Decolorization of Rhodamine B by Fenton reaction using iron nanoparticles supported in Brazil nutshell biomass

In this study, Brazil nutshell biomass supported with iron nanoparticles (BCB-NPsFe) was used to decolorize the dye Rhodamine B (RdB) using Fenton catalytic reaction. Higher discoloration rate was 94.3% obtained at the condition: solution containing 20 mg/L RdB, 1.0 g/L BCB-NPsFe, 200 mM H₂O₂, pH 4.0, temperature of 45 °C, and reaction time of 240 minutes. The mineralization rate of RdB under these same conditions was 61.3%. Using the Arrhenius equation, the activation energy of RdB decolorization was estimated at 36.25 kJ/mol, a low value compared to other studies. The reusability of BCB-NPsFe in five decolorization cycles showed that the RdB decolorization was not affected. BCB-NPsFe also efficiently decolorized Malachite green (97.1%), crystal violet (87.0%), reactive black B (91.2%), and reactive red 239 (89.1%). These results indicated that BCB-NPsFe could be an economical and eco-friendly treatment strategy for wastewater containing dyes.

Keywords
Textile dyes; Fenton-like oxidation; Kinetic; Wastes

Authorship

Rossean Golin e-mail: golin.rossean@gmail.com, danilacaixeta@gmail.com, beraldo_morais@yahoo.com.br, barbosaaline041@gmail.com, vivianelops@gmail.com, frederico.menezes@ufv.br, dalloglio.evandro@gmail.com, vasconceloslg@gmail.com

Universidade Federal de Mato Grosso, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. Avenida Fernando Corrêa da Costa, 2367, 78060-900, Cuiabá, MT, Brasil.Universidade Federal de Mato GrossoBrasilCuiabá, MT, BrasilUniversidade Federal de Mato Grosso, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. Avenida Fernando Corrêa da Costa, 2367, 78060-900, Cuiabá, MT, Brasil.

Aline Gonçalves Barbosa e-mail: golin.rossean@gmail.com, danilacaixeta@gmail.com, beraldo_morais@yahoo.com.br, barbosaaline041@gmail.com, vivianelops@gmail.com, frederico.menezes@ufv.br, dalloglio.evandro@gmail.com, vasconceloslg@gmail.com

Universidade Federal de Mato Grosso, Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos. Avenida Fernando Corrêa da Costa, 2367, 78060-900, Cuiabá, MT, Brasil.Universidade Federal de Mato GrossoBrasilCuiabá, MT, BrasilUniversidade Federal de Mato Grosso, Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos. Avenida Fernando Corrêa da Costa, 2367, 78060-900, Cuiabá, MT, Brasil.

https://orcid.org/0000-0001-8446-9700

Viviane Cristina Padilha Lopes e-mail: golin.rossean@gmail.com, danilacaixeta@gmail.com, beraldo_morais@yahoo.com.br, barbosaaline041@gmail.com, vivianelops@gmail.com, frederico.menezes@ufv.br, dalloglio.evandro@gmail.com, vasconceloslg@gmail.com

Danila Soares Caixeta e-mail: golin.rossean@gmail.com, danilacaixeta@gmail.com, beraldo_morais@yahoo.com.br, barbosaaline041@gmail.com, vivianelops@gmail.com, frederico.menezes@ufv.br, dalloglio.evandro@gmail.com, vasconceloslg@gmail.com

Frederico Carlos Martins de Menezes Filhoe-mail: golin.rossean@gmail.com, danilacaixeta@gmail.com, beraldo_morais@yahoo.com.br, barbosaaline041@gmail.com, vivianelops@gmail.com, frederico.menezes@ufv.br, dalloglio.evandro@gmail.com, vasconceloslg@gmail.com

Universidade Federal de Viçosa, Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas. Rodovia MG 230, Km 7, 38810-000, Rio Paranaíba, MG, Brasil.Universidade Federal de ViçosaBrasilRio Paranaíba, MG, BrasilUniversidade Federal de Viçosa, Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas. Rodovia MG 230, Km 7, 38810-000, Rio Paranaíba, MG, Brasil.

Evandro Luiz Dall’Oglio e-mail: golin.rossean@gmail.com, danilacaixeta@gmail.com, beraldo_morais@yahoo.com.br, barbosaaline041@gmail.com, vivianelops@gmail.com, frederico.menezes@ufv.br, dalloglio.evandro@gmail.com, vasconceloslg@gmail.com

Universidade Federal de Mato Grosso, Departamento de Química. Avenida Fernando Corrêa da Costa, 2367, 78060-900, Cuiabá, MT, Brasil.Universidade Federal de Mato GrossoBrasilCuiabá, MT, BrasilUniversidade Federal de Mato Grosso, Departamento de Química. Avenida Fernando Corrêa da Costa, 2367, 78060-900, Cuiabá, MT, Brasil.

Leonardo Gomes de Vasconcelos e-mail: golin.rossean@gmail.com, danilacaixeta@gmail.com, beraldo_morais@yahoo.com.br, barbosaaline041@gmail.com, vivianelops@gmail.com, frederico.menezes@ufv.br, dalloglio.evandro@gmail.com, vasconceloslg@gmail.com

Eduardo Beraldo de Morais e-mail: golin.rossean@gmail.com, danilacaixeta@gmail.com, beraldo_morais@yahoo.com.br, barbosaaline041@gmail.com, vivianelops@gmail.com, frederico.menezes@ufv.br, dalloglio.evandro@gmail.com, vasconceloslg@gmail.com

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Autor Responsável: Eduardo Beraldo de Morais

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Figura 1.
Espectro de FTIR da BCB-NPsFe.

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Figura 2.
Imagens de MEV da BCB-NPsFe destacando sua morfologia irregular porosa (a-c) e NPsFe em sua superfície (d).

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Figura 3.
Espectro de EDS (a) e mapa de distribuição dos elementos químicos da BCB-NPsFe (b).

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Figura 4.
Influência do pH na descoloração da RdB por BCB-NPsFe (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, [H₂O₂] = 200 mM, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, T = 25 °C, tempo de reação = 120 min). * Indica diferença significativa entre as taxas de descoloração pelos processos Fenton e de adsorção segundo o teste t de Student no nível de significância de 5%. Letras diferentes indicam diferenças significativas entre a taxa de descoloração obtidas em diversos valores de pH segundo a ANOVA seguida pelo teste de Tukey no nível de significância de 5%.

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Figura 5.
Influência da concentração de H₂O₂ na descoloração da RdB por BCB-NPsFe (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, pH = 4, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, T = 25 °C, tempo de reação = 120 min). Letras diferentes indicam diferenças significativas entre a taxa de descoloração segundo a ANOVA seguida pelo teste de Tukey no nível de significância de 5%.

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Figura 6.
Influência da temperatura na descoloração da RdB por BCB-NPsFe (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, pH = 4, [H₂O₂] = 200 mg/L, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, tempo de reação = 240 min).

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Figura 7.
Curvas obtidas para a descoloração da RdB a partir do modelo cinético de pseudo-primeira ordem em diferentes temperaturas (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, pH = 4, [H₂O₂] = 200 mM, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, tempo de reação = 240 min).

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Figura 8.
Representação gráfica da equação de Arrhenius para a descoloração da RdB.

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Figura 9.
Espectros UV-Vis da solução de RdB submetida a descoloração por NPsFe em diferentes tempos de reação e estrutura molecular da RdB. (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, pH = 4, [H₂O₂] = 200 mM, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, temperatura = 45 °C).

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Figura 10.
Descoloração da RdB pela reação de Fenton reutilizando a BCB-NPsFe em ciclos sequenciais (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, [H₂O₂] = 200 mM, [BCB-NPsFe] = 1 g/L, T = 45 °C, tempo de reação = 240 min).

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Figura 11.
Descoloração de outros corantes pela reação de Fenton usando BCB-NPsFe (Condições do experimento: [corante] = 20 mg/L, [H₂O₂] = 200 mM, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, T = 45 °C, tempo de reação = 240 min). Letras diferentes indicam diferenças significativas entre as taxas de descoloração segundo a ANOVA seguida pelo teste de Tukey no nível de significância de 5%.

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Figura 1. Espectro de FTIR da BCB-NPsFe.

Figura 2. Imagens de MEV da BCB-NPsFe destacando sua morfologia irregular porosa (a-c) e NPsFe em sua superfície (d).

Figura 3. Espectro de EDS (a) e mapa de distribuição dos elementos químicos da BCB-NPsFe (b).

Figura 4. Influência do pH na descoloração da RdB por BCB-NPsFe (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, [H₂O₂] = 200 mM, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, T = 25 °C, tempo de reação = 120 min). * Indica diferença significativa entre as taxas de descoloração pelos processos Fenton e de adsorção segundo o teste t de Student no nível de significância de 5%. Letras diferentes indicam diferenças significativas entre a taxa de descoloração obtidas em diversos valores de pH segundo a ANOVA seguida pelo teste de Tukey no nível de significância de 5%.

Figura 5. Influência da concentração de H₂O₂ na descoloração da RdB por BCB-NPsFe (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, pH = 4, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, T = 25 °C, tempo de reação = 120 min). Letras diferentes indicam diferenças significativas entre a taxa de descoloração segundo a ANOVA seguida pelo teste de Tukey no nível de significância de 5%.

Figura 6. Influência da temperatura na descoloração da RdB por BCB-NPsFe (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, pH = 4, [H₂O₂] = 200 mg/L, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, tempo de reação = 240 min).

Figura 7. Curvas obtidas para a descoloração da RdB a partir do modelo cinético de pseudo-primeira ordem em diferentes temperaturas (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, pH = 4, [H₂O₂] = 200 mM, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, tempo de reação = 240 min).

Figura 8. Representação gráfica da equação de Arrhenius para a descoloração da RdB.

Figura 9. Espectros UV-Vis da solução de RdB submetida a descoloração por NPsFe em diferentes tempos de reação e estrutura molecular da RdB. (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, pH = 4, [H₂O₂] = 200 mM, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, temperatura = 45 °C).

Figura 10. Descoloração da RdB pela reação de Fenton reutilizando a BCB-NPsFe em ciclos sequenciais (Condições do experimento: [RdB] = 20 mg/L, [H₂O₂] = 200 mM, [BCB-NPsFe] = 1 g/L, T = 45 °C, tempo de reação = 240 min).

Figura 11. Descoloração de outros corantes pela reação de Fenton usando BCB-NPsFe (Condições do experimento: [corante] = 20 mg/L, [H₂O₂] = 200 mM, [BCB-NPsFe] = 1,0 g/L, T = 45 °C, tempo de reação = 240 min). Letras diferentes indicam diferenças significativas entre as taxas de descoloração segundo a ANOVA seguida pelo teste de Tukey no nível de significância de 5%.

(1)

D (%) = \frac{c_{o} - c_{t}}{c_{o}} \times 100

(2)

ln \frac{c_{t}}{c_{o}} = - k t

(3)

\ln k = \ln A_{0} - \frac{E_{a}}{R T}

How to cite

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Laboratório de Hidrogênio, Coppe - Universidade Federal do Rio de Janeiro, em cooperação com a Associação Brasileira do Hidrogênio, ABH2 Av. Moniz Aragão, 207, 21941-594, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, Tel: +55 (21) 3938-8791 - Rio de Janeiro - RJ - Brazil
E-mail: revmateria@gmail.com

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