da distância entre poros adjacentes. Para tal, mediram-se os 32 poros visíveis na diatomácea da imagem inferior direita da Figura 27, obtendo-se um diâmetro médio igual a 334 ± 63 nm e uma distância média entre poros adjacentes de 423 ± 111 nm. Os dados relativos à obtenção destes valores estão no Anexo A-2. Estes valores são concordantes com os encontrados na bibliografia [108].
Figura 27- Imagens de TEM das diatomáceas após pré-tratamento.
A análise EDS foi efetuada para se saber a composição e distribuição dos elementos principais na superfície da amostra. Ao contrário do expectável, no espectro da Figura 28 apenas se observa a presença de 3 elementos químicos distintos: Si, O e Cu, em que o Cu provém das grelhas do porta- amostras. A quantidade relativa do Si é bastante elevada, e a presença de O mostra a possibilidade da existência de SiO2 na amostra. A ausência de outros elementos pode dever-se à reduzida quantidade destes na amostra, não sendo, portanto, detetáveis na análise EDS.
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Figura 28- Gráfico obtido por EDS para as diatomáceas após pré-tratamento.
RMN A análise de RMN foi feita com e sem Polarização Cruzada (CP). Com CP o processo é mais rápido, mas menos quantitativo, enquanto sem CP é mais lento, mas mais quantitativo. O CP consiste em transferir polarização do protão (núcleo abundante) para o Carbono, mediante a condição de Hartmann- Hahn, e com isso consegue-se aumentar a sensibilidade e ter tempos de aquisição mais curtos; contudo a intensidade relativa dos sinais é alterada pois neste caso dependem da proximidade ao protão. A estrutura dos aniões silicato é representada por “Qn”, em que “Q” equivale ao átomo de Si ligado a quatro átomos de oxigénio (formando um tetraedro); e o expoente “n” indica a conectividade, i.e., refere-se ao número de grupos Si-O ligados ao átomo de Si central. A nível molecular, a análise de RMN permite a observação da conectividade e grau de condensação em materiais sólidos de silício, 0 1 2 3 4 0 4- comparando as intensidades dos sinais Q , Q , Q , Q e Q , em que Q denomina o monómero SiO4 ; Q1 refere-se a grupos terminais das cadeias; Q2 é relativo a grupos centrais das cadeias ou anéis; Q3 – átomos de Si em ramificações da cadeia; e Q4 – grupos cruzados tridimensionalmente (átomos de Si ligados por pontes pelos átomos de oxigénio) [35]. A análise RMN às amostras permite então saber a coordenação dos átomos de silício na (bio)sílica da frústula das diatomáceas bem como as suas quantidades relativas. Os ambientes típicos de silício observados nos espectros 29Si de diatomáceas são os Q2, Q3 e Q4, estando as suas estruturas representadas na Figura 30 [109].
Figura 29- Estruturas típicas de Si observadas em diatomáceas: Q2 (esquerda), Q3 (centro) e Q4 (direita) [109].
Na Figura 30 está o espectro 29Si MAS RMN com CP (apresenta-se este por ser aquele em que se vê melhor a distinção dos picos), obtido para a amostra após o pré-tratamento. O espectro 29Si
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MAS RMN sem CP está presente no Anexo A-3. Os * representados no espectro dizem respeito às bandas rotacionais (spinning bands). O espectro 29Si MAS (mais quantitativo) presente na Figura 30, mostra a presença de apenas centros Q3 (= - 101, 82 ppm) e Q4 (= - 110, 60 ppm). Mostra também claramente que há mais centros Q3 que Q4 na amostra, o que indica uma área superficial muito grande. Não é visível o pico que indicaria a presença dos centros Q2 (= - 92 ppm) [109] como seria desejável para a funcionalização, pois significaria uma maior reatividade superficial.
Figura 30- Espectro RMN 29Si MAS com CP das diatomáceas após pré-tratamento.
FTIR A amostra submetida ao pré-tratamento foi analisada por FTIR-KBr com o intuito de verificar quais os grupos funcionais presentes nas amostras. Analisou-se o espectro, identificando-se os principais picos (absorvância em função do número de onda). Recorreu-se à tabela A-1 (Anexo A-4), que contém os grupos funcionais tipicamente observados em espectros FTIR de algas diatomáceas, para identificação das bandas observadas no espectro FTIR da Figura 31. A banda larga localizada entre os 3000-3800 cm-1 corresponde à vibração de elongação () da ligação OH dos grupos silanol (Si-OH) e às moléculas de água adsorvidas na superfície da sílica, podendo ainda corresponder a grupos C-OH. A elevada largura da banda deve-se à possibilidade de os grupos silanol estarem a interagir com as moléculas de água [109]. Aos 2948 e 2835 cm-1, encontram-se as bandas características da vibração de extensão da ligação -1 C–H, em grupos metil e metileno (-CH3 e -CH2), respetivamente. A banda à volta dos 1640 cm está atribuída à deformação das moléculas de água (OH) incorporadas na biosílica amorfa das diatomáceas. Entre 1500 e 1400 cm-1, a banda é atribuída à presença de ligações C-O de grupos amida primários. Ligações N-H de aminas alifáticas também poderão estar encobertas pela banda larga nos
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3000-3800 cm-1. Estes grupos funcionais podem estar associados às proteínas responsáveis pela polimerização da biosílica nas diatomáceas, como por exemplo as poliaminas de cadeia longa e silafinas [109]. Na gama de números de onda mais baixos, encontram-se as mais importantes bandas na caracterização das amostras: na gama 1000-1100 cm-1, é a banda mais intensa do espectro e é
-1 atribuída à vibração de elongação da ligação Si–O–Si assimétrica (as), e na gama 780 - 820 cm , associada à vibração de elongação da ligação Si–O–Si simétrica (s) da rede de sílica; o «ombro» detetado aos 960 cm-1 é atribuída à elongação de grupos Si-OH que estão normalmente relacionados com a rede de sílica amorfa [56]. Era ainda esperado aparecer uma banda 420-480 cm-1, mas este espectro apenas foi feito entre os 600 e 4000 cm-1, pelo que não esta banda não é visível [56].
Figura 31- Espectro FTIR de absorção das diatomáceas após pré-tratamento.
DRX Procedeu-se à caracterização cristalográfica da amostra pré-tratada DRX, estando o difractograma obtido ilustrado na Figura 32. Sabendo que na DRX, a difração de substâncias cristalinas se caracteriza por picos de Bragg bem definidos, contrariamente às substâncias amorfas, pela visualização do difractograma pode-se concluir que a amostra é essencialmente não cristalina (amorfa) pois as linhas de difração são maioritariamente largas e pouco definidas. O difratograma de raios-X apresenta uma banda amorfa na região de 2 entre 20 e 40º, o que está relacionado ao estado amorfo da sílica da frústula das diatomáceas. Esta informação vai de encontro às características descritas para as sílicas biogénicas. O padrão de difração de raio-X das diatomáceas pré-tratadas exibe estrutura de opala, que é uma sílica hexagonal, amorfa hidratada (SiO2.nH2O), e quartzo [110]. As linhas de difração não identificadas que aparecem no espectro correspondem a impurezas.
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Figura 32- Difratograma das diatomáceas após pré-tratamento.
TGA Através da análise de TGA foi possível avaliar a degradação térmica da matéria orgânica presente nas amostras de algas diatomáceas. A curva termogravimétrica obtida e respetiva derivada, estão representadas na Figura 33. Nesta figura é possível identificar a presença de 2 processos de perda de massa: zona (1) entre os 30 e 225 °C, é atribuída à evaporação de água fisicamente adsorvida na amostra e de alguns componentes voláteis; e a zona (2) entre os 250 e 480 °C, onde ocorre uma perda mais significativa de massa, corresponde à degradação dos componentes orgânicos e alguns inorgânicos. A massa só estabiliza para temperaturas elevadas, o que demonstra a presença de um elevado teor em Ca e, como tal, carbonatos. Através da análise de TGA de conclui-se que para a remoção da matéria orgânica é necessária uma calcinação a aproximadamente 500 ºC.
Figura 33- Termograma obtido para as diatomáceas após pré-tratamento, em ensaio dinâmico realizado desde a temperatura ambiente até 1100 °C, a uma velocidade de varrimento igual a 25 °C/min, sob atmosfera de ar. A curva rosa representa a perda de massa e a curva azul a respetiva derivada.
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5.2 Amostras após moagem Após o processo de moagem a amostra foi analisada por TEM para ver as diferenças ocorridas tanto a nível da matéria orgânica como no que toca à frústula das algas.
TEM As imagens obtidas na TEM para a amostra de algas diatomáceas após o processo de moagem estão presentes na Figura 34. Comparativamente às amostras pré-tratadas (Figura 27), é possível ver mais matéria (que se admite ser matéria orgânica e alguns fragmentos de diatomáceas) à volta das diatomáceas após o processo de moagem. No entanto, a estrutura da frústula das diatomáceas parece não ter sofrido alterações.
Figura 34- Imagens de TEM das diatomáceas após moagem.
5.3 Amostras após remoção de orgânicos Após a remoção dos orgânicos por tratamentos térmico e químico, as amostras foram analisadas por TEM, RMN e FTIR.
TEM A caracterização por TEM das amostras foi realizada para ser feita a comparação da estrutura das algas antes e após o tratamento, assim como para ver a influência do tipo de tratamento na estrutura das mesmas. Analisando as imagens superiores da Figura 35, verifica-se que o tratamento químico parece ter danificado algumas diatomáceas (imagem da direita) mas outras permanecem inalteradas (imagem da esquerda). Relativamente às diatomáceas tratadas termicamente, não são notáveis alterações à estrutura das algas. Em ambas as amostras já não são visíveis resíduos à volta das diatomáceas (que corresponderiam à matéria orgânica), pelo que o processo de remoção de orgânicos foi eficiente.
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Figura 35- Imagens de TEM das diatomáceas após tratamento químico (acima) e térmico (abaixo).
A amostra tratada termicamente foi analisada, complementariamente ao TEM, por EDS. O gráfico obtido está representado na Figura 36 e pode-se verificar que os picos correspondentes ao silício e ao oxigénio continuam presentes, demonstrando que após o tratamento térmico as frústulas das diatomáceas continuam a conter sílica.
Figura 36- Gráfico obtido por EDS para as diatomáceas após tratamento térmico.
RMN Nas Figuras 37 e 38 estão representados os espectros RMN 29Si MAS das amostras após tratamento químico e térmico, respetivamente. O espectro da amostra tratada quimicamente é sem CP enquanto o da tratada termicamente é com CP, por serem os que permitem ver melhor a distinção dos picos. O espectro RMN 29Si MAS com CP da amostra tratada termicamente e o espectro RMN 29Si MAS sem CP da amostra tratada quimicamente estão presentes no Anexo A-3. Ambos os espectros das amostras após a remoção de orgânicos mostram a presença de centros Q3 e Q4. O espectro RMN da amostra tratada quimicamente (Figura 37) apresenta imenso ruído, pelo
53 que é de baixa qualidade. Uma das razões pode ser o fato de o tratamento químico ter alterado a amostra, tal como visto na TEM, contudo, a quantidade da amostra também era reduzida, pelo que também pode ser essa a razão. O espectro da amostra tratada termicamente (Figura 38) mostra uma maior quantidade de centros Q4 do que Q3. Isto pode dever-se à condensação de alguns grupos silanol promovida pela elevada temperatura (500 ºC) a que a amostra foi sujeita. Esta menor quantidade de centros Q3 é uma desvantagem, pois estes são necessários para que possa ocorrer a funcionalização.
Figura 37- Espectro RMN 29Si MAS com CP das diatomáceas após tratamento químico.
Figura 38- Espectro RMN 29Si MAS sem CP das diatomáceas após tratamento térmico.
54
FTIR As amostras submetidas aos diferentes tratamentos (térmico e químico) foram analisadas por FTIR- KBr, de modo a verificar a eficiência dos mesmos. Analisando a Figura 39 é possível verificar que os espectros de FTIR para as amostras após os tratamentos térmico e químico são bastante semelhantes, apresentando as mesmas bandas. Comparando os espectros obtidos por FTIR antes (Figura 31) e após os tratamentos térmico e químico (Figura 39), é possível verificar que as bandas presentes na Figura 31 correspondentes à matéria orgânica (a comprimentos de onda de 2800-3000 cm-1 e 1500-1400 cm-1) já não aparecem em nenhum dos espectros da Figura 39, pelo que o processo da remoção da mesma foi eficiente. A banda larga localizada entre os 3000-3800 cm-1 manteve-se, correspondendo à vibração de elongação () da ligação OH dos grupos silanol (Si-OH) e às moléculas de água adsorvidas na superfície da sílica, bem como a banda à volta dos 1640 cm-1, atribuída à deformação das moléculas de água (OH) Nos comprimentos de onda mais baixos mantiveram-se as bandas de 1000-1100 cm-1, atribuída à
-1 vibração de elongação da ligação Si–O–Si assimétrica (as); e a de 800-830 cm , associada à vibração de elongação da ligação Si–O–Si simétrica (s) da rede de sílica. Apareceu a banda não detetada na amostra após pré-tratamento, entre 420-480 cm-1, associada à deformação da ligação Si-O de grupos siloxano. Nestes espectros já não é visível o «ombro» à volta dos 960 cm-1. Os picos a 1097, 804 e 463 cm-1 são característicos da sílica amorfa [56, 109].
Figura 39- Espectro obtido por FTIR das diatomáceas após tratamento químico (esquerda) e térmico (direita).
No anexo A-5 (Figura A-8) está um gráfico comparativo que contém os espectros FTIR das diatomáceas antes e após o processo de remoção de orgânicos.
DRX As amostras tratadas química e termicamente foram sujeitas a uma análise de DRX, estando o difratogramas obtidos ilustrados nas Figura 40 e 41. Comparativamente ao difratograma das diatomáceas antes da remoção de orgânicos (Figura 32) são visíveis muito menos linhas de difração,
55 sendo que a amostra tratada quimicamente apresenta maior quantidade destas linhas. O padrão com linha de difração a 2=22º (e a região entre 20 e 40º) mostra a presença de sílica amorfa na frústula das algas diatomáceas. O padrão de difração de raio-X das diatomáceas tratadas quimicamente e exibem estrutura de opala e quartzo, enquanto o das tratadas termicamente apenas exibe estrutura opala [110]. Após os tratamentos não é esperado que a estrutura cristalina da sílica se modifique. No entanto, o fato das amostras caracterizadas por DRX não corresponderem ao mesmo lote de algas (as da Figura 32 e 40 são do 1º lote e as da Figura 41 são do 2º lote, pelo que as algas estavam em diferentes ciclos de reprodução) pode justificar esta diferença.
Figura 40- Difratograma das diatomáceas após tratamento químico.
Figura 41- Difratograma das diatomáceas após tratamento térmico.
5.4 Amostras após funcionalização Após a funcionalização as amostras voltaram a ser analisadas, por TEM, para ver se ocorreram alterações à estrutura da alga diatomácea, e por FTIR, para verificar se os grupos desejáveis de se formar estão presentes no espectro.
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5.4.1 Procedimento 1 Após os tratamentos térmico e químico as diatomáceas foram funcionalizadas, em meio ácido, numa adaptação de um protocolo do grupo. Os resultados obtidos nas análises efetuadas estão apresentados de seguida.
TEM-EDS Este procedimento foi realizado tanto para diatomáceas tratadas termicamente como quimicamente. Nas imagens A1 e A2 da Figura 42 estão presentes as imagens de TEM das diatomáceas tratadas quimicamente, não sendo notável qualquer alteração na frústula das diatomáceas. E ainda, na imagem de A2 é possível ver que ocorreu a formação de NPs na amostra tratada quimicamente. Nas imagens B1 e B2 da Figura 42 é possível visualizar as imagens de TEM das diatomáceas tratadas termicamente, estando uma espécie de filme a envolver a frústula, pelo que o processo de funcionalização alterou a superfície da alga. Na alga tratada termicamente não houve a formação de NPs.
Figura 42- Imagens de TEM das diatomáceas tratadas quimicamente (cima) e termicamente (baixo) após funcionalização pelo procedimento 1.
A amostra tratada termicamente e funcionalizada com APTES foi analisada por TEM-EDS. O gráfico obtido por EDS está representado na Figura 43, podendo verificar-se que além dos elementos que apareciam anteriormente (Cu, Si e O) aparece o N (azoto), proveniente do APTES.
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Figura 43- Gráfico obtido por EDS para as diatomáceas tratadas termicamente e após funcionalização pelo procedimento 1.
FTIR Na Figura 44 estão representados os espectros obtidos por FTIR após a funcionalização com APTES pelo procedimento 1, para as experiências realizadas com diatomáceas tratadas química (a laranja) e termicamente (a verde); e ainda na ausência de algas (a azul). São visíveis muito mais bandas comparativamente aos espectros antes do procedimento de funcionalização (Figura 39). Os espectros com os números de onda identificados estão apresentados no Anexo A-5 (Figuras A-9 e A-10). Em todos os espectros a banda larga localizada entre os 3000-3800 cm-1, correspondente à vibração de elongação () da ligação OH dos grupos silanol (Si-OH) e às moléculas de água adsorvidas na superfície da sílica manteve-se, tal como a banda à volta dos 1640 cm-1 atribuída à deformação das moléculas de água (OH). Nos comprimentos de onda mais baixos, mantiveram-se as bandas de 1000-1100 cm-1, atribuída
-1 à vibração de elongação da ligação Si–O–Si assimétrica (as); a de 800-830 cm , associada à vibração
-1 de elongação da ligação Si–O–Si simétrica (s) da rede de sílica; e a de 420-480 cm , associada à deformação da ligação Si-O de grupos siloxano. O «ombro» em torno do número de onda 945 cm-1, associado à deformação da ligação Si-O de grupos siloxano, também é visível em todos os espectros. Assim, conclui-se que os picos associados à rede de sílica amorfa continuam presentes. Comparando a banda entre os 1000-1100 cm-1 das amostras tratadas química ou termicamente antes (Fig. 39) e após (Fig. 44) a funcionalização, é visível que a banda mudou de forma, passando a ter uma «bossa». Esta alteração dá indícios de que terão ocorrido alterações na superfície da sílica. Relativamente às diferenças nos espectros após a funcionalização, são visíveis bandas na região -1 dos 2900-3000 cm , atribuídas à vibração de elongação assimétrica do grupo -CH2, e bandas à volta dos 2800 cm-1, atribuídas à vibração de elongação simétrica do -CH (grupos presentes no APTES). A amostra tratada termicamente (a verde) apresenta maior número de bandas nesta zona, o que poderá indicar mais funcionalização da frústula das diatomáceas. A banda em torno dos 1400 cm-1. associada [73,111] à deformação do grupo metileno perto de Si (-Si-CH2-) , presente no APTES, não é observada para a alga tratada quimicamente (a laranja), sendo observada nas duas outras situações. -1 + O pico entre 1350-1390 cm , atribuído a uma amina protonada (NH3 ), está presente em todos os espectros, sendo mais intenso na amostra tratada termicamente. As bandas em torno dos 1560 cm-1
-1 estão atribuídas à deformação do NH2 (NH2), enquanto as bandas a aproximadamente 1230 cm
[111] poderão estar atribuídas à ligação Si-O-CH3 .
58
Figura 44- Espectros obtidos por FTIR após funcionalização com APTES pelo procedimento 1: para as diatomáceas tratadas química (a laranja) e termicamente (a verde); e para a experiência realizada na ausência de algas.
5.4.2 Procedimento 2 Após os tratamentos térmico e químico as diatomáceas foram funcionalizadas, em meio básico, numa adaptação do método de Stöber. Este procedimento foi realizado com e sem TEOS. Os resultados obtidos nas análises efetuadas estão apresentados de seguida.
TEM-EDS a) Na presença de TEOS/APTES Este procedimento foi realizado tanto para diatomáceas tratadas quimicamente como termicamente, estando as imagens de TEM obtidas representadas na Figura 45. As imagens de cima dizem respeito às algas tratadas quimicamente e as de baixo às tratadas termicamente. Analisando a Figura 45 verifica-se que em ambos os casos se formaram NPs de sílica. A frústula das diatomáceas parece ter sofrido alterações, pois já não são visíveis os poros. No entanto, pode acontecer que sejam só as NPs sobrepostas na frústula, não tendo havido funcionalização desta. Esta análise de caracterização não é conclusiva quanto à eficiência do procedimento.
59
Figura 45- Imagens de TEM das diatomáceas tratadas quimicamente (cima) e termicamente (baixo) após funcionalização pelo procedimento 2 e na presença de TEOS.
b) Na presença de APTES Este procedimento foi realizado apenas para as diatomáceas tratadas termicamente (devido à quantidade reduzida de amostra disponível). Usando como precursor apenas APTES não se deteta nem o revestimento da frústula nem a formação de NPs- Figura 46. Além disso as diatomáceas da amostra parecem inalteradas, pelo que a funcionalização não deve ter resultado. Isto demonstra que possivelmente na experiência anterior, apenas o TEOS das soluções foi funcionalizado com o APTES.
Figura 46- Imagens de TEM das diatomáceas tratadas termicamente após funcionalização pelo procedimento 2 e na ausência de TEOS.
FTIR Após a funcionalização com APTES pelo procedimento 2 as bandas presentes no espectro são bastante semelhantes às da figura 44, pelo que a interpretação é idêntica. Os espectros com os números de onda identificados estão apresentados no Anexo A-5 (Figuras A-11 e A-12). Na Figura 47 estão representados os espectros obtidos por FTIR após funcionalização pelo procedimento 2. Em todos os espectros a banda larga localizada entre os 3000-3800 cm-1, correspondente à vibração de elongação () da ligação OH dos grupos silanol (Si-OH) e às moléculas de água adsorvidas na superfície da sílica manteve-se, tal como a banda à volta dos 1640 cm-1 atribuída à deformação das moléculas de água (OH). Estas bandas apresentam-se menos intensas nas diatomáceas tratadas termicamente. As bandas associadas à sílica: 1000-1100 cm-1 (vibração de elongação da ligação Si–O–Si assimétrica); 800-830 cm-1 (vibração de elongação da ligação Si–O–Si simétrica); 420-480 cm-1 (associada à deformação da ligação Si-O de grupos siloxano); e e «ombro» em torno do número de
60 onda 945 cm-1, associado à deformação da ligação Si-O de grupos siloxano, também são visíveis em todos os espectros. Concluindo-se que os picos associados à rede de sílica amorfa continuam presentes. As bandas na região dos 2900-3000 cm-1, atribuídas à vibração de elongação assimétrica do grupo -1 -CH2, e as bandas à volta dos 2800 cm , atribuídas à vibração de elongação simétrica do -CH, estão presentes em todos os espectros. Neste caso as algas tratadas quimicamente apresentam maior número e intensidade de bandas na zona da elongação simétrica C-H, o que pode representar maior quantidade de APTES na amostra. - A banda associada à deformação do grupo metileno perto de Si (-Si-CH2-) em torno dos 1400 cm 1 é observada em todos os espectros, sendo menos intensa para a amostra tratada termicamente. -1 + A banda entre os 1350-1390 cm , atribuída a uma amina protonada (NH3 ), é muito pouco intensa no caso amostra tratada termicamente (a verde), sendo mais intensa no procedimento realizado na ausência do precursor TEOS. Relativamente ao «ombro» em torno do número de onda 945 cm-1, apenas está presente nas diatomáceas funcionalizadas com os dois precursores TEOS/APTES [73]. Apenas no espectro das diatomáceas tratadas termicamente está presente a banda centrada nos
-1 [73,111] 1543 cm , correspondente à deformação do NH2 (NH2) . Em nenhuma das situações está presente uma banda a 1230 cm-1, relacionada com a ligação Si-
O-CH3. No entanto, como a banda associada à vibração de elongação da ligação Si–O–Si assimétrica [111] é muito larga, pode não permitir a visualização da ligação Si-O-CH3 .
Figura 47- Espectros obtidos por FTIR após funcionalização com TEOS/APTES pelo procedimento 2: para as diatomáceas tratadas química (a laranja) e termicamente (a verde); e para a experiência realizada na ausência de TEOS.
61
5.4.3 Procedimento 3 As diatomáceas funcionalizadas de acordo com a adaptação do protocolo de Rea et al. [76] foram analisadas por TEM e por FTIR. Os resultados obtidos nas análises efetuadas estão apresentados de seguida.
TEM Analisando a Figura 48, que contém as imagens de TEM após a funcionalização pelo procedimento 3, não são visíveis alterações na frústula das diatomáceas, nem a formação de NPs.
Figura 48- Imagens de TEM das diatomáceas após funcionalização pelo procedimento 3.
FTIR O espectro obtido por FTIR para as diatomáceas após a funcionalização pelo procedimento 3 (Figura 49) apresenta resultados bastante semelhantes aos anteriores (Figuras 44 e 47). O espectro com os números de onda identificados está apresentado no Anexo A-5 (Figura A-13). Tal como anteriormente, são visíveis as bandas a 3000-3800 cm-1 e 1640 cm-1, associadas à vibração de elongação da ligação OH e à deformação das moléculas de água, respetivamente. As -1 bandas na região dos 2900-3000 cm , atribuídas à vibração de elongação assimétrica do -CH2, e em torno de 2800 cm-1, associadas à vibração de elongação simétrica do -CH, apresentam-se bastante intensas neste espectro, indicando a presença de uma elevada quantidade destes grupos, provenientes do APTES, na amostra.
A banda associada à deformação do grupo metileno perto de Si (-Si-CH2-) é observada em torno -1 -1 + de 1461 cm , enquanto o pico a 1374 cm corresponde a uma amina protonada (NH3 ). Neste espectro
-1 [73, não é visível uma banda centrada nos 1500 cm , que corresponderia à deformação do NH2 (NH2) 111]. As bandas associadas à presença de sílica amorfa na amostra (1000-1100 cm-1, 800-830 cm-1 e 420-480 cm-1) e o «ombro» associado à deformação da ligação Si-O de grupos siloxano ( 945 cm-1), estão presentes no espectro. No espectro a banda a aproximadamente 1200 cm-1 está atribuída à [111] ligação Si-O-CH3 .
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Figura 49-Espectro obtido por FTIR para as diatomáceas após funcionalização pelo procedimento 3.
Apesar de na TEM não serem visíveis alterações na frústula das diatomáceas (para o caso do procedimento 1, quando realizado na ausência de TEOS, e para o caso do procedimento 3), os espectros obtidos pela análise de FTIR indicam que a funcionalização com APTES foi efetuada com sucesso em todos os procedimentos. Nos procedimentos em que não houve a formação de NPs (procedimento 1 realizado com algas tratadas termicamente, procedimento 2 efetuado na ausência de TEOS e procedimento 3) há maior segurança de que a funcionalização foi eficaz, pois nos restantes a funcionalização poderá ter sido efetuada apenas nas NPs. No entanto, o fato de na análise de TEM apenas se usar uma quantidade muito reduzida de amostra de algas pode implicar que, se apenas algumas das frústulas presentes na amostra foram funcionalizadas, estas não apareçam nas imagens de TEM. Esta pode ser uma das razões para que não se verifiquem alterações nas frústulas das diatomáceas captadas aquando a caracterização por TEM.
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Capítulo 6 Conclusões
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6 Conclusões O objetivo deste trabalho incidiu na preparação de materiais de sílica a partir de sílica biogénica (de algas diatomáceas). Após a recolha das algas, efetuada em duas lagoas de S. Miguel, Açores, as amostras foram sujeitas a um pré-tratamento (no qual se removeram das impurezas macro e micro) seguido de um processo de moagem (que visou reduzir e uniformizar o tamanho das partículas). As análises de RMN, FTIR e DRX demonstraram a existência de sílica (amorfa) nas amostras. A fase seguinte do trabalho consistiu na remoção dos orgânicos presentes nas amostras para obter a (bio)sílica pura. Esta remoção foi efetuada recorrendo a dois tratamentos distintos: um térmico e um químico. As análises de caracterização efetuadas (TEM e FTIR) comprovaram a eficiência dos processos na remoção da matéria orgânica, contudo o tratamento químico danificou a estrutura de algumas diatomáceas e mostrou-se menos eficaz na remoção de matéria orgânica. Após a obtenção da (bio)sílica pura, foi realizada a funcionalização das amostras, com o precursor APTES, recorrendo-se a 2 protocolos diferentes, baseados na metodologia sol-gel. O primeiro procedimento, uma adaptação de um protocolo do grupo, demonstrou-se eficiente na funcionalização das algas tratadas termicamente, tendo-se formado um filme à volta da frústula das diatomáceas. A caracterização por TEM não demonstrou alterações nas algas tratadas quimicamente, contudo de acordo com a análise FTIR o processo de funcionalização da sílica com APTES ocorreu. O segundo procedimento, uma adaptação do método de Stöber, foi realizado na presença dos precursores TEOS/APTES e na presença apenas do precursor APTES. Em ambos casos os espectros obtidos por FTIR mostram que o processo de funcionalização foi eficiente, contudo não se registam alterações da frústula das diatomáceas nas imagens de TEM. Uma terceira via, com base em trabalhos de investigação publicados [76], partiu de algas apenas pré-tratadas e sujeitas ao processo de moagem. Mais uma vez, apesar de não serem visíveis alterações na frústula das diatomáceas (nas imagens de TEM), a caracterização por FTIR demonstrou a presença de APTES. Tendo em conta a contradição das caracterizações (por TEM e FTIR) não é possível retirar conclusões assertivas relativamente à eficiência, ou não, do processo de funcionalização. Assim, seria necessária a realização de caracterizações complementares para analisar a estrutura da frústula das diatomáceas antes e após cada procedimento. O processo de funcionalização da bio(sílica) presente nas diatomáceas, possibilita o seu uso em diferentes áreas, nomeadamente catálise e outras áreas de engenharia. A utilização das diatomáceas como fonte alternativa de sílica reduz os resíduos sólidos resultantes da limpeza das lagoas, o custo dos processos, e ainda a promoção da sua sustentabilidade. Assim, o progresso do estudo da utilização desta matéria-prima natural no fabrico de nanomateriais traz imensas vantagens, apresentando uma elevada potencialidade no desenvolvimento de novos produtos/processos “amigos do ambiente”.
65 k
Capítulo 7
Propostas de Trabalho
Futuro
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7 Propostas de Trabalho Futuro Tendo em conta as vantagens do uso da (bio)sílica proveniente das algas diatomáceas, seria interessante continuar este trabalho usando outras abordagens.
- Realizar um estudo da área superficial e da capacidade de adsorção molecular por BET (Teoria de Adsorção Multimolecular); - Eventual uso das diatomáceas como material de enchimento, para aumentar a área superficial do material, e usar o material funcionalizado por exemplo na catálise; - Efetuar análises de caracterização complementares, às amostras funcionalizadas neste trabalho, para um estudo mais aprofundado às alterações que ocorreram na frústula das diatomáceas (p.e. Microscopia Eletrónica de Varrimento- SEM e Microscopia de Força Atómica- AFM); - Tentar outros procedimentos para a remoção de orgânicos e posterior funcionalização com o precursor APTES; - Realizar o processo de funcionalização da (bio)sílica com outro tipo de compostos; - Efetuar os procedimentos utilizados neste trabalho, mas com os sedimentos das diatomáceas, ou seja, com terra de diatomáceas. O uso desta nova matéria-prima facilitaria a execução experimental e reduziria os custos, na medida em que a terra de diatomáceas apenas tem sílica na sua constituição.
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75
Anexos Anexo 1- Imagens obtidas para a amostra recolhida
Figura A- 1 ̶ Imagens obtidas no microscópio da visualização das amostras de algas diatomáceas recolhidas, antes de qualquer tratamento.
Anexo 2- Dados obtidos na avaliação dos poros da frústula das diatomáceas
Figura A- 2 ̶ Imagem da frústula da diatomácea analisada para saber as características dos poros.
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Figura A- 3 ̶ Distribuição de tamanho do diâmetro (d) dos poros da frústula da diatomácea analisada.
Figura A- 4 ̶ Distribuição da distância (s) entre poros adjacentes da frústula da diatomácea analisada.
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Anexo 3- Espectros RMN 29Si MAS
Figura A- 5 ̶ Espectro RMN 29Si MAS sem CP da amostra após pré-tratamento.
Figura A- 6 ̶ Espectro RMN 29Si MAS com CP da amostra após tratamento térmico.
78
Figura A- 7 ̶ Espectro RMN 29Si MAS sem CP da amostra após tratamento químico.
Anexo 4- Tabela de auxílio à caracterização por FTIR
Tabela A- 1 ̶ Grupos funcionais tipicamente observados em espectros FTIR de algas diatomáceas
e atribuição da sua estrutura [109].
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Anexo 5- Espectros FTIR
Figura A- 8 ̶ Espectros FTIR das diatomáceas após o pré-tratamento (azul); e após os tratamentos químico (laranja) e térmico (verde).
Figura A- 9 ̶ Espectros obtidos por FTIR das diatomáceas tratadas quimicamente (esquerda) e termicamente (direita) após funcionalização pelo procedimento 1, com respetivos picos identificados.
Figura A- 10 ̶ Espectro obtido por FTIR na ausência de diatomáceas após funcionalização pelo procedimento 2, com respetivos picos identificados.
80
Figura A- 11 ̶ Espectros obtidos por FTIR das diatomáceas tratadas quimicamente (esquerda) e termicamente (direita) após funcionalização pelo procedimento 2 e na presença de TEOS, com respetivos picos identificados.
Figura A- 12 ̶ Espectro obtido por FTIR das diatomáceas tratadas termicamente após funcionalização pelo procedimento 2 e na ausência de TEOS, com respetivos picos identificados.
Figura A- 13 ̶ Espectro obtido por FTIR das diatomáceas após funcionalização pelo procedimento 3, com respetivos picos identificados.
81