Fabrication and characterization of porous ceramic filters with impregnated silver nanoparticles for water purification

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2017
Autor(a) principal: Amadio, Tatiane de Mattos
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Engenharia de materiais
Nanopartículas
Prata
Link de acesso: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/189911
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2017.
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spelling Fabrication and characterization of porous ceramic filters with impregnated silver nanoparticles for water purificationEngenharia de materiaisNanopartículasPrataDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2017.Abstract : The first part of this work aimed at characterizing bentonites of different features and origins (Brazil, Argentina, Italy and United States) that were submitted to functionalization with Ag, TiO2, Pd and Au nanoparticles. Either commercial (TiO2) or synthesized (Ag, Pd and Au) nanoparticles (NP) were used and characterized by DLS and XRD. Subsequently, the dispersed NP were impregnated on bentonite by two alternative methods, imbibition or dipping. The efficiency of impregnation of bentonite by metallic nanoparticles was tested by ICP-OES, which was over 90% in all cases. Particularly, Ag nanoparticles showed an impregnation efficiency above 99%, as confirmed by SEM-FEG. To improve impregnation, a thermal pretreatment for the bentonites was necessary at 700 °C. Both impregnation methods resulted in a suitable distribution and stability of Ag nanoparticles. The second part of this work aimed to obtain porous ceramic filters for water filtration with kaolinite and/or alumina, by pressing using rice husk like a sacrifice agent, and by freeze-casting with water. The powders were characterized by average particle size and distribution, zeta potential, XRD, XRF, density by picnometry, specific surface area (BET), and SEM. Parameters like viscosity, solidification rate, compression strength, porosity and permeability were analyzed. In the pressing method, samples with only kaolinite presented low porosity and low densification, while samples with only alumina have a high densification and very low porosity. The higher porosities occurred in samples with 35 to 60 wt% water and 20 to 30 wt% rice husk (<70 mesh). All the samples with kaolinite and alumina presented a good strength after contact with water, with flow rate less than 0.01 l/h. In the freeze-casting method, firstly two alumina powders (coarse and fine) were tested with mean particle sizes of 2.5 and 0.5 µm, respectively. As the particle size decreases, the solidification rate also decreases, so the solidification rate is higher for coarse alumina. At around 50 wt% solids, the porosity of coarse alumina is slightly higher than that of fine alumina, around 73 and 68%, respectively. Permeability parameters k1 and k2 show that the pellets achieved the desired values for the application of ceramic filters for drinking water. Furthermore, coarse alumina was chosen and samples with alumina and kaolinite were produced and analyzed. Their filtration efficiency was evaluated using Colilert and Quanti-Tray/2000. Samples with coarse alumina and kaolinite reached best results of compression strength with the higher values of k1 and k2, with pores with sizes distributed homogeneously between 1.04 and 2.73 µm. The filtrated water presented a total number of coliforms and E. coli reaching less than a half of the minimum value allowed for animal consumption and less than one eighth of the value allowed for recreation, with a turbidity around 0.56 NTU. The final filter pellets were impregnated with silver nanoparticles and the efficiency of impregnation and bactericidal effects were tested. Silver nanoparticles were characterized by average particle size, zeta potential and TEM. After impregnation, the leached water was analyzed by GFAAS that shows an efficiency of more than 99% in silver impregnation. From SEM/EDS, it was possible to observe that the pellets have a homogeneous distribution of silver nanoparticles. A halo of inhibition detected by the disc diffusion test shows a strong bactericidal effect of the filters.A primeira parte deste trabalho teve como objetivo caracterizar bentonitas de diferentes propriedades e origens (Brasil, Argentina, Itália e Estados Unidos), que foram submetidas à funcionalização com nanopartículas de Ag, TiO2, Pd e Au. Nanopartículas comerciais (TiO2) e sintetizadas (Ag, Pd e Au) (NP) foram utilizadas e caracterizadas por DLS e DRX. Posteriormente, as NP dispersas foram impregnadas em bentonitas por dois métodos alternativos, imbibição ou imersão. A eficiência da impregnação das bentonitas por nanopartículas metálicas foi testada por ICP-OES, cujo resultado foi de mais de 90% em todos os casos. Particularmente, as nanopartículas de Ag mostraram uma eficiência de impregnação superior a 99%, conforme confirmado por MEV-FEG. Para melhorar a impregnação, foi necessário um pré-tratamento térmico para as bentonitas a 700 °C. Ambos os métodos de impregnação resultaram em uma distribuição e estabilidade adequadas das nanopartículas de Ag. A segunda parte deste trabalho teve como objetivo obter filtros cerâmicos porosos para filtração de água, utilizando caulinita e/ou alumina, através de prensagen, com o uso de casca de arroz como agente de sacrifício e freeze-casting, utilizando água. Os pós foram caracterizados por distribuição e tamanho médio de partículas, potencial zeta, DRX, FRX, densidade por picnometria, área de superfície específica (BET) e MEV. Foram analisados parâmetros como viscosidade, taxa de solidificação, resistência à compressão, porosidade e permeabilidade. No método de prensagem, amostras com apenas caulinita apresentaram baixa porosidade e baixa densificação, enquanto as amostras com apenas alumina possuem alta densidade e muito baixa porosidade. As porosidades mais altas ocorreram em amostras com 35 a 60% em peso de água e 20 a 30% em peso de casca de arroz (<70 mesh). Todas as amostras com caulinita e alumina apresentaram boa resistência mecânica após contato com água, com taxa de fluxo inferior a 0,01 l/h. No método de freeze-casting, primeiramente, dois pós de alumina, com tamanhos médios de partículas de 2,5 e 0,5 µm, respectivamente, foram testados. À medida que o tamanho de partícula diminui, a taxa de solidificação também diminui, de modo que a taxa de solidificação é maior para alumina de 2,5 µm. Em cerca de 50% em peso de sólidos, a porosidade dessa alumina é ligeiramente superior à da alumina mais fina, aproximadamente 73 e 68%, respectivamente. Os parâmetros de permeabilidade k1 e k2 mostram que as pastilhas atingiram os valores desejados para a aplicação de filtros de cerâmica para água potável. Além disso, a alumina com 2,5 µm foi escolhida, e amostras com alumina e caulinita foram produzidas e analisadas. Sua eficiência de filtração foi avaliada usando Colilert e Quanti-Tray/2000. As amostras com alumina e caulinita atingiram os melhores resultados de resistência à compressão com valores maiores de k1 e k2, com poros de tamanhos entre 1,04 e 2,73 µm, distribuídos de forma homogênea. A água filtrada apresentou um número total de coliformes e E. coli que atingiu menos da metade do valor mínimo permitido para consumo animal e menos de um oitavo do valor permitido para recreação, com uma turbidez de cerca de 0,56 NTU.As pastilhas de filtro finais foram impregnadas com nanopartículas de prata e a eficiência de impregnação e efeitos bactericidas foram testados. As nanopartículas de prata foram caracterizadas pelo tamanho médio de partícula, potencial zeta e MET. Após a impregnação, a água lixiviada foi analisada por GFAAS que mostra uma eficiência superior a 99% na impregnação de prata. A partir de MEV/EDS, foi possível observar que as pastilhas têm uma distribuição homogênea de nanopartículas de prata. Um halo de inibição detectado pelo teste de difusão de disco mostra um forte efeito bactericida dos filtros.Rodrigues Neto, João BatistaHotza, DachamirUniversidade Federal de Santa CatarinaAmadio, Tatiane de Mattos2018-09-15T04:43:04Z2018-09-15T04:43:04Z2017info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis185 p.| il., gráfs., tabs.application/pdf354435https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/189911engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2018-09-15T04:43:05Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/189911Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732018-09-15T04:43:05Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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