Chitosan-Intercalated FePS3 as Novel and Efficient Adsorbent for Congo-Red Dye Removal from Aqueous Solution

Resumo Técnico: FePS3 Intercalado com Quitosana como um Adsorvente para a Remoção de Corante Congo Red

Definição do Problema
O estudo aborda a questão crítica da poluição da água causada por corantes sintéticos, especificamente o Vermelho de Congo (CR), que é amplamente utilizado na indústria têxtil. Devido à sua toxicidade, persistência e alta solubilidade, o CR representa sérias ameaças aos ecossistemas ambientais e à saúde humana. Embora os tricalcogenetos de fósforo de metais de transição (MPX3), como o sulfeto de ferro e fósforo (FePS3), possuam propriedades eletrônicas e magnéticas promissoras para a remediação ambiental, sua aplicação é frequentemente limitada pela estabilidade e dispersibilidade em soluções aquosas. A pesquisa visa superar essas limitações através do desenvolvimento de um novo compósito adsorvente por meio da intercalação de quitosana (CS), um polissacarídeo biodegradável, na estrutura em camadas do FePS3 para aumentar sua eficiência de adsorção para a remoção de CR.

Metodologia
Os pesquisadores sintetizaram o FePS3 via reação de estado sólido, misturando quantidades estequiométricas de pós de Fe, P e S em um tubo de sílica evacuado e aquecendo a mistura a 650°C por três dias. O compósito FePS3-CS foi subsequentemente preparado utilizando um método de intercalação via via úmida, onde uma solução de quitosana foi adicionada ao pó de FePS3 e agitada por 10 horas a 60°C.

Os materiais foram caracterizados utilizando:

• Difração de Raios X (XRD): Para analisar a estrutura cristalina e a intercalação.
• Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR): Para identificar grupos funcionais.
• Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) com Energia Dispersiva de Raios X (EDX): Para examinar a morfologia superficial e a composição elementar.
• Adsorção-Dessorção de Nitrogênio (BET): Para determinar a área superficial, o volume de poros e a distribuição do tamanho dos poros.

Experimentos de adsorção foram conduzidos em modo estático a 25°C. O estudo avaliou os efeitos do tempo de contato, pH da solução (2–9), dose do adsorvente e concentração inicial do corante (5–50 mg/L). Os dados de adsorção foram analisados utilizando modelos cinéticos (pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e difusão intrapartícula) e modelos de isoterma (Langmuir, Freundlich e Temkin). A reusabilidade foi testada ao longo de seis ciclos de adsorção-dessorção usando HCl 0,1 M como agente de eluição.

Principais Contribuições e Resultados

• Modificação Estrutural: A análise de XRD confirmou a intercalação parcial da quitosana nas camadas de FePS3, evidenciada por leves deslocamentos nos picos de difração e pelo desaparecimento de outros, atribuídos a interações eletrostáticas e ligações de hidrogênio entre os grupos amino/hidroxila da CS e a superfície contendo enxofre do FePS3. O FTIR e o SEM-EDX verificaram adicionalmente a presença de grupos funcionais da CS e uma mudança na morfologia de placas estratificadas distintas para partículas fragmentadas e porosas.
• Propriedades Texturais: A intercalação transformou a porosidade do material. Enquanto o FePS3 puro exibiu uma área superficial específica de 20,32 m²/g com uma estrutura predominantemente mesoporosa, o compósito FePS3-CS mostrou um aumento na área superficial para 50,49 m²/g. O compósito exibiu um sistema mesoporoso–microporoso mais desenvolvido com um aumento significativo no volume total de poros (de 4,85 × 10⁻² para 2,23 cm³/g) e uma mudança para tamanhos de poros menores e mais heterogêneos, aumentando a acessibilidade para as moléculas de corante.
• Desempenho de Adsorção:
  • Eficiência: Sob condições ótimas (pH 5 para FePS3, pH 6 para FePS3-CS; 90 min de tempo de contato), o FePS3-CS alcançou uma eficiência máxima de remoção de 99%, comparado a 91,4% para o FePS3 puro.
  • Cinética: O processo de adsorção para ambos os materiais seguiu um modelo cinético de pseudo-segunda ordem (R² > 0,99), indicando que a quimissorção envolvendo compartilhamento ou troca de elétrons é a etapa limitante da taxa. A difusão intrapartícula foi identificada como um fator contribuinte, mas não como o único mecanismo controlador da taxa.
  • Isotermas: O modelo de isoterma de Freundlich forneceu o melhor ajuste para os dados de equilíbrio (R² = 0,997 para FePS3-CS), sugerindo adsorção em multicamadas em uma superfície heterogênea. A capacidade máxima de adsorção monocamada (Qm) calculada via modelo de Langmuir aumentou de 102,24 mg/g para o FePS3 para 113,12 mg/g para o FePS3-CS.
  • pH e Dose: O compósito demonstrou maior estabilidade em uma faixa de pH mais ampla em comparação ao FePS3 puro. Notavelmente, enquanto o aumento da dose do adsorvente melhorou a remoção para o FePS3 puro, o compósito FePS3-CS mostrou redução na eficiência em doses mais altas, provavelmente devido à agregação de partículas e sobreposição de sítios, necessitando de uma otimização cuidadosa da dose.
• Reusabilidade: Os adsorventes mantiveram a funcionalidade ao longo de seis ciclos, embora a eficiência de remoção tenha diminuído de 91,4% para 40% para o FePS3 e de 99% para 50% para o FePS3-CS, confirmando seu potencial para regeneração.

Significância
O artigo conclui que a intercalação de quitosana no FePS3 aumenta com sucesso as propriedades de superfície e a capacidade de adsorção do material para a remoção do Vermelho de Congo. O compósito FePS3-CS é apresentado como um adsorvente inovador, eficiente e promissor para aplicações de tratamento de águas residuais. O estudo destaca que o desempenho melhorado do compósito é impulsionado pelos efeitos sinérgicos dos grupos funcionais da quitosana (fornecendo sítios ativos adicionais para atração eletrostática e ligações de hidrogênio) e da estrutura porosa modificada do hospedeiro FePS3. Os autores afirmam que este compósito oferece uma estratégia viável para tecnologias sustentáveis de purificação de água, particularmente para a remoção de corantes orgânicos persistentes.