Os resultados obtidos neste trabalho mostraram que compósitos anfifílicos magnéticos podem ser produzidos a partir de matrizes sintéticas, como sílica e alumina nanoparticulada, ou mesmo a partir de um rejeito industrial, a lama vermelha. A composição dos materiais de sílica ou nanoalumina foi determinada por espectroscopia Mössbauer e difração de raios X, que mostrou como principais fases metálicas, γ-Fe(C), FexCy e Fe0, além de fases oriundas da interação entre
nanopartículas de ferro e a matriz, Fe2SiO4/Fe-Si-C e Fe-Al, respectivamente para
sílica e nanoalumina. O teor de carbono foi determinado por análises térmica e elementar, variando de 3 a 16% nos materiais de sílica e de 2 a 20% nos materiais de nanoalumina. Caracterizações por microscopias eletrônicas e espectroscopia Raman mostraram que o carbono depositado nesses materiais é composto por nanotubos, nanofibras, carbono grafítico e também amorfo. Entretanto, o carbono depositado na superfície dos compósitos de nanoalumina é aparentemente mais homogêneo e mais organizado que nos compósitos de sílica. Esse resultado está provavelmente associado à estrutura fibrosa da matriz nanoalumina, que favorece a dispersão das nanopartículas de catalisadores metálicos, impedindo que se aglomerem.
Duas séries de compósitos a base de lama vermelha foram estudadas: (i) Lv parcialmente recoberta por estruturas de carbono por processo CVD em leito fixo utilizando etanol como fonte de carbono (30 mL min-1) e (ii) Lv com nanotubos de
carbono dopados com N, crescidos por um processo combinado de redução + CVD em leito fluidizado utilizando etileno e/ou acetonitrila (600 mL min-1) como fontes de C
e N, respectivamente. O ferro presente na composição natural da lama vermelha (~30% na forma de Fe2O3 e Fe(Al/Si)O) foi utilizado como catalisador metálico para a
deposição de C, gerando as fases reduzidas Fe3O4, FeO, FexCy e Fe0 após as
reações. Óxidos termicamente estáveis da Lv, como SiO2, Al2O3 e TiO2, atuaram como
suporte para crescimento das nanoestruturas de carbono. Caracterizações por microscopias eletrônicas e espectroscopia Raman mostraram que o carbono depositado nos materiais produzidos com etanol também é misto, sendo composto por nanotubos, nanofibras, carbono grafítico e também amorfo. Porém, maior quantidade de carbono foi depositada nesses compósitos de Lv (7 a 42%) do que nos compósitos de sílica (3 a 16 %) e nanoalumina (2 a 20%). A síntese dos compósitos de lama em leito fluidizado com etileno e/ou acetonitrila levou à formação de grandes quantidades de carbono (65 – 90%) na superfície da matriz na forma seletiva de nanotubos de carbono. Observou-se em imagens microscópicas que os nanotubos sintetizados
parcial ou totalmente com acetonitrila (dopados com N) possuem estrutura diferente daqueles sintetizados apenas com etileno. Os nanotubos dopados com N possuem estrutura segmentada, como um bambu.
Todos os materiais produzidos neste trabalho apresentaram propriedades magnéticas, o que facilita a utilização e remoção desses compósitos em aplicações em sistemas líquidos, como as estudadas neste trabalho: formação e quebra de emulsões, catálise de reações em sistemas bifásicos e adsorção de contaminantes orgânicos em água.
A anfifilicidade dos materiais pode ser modificada em função do teor de carbono e do quanto esse material recobre a matriz. Os resultados mostraram que os compósitos mais anfifílicos são, em geral, aqueles que possuem quantidades de carbono intermediárias que recobrem parcialmente as matrizes.
Observou-se que a agitação de sistemas bifásicos contendo compósitos anfifílicos magnéticos levou à formação de emulsões reversíveis. Os compósitos são capazes de se adsorverem na superfície de gotículas de uma fase dispersas em outra devido ao caráter anfifílico. Além disso, quando a formação da emulsão não é mais desejada, esses compósitos podem ser atraídos por um campo magnético externo, favorecendo a coalescência das gotículas e a consequente separação das fases. Todos os materiais anfifílicos testados se mostraram bons emulsificantes/demulsificantes sólidos nos testes com misturas de água com diferentes fases orgânicas, como óleo de soja, decalina, biodiesel e cicloexano. Testes de reutilização sugeriram que os materiais podem ser utilizados por até 5 ciclos de emulsificação ou desemulsificação sem perda significativa de eficiência.
Os compósitos se mostraram ativos nas reações de oxidação estudadas por duas razões: (i) por promovem um aumento da interface entre reagentes pela formação da emulsão e (ii) pela decomposição do H2O2 em •OH in situ, ou muito
próximas das moléculas a serem oxidadas. Os resultados mostraram que a eficiência dos compósitos é função da combinação de duas variáveis: (i) disponibilidade de núcleos metálicos ativos, que catalisam a reação Fenton e (ii) recobrimento parcial lipofílico, que contribui para a anfifilicidade do compósito sem desativar os catalisadores metálicos. No grupo dos materiais preparados a partir de matrizes inorgânicas sintéticas, sílica e nanoalumina, os compósitos com Fe1%Mo0,1% Fe5% e Fe5%Mo0,5% se mostraram mais eficientes. Na série de lama vermelha com etanol, o compósito produzido a 600 oC se destacou. Os compósitos preparados com nanotubos
de carbono dopados com N na superfície da Lv não se mostraram muito ativos para a 150
catálise de reações de oxidação bifásicas. Esse resultado está provavelmente associado ao alto teor de C depositado, o que prejudica a atuação dos núcleos de ferro na decomposição do oxidante, H2O2. Entretanto, a utilização desses materiais
como adsorventes de contaminantes orgânicos foi promissora. Os resultados mostraram que a introdução de N na estrutura carbonácea favorece a adsorção dos contaminantes em meio aquoso, devido provavelmente ao aumento de hidrofilicidade dos materiais carbonáceos fazendo com que se dispersem melhor em meio aquoso.