Synthesis and characterization of superparamagnetic nanoparticles containing Fe3O4 core in pyrolyzed tannin

Abstract

Resumo: A nanotecnologia é uma ciência de engenharia em que o objetivo é desenvolver procedimentos e estruturas em nanoescala, com novas propriedades que podem oferecer soluções para muitos problemas atuais. Nesta pesquisa, descrevemos a síntese de nanopartículas de óxido de ferro superparamagnético (Fe3O4). As nanopartículas de óxido de ferro contêm um núcleo de óxido de ferro, que é cercado por um escudo de ligantes. O escopo deste trabalho foi a preparação de nanopartículas superparamagnéticas baratas e revestidas com extrato de tanino condensado pirolisado extraído de Acacia mearnsii formando nanopartículas estruturadas num núcleo-camada de cobertura, usando um processo de coprecipitação de passo único. Extrato seco de tanino de foi por terra e blindados (usando uma peneira de malha-80), e 200 g por litro foi adicionado a uma solução aquosa contendo cloreto férrico e cloreto ferroso relação molar de 2:1 em um meio básico de pH = 10. A mistura foi agitada vigorosamente por 30 minutos. Após a formação de precipitado, ele foi separado por centrifugação e depois de secar o precipitado foi pirolisado na temperatura desejada 400 °C ou 700 °C, respectivamente, a taxa de 5 ° C/min por 6 h. A caracterização do material preparado foi realizada utilizando espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de transmissão (TEMPLETON et al.), difração de raios x (XRD) e análise de Brunauer-Emmett-Teller (BET). As nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro em tanino pirolisado (SPMIOBNPs) apresentaram tamanhos médios na faixa de 20-35 nm determinados com a ajuda da XRD e equação de Scherrer. As análises de BET e SEM confirmaram que a superfície das SPMIOBNPs apresentavam estrutura porosa, com multicamadas de microporos e isoterma do tipo H(III). As SPMIOBNPs preparadas mostraram atração muito forte em direção de campo magnético externo, usando espectroscopia de EPR, ou disco do ímã de neodymium. As propriedades magnéticas revelaram que os SPMIOBNPs eram superparamagnéticas, com saturação de magnetização de 32 emu/g a 300 K utilizando magnetômetro SQUID. O desempenho das SPMIOBNPs na limpeza de águas mostraram um bom resultado na remoção de cromo hexavalente [Cr(VI)] da água contaminada. Os resultados mostraram que a adsorção de Cr(VI) pelas SPMIOBNPs era dependente pH, sendo que as maiores adsorções se deram no menor pH da solução de valor 2. O estudo por espectroscopia de fotoeletrônica de raios x (XPS) mostrou que que a maior parte do Cr(VI) adsorvido foi reduzido a Cr(III). Neste estudo, podemos concluir que SPMIOBNPs têm o potencial de remoção de cromo hexavalente de águas residuais. O equilíbrio cinético do processo de sorção também foi investigado. A sorção de Cr(VI) pelas SPMIOBNPs preparadas seguiu o modelo cinético de pseudo - segunda ordem sugerindo que a taxa de reação de sorção depende de dois parâmetros, que podem ser a concentração do sorbato e dosagem do adsorvente. Segundo modelo de ordem indica que ’Quimissorção’ ocorreu durante o processo de adsorção ou seja, uma nova espécie químicos foram criados na superfície do adsorvente. Palavras-chave: Nanotecnologia, superparamagnético, biocarvão, tanino, co-precipitação, cromo hexavalente.

Abstract: Nanotechnology is an engineering science in which the aim is to develop procedures and structures at the nanoscale, with novel properties that might offer solutions to many current problems. In this research, we describe the synthesis of superparamagnetic iron oxide (Fe3O4) nanoparticles. Iron oxide nanoparticles contain a core of iron oxide which is surrounded by a shell of ligands. The scope of this work is a preparation of cheap superparamagnetic nanoparticles and coating them with extract of condensed tannin extract of Acacia mearnsii to form core-shell structured biochar nanoparticles, using a single step co-precipitation process. Dry tannin extract of was ground and screened (using an 80-mesh sieve), and 200 g per liter was added to an aqueous solution containing ferric chloride and ferrous chloride 2:1 molar ratio at a basic medium of pH =10. The mixture has been vigorously stirred for 30 minutes. After the formation of precipitate it was separated by centrifugation and after drying the precipitate was pyrolysed on desired temperature 400 °C and 700 °C respectively at a rate of 5 °C/min for 6 h. Characterization of this material (acronym: SPMIOBNPs) was performed using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy , X-ray diffraction (XRD) and Brunauer–Emmett–Teller (BET) analysis. The SPMIOBNPs particles produced were contained iron oxide nanoparticles with average sizes in the range of 20-35 nm determined with help of XRD and Scherrer equation. The XRD diffractogram suggest the. SEM and BET analysis confirm its porous, multilayer micropores structure surface with H(III) type of isotherm. The FTIR analysis give an idea about the changes take place in the structure after pyrolysis attributing the formation SPMIOBNPs with characteristic functional groups. SPMIOBNPs prepared shows very strong attraction toward external magnetic field using a disc of neodymium magnet. The magnetic properties revealed that the SPMIOBNPs were superparamagnetic, with a saturation magnetization of 32 emu/g at 300 K using vibrating sample magnetometer SQUID. The performance of the SPMIOBNPs show a good result in the removing of hexavalent chromium Cr(VI) from contaminated water. The detection of total chromium in the solution was analyzed with the help of flame atomic absorption and hexavalent chromium was done with the help of 1,5- diphenylcarbohydrazide method. Equilibrium, kinetics, of the sorption process were also investigated which show some reduction of Cr(VI) to Cr(III). The results showed that Cr(VI) adsorption on SPMIOBNPs was dependent on lower pH of the solution i.e. 2. The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) study showed that during Chromium adsorption, some amount Fe(II) was transformed into Fe(III) by the redox reaction and Cr(VI) species were reduced to Cr(III) species. In this study we conclude that SPMIOBNPs have potential in removal of chromium hexavalent from waste water. The sorption kinetics of Cr(VI) onto SPMIOBNPs are followed the pseudo-second order kinetic model suggesting that the sorption reaction rate depends on two parameters, which might be the sorbate concentration and sorbent dosage. Second order kinetic model indicates that ’Chemisorption’ took place during the adsorption process i.e. a new chemical species were created at the adsorbent surface. Key-words : Nanotechnology, superparamagnetic, biochar, tannin, coprecipitation, hexavalent chromium.