Desenvolvimento de concreto permeável modificado com ZnO nanoestruturado aplicado na fotodegradação para tratamento de efluentes industriais

Abstract

Contaminantes orgânicos, como pesticidas, fármacos, corantes e outras moléculas provenientes de descartes inadequados, impactam negativamente o ambiente aquático e representam uma grave ameaça aos organismos que nele vivem. Métodos e tratamentos convencionais têm se mostrado ineficazes para lidar com esses poluentes, pois apenas transferem a contaminação de uma fase para outra, gerando novos tipos de poluição. Nesse contexto, estudos sobre a fotodegradação de contaminantes em águas residuais utilizando nanomateriais têm se destacado como uma abordagem sustentável, com foco na completa destruição dos poluentes. Neste trabalho, óxido de zinco nanoestruturado (ZnONSs) com propriedades fotocatalíticas foi sintetizado e como uma camada externa e incorporado em concreto permeável para tratar efluentes contendo o corante azul de metileno. O concreto permeável (CP) é composto por cimento, água e agregado graúdo, sem a inclusão de agregados finos, resultando em um material com um elevado volume de poros interconectados, permitindo a passagem livre de água. Com a adição do ZnONSs como uma camada na superfície e adição em massa, foi desenvolvido um material multifuncional com capacidade de fotodegradar contaminantes emergentes. Os compósitos foram caracterizados por espectroscopia de absorção na região do ultravioleta - visível (UV-Vis), na região do infravermelho (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (MEV), termogravimetria (TGA). Ensaios de fotodegradação do corante Azul de Metileno tanto para o ZnONSs, quanto para o concreto permeável foram realizados sob luz ultravioleta. Caracterizações mecânicas do CP como resistência a compressão, porosidade e permeabilidade também foram realizadas. Resultados mostraram que a concentração óptima de ZnONSs foi de 1g/L. Efeito do pH e tempo de contato também foram observados apresentando a melhor fotodegradação no pH 12, com 4 horas, chegando a 92,38 %. Porém, pensando em otimização de processo, o pH 6 também foi analisado, alcançando uma fotodegradação de 72,74% em 4 hora. Quando uma camada com 5% de ZnONSs foi depositada em CPs, resultados demonstraram uma degradação eficiente do corante avaliado com 70,92 % (pH 6) e 80,35 % (pH 12); já com as nanoestruturas incorporadas na massa (CP/ZnONSs) o concreto mostrou-se mais eficiente, com 74,92% de fotodegradação em pH 6 e 83,35% em pH 12 (4 horas). No ensaio de fotodegradação dinâmica, onde o efluente flui por entre os poros do CP, uma degradação de 12,55 % foi encontrada utilizando uma vazão de 1 L/h de solução de azul de metileno (50 mL, pH 6 e radiação UV). O CP/ZnONSs apresentou resistência a compressão de 11,1 MPa aos 14 dias e uma porosidade de 21,05 %. Por fim foi observada a autolimpeza quase completa do concreto após 14 dias, uma característica importante para aplicações na engenharia civil. Com isso o material produzido se mostra uma alternativa promissora de novos materiais de construção civil multifuncionais que elimina a contaminação de forma limpa e socioambientalmente correta.

Organic contaminants, such as pesticides, pharmaceuticals, dyes, and other improperly disposed molecules negatively impact aquatic environments and pose a serious threat to the organisms that inhabit them. Conventional treatment methods have proven ineffective in addressing these pollutants, as they often merely transfer contaminants from one phase to another, leading to the formation of new types of pollution. In this context, research on the photodegradation of contaminants in wastewater using nanomaterials has gained prominence as a sustainable approach, aiming for the complete breakdown of pollutants. In this study, nanostructured zinc oxide (ZnONSs) with photocatalytic properties was synthesized and applied as an external layer on pervious concrete to treat effluents containing methylene blue dye. Pervious concrete (PC) is composed of cement, water, and coarse aggregates, with no fine aggregates, resulting in a material with a high volume of interconnected pores that allow for the free flow of water. By incorporating ZnONSs both as a surface coating and within the concrete matrix, a multifunctional material capable of photodegrading emerging contaminants was developed. The composites were characterized using ultraviolet-visible (UV-Vis) absorption spectroscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), and thermogravimetric analysis (TGA). Photodegradation tests of methylene blue were conducted under ultraviolet (UV) light for both isolated ZnONSs and the concrete composites. Mechanical properties of the pervious concrete, such as compressive strength, porosity, and permeability, were also evaluated. Results showed that the optimal ZnONSs concentration was 1 g/L. The effects of pH and contact time were also investigated, with the highest photodegradation efficiency (92.38%) observed at pH 12 after 4 hours. For process optimization, photodegradation at pH 6 was also studied, achieving 72.74% degradation in 4 hours. When a 5% ZnONSs surface layer was applied to the concrete, efficient dye degradation was observed: 70.92% at pH 6 and 80.35% at pH 12. When ZnONSs were incorporated into the concrete matrix (CP/ZnONSs), even higher degradation rates were achieved 74.92% at pH 6 and 83.35% at pH 12, after 4 hours. In dynamic photodegradation tests, where the effluent flowed through the pores of the concrete at a rate of 1 L/h, a degradation efficiency of 12.55% was observed using 50 mL of methylene blue solution at pH 6 under UV radiation. The CP/ZnONSs composite achieved a compressive strength of 11.1 MPa after 14 days and had a porosity of 21.05%. Notably, the concrete exhibited near-complete self-cleaning after 14 days a key attribute for civil engineering applications. Therefore, the material developed in this study represents a promising alternative for multifunctional construction materials that provide environmentally responsible and effective solutions for pollution mitigation.