Remediação de solos contaminados com metais pesados com recurso a nanopartículas

Abstract

Over the past few centuries, mankind's growing need to develop new manufacturing processes and the increasing reliance on raw materials have resulted in major environmental impacts across the globe, especially concerning the consumption of natural resources and the generation of waste and industrial wastes in soils. Consequently, the qualities of the environment and human health have been seriously undermined.It is important to highlight the limited accessibility of soil and, as such, this vital natural resource for sustainable development should be preserved. Due to these concerns, contaminated soil remediation methodologies have been developed in order to increase its efficiency, with the aim to reduce associated economic and environmental impacts.The main goal of the present study was to evaluate the applicability of nanoparticles (carbon nanotubes and nanofibers) in the remediation of soft soil contaminated by heavy metals (lead, copper, nickel and zinc) from the area of Baixo Mondego.Currently, nanoparticles are of great interest to the scientific community due to their exceptional physicochemical and electrical properties, that allow to create completely new applications in many areas.Moreover, developing good dispersions (free of aggregates) with this type of particles is a great challenge due to their natural tendency to aggregate in aqueous suspensions. However, the addition of surfactants and/or the use of ultrasonication allows to create a good dispersion.In this work, the surfactant: TX-100 as well as three combinations of surfactants (SDBS - Pluronic F-127, SDBS - PolyDADMAC MMW and SDBS – TX-100), which were previously used individually, were characterized and tested, in order to demonstrate their efficiency in the dispersion of nanoparticles, along with their influence on the immobilization of heavy metals. Regarding the quality of dispersion of the multiple wall carbon nanotubes (MWCNTs) and of the Pansil, the total surfactant concentration that allowed good dispersion was 0.03% (w/w). The best combination of MWCNT dispersion was SDBS – Pluronic F-127.The dispersed MWCNTs were added to the soil and then subjected to adsorption tests under suspension and percolation conditions. The results of the adsorption tests in suspension showed that the combination of surfactants SDBS – Pluronic F-127 increased the soil adsorption capacity in the performed trials. Moreover, in the percolation experiments only when using the mixture of SDBS – TX-100 resulted in lower adsorption values comparative with the reference. Additionally, a slight increase in the retention of heavy metals was observed while using Pansil.Throughout the adsorption tests, the heavy metals showed different affinities with the complex soil/nanoparticles, following the sequence lead > copper > zinc > nickel.Considering the results obtained, it is necessary to carry out additional studies to deepen the knowledge about the interactions between the surfactant/MWCNTs and the soil. Obtaining a good dispersion of MWCNTs does not always imply a significant improvement in the adsorption of heavy metals.From the leaching tests, it was verified the absence of traces of carbon nanotubes in the leachates, even if a more detailed observation of the samples using SEM is still required. In this way, it can be preliminary concluded that the MWCNTs are retained in the solid matrix, and the possibility of establishing contact between these nanoparticles and the surrounding environment and human life is remote.

Ao longo dos últimos séculos, a crescente necessidade do Homem desenvolver novos processos de manufatura e a dependência, cada vez maior, do recurso a matérias-primas provocaram grandes efeitos ambientais por todo o globo, sobretudo no que diz respeito ao consumo de recursos naturais e à geração de resíduos e resíduos industriais nos solos. Por consequência, as qualidades do meio ambiente e da saúde humana foram gravemente prejudicadas. Sendo o solo um recurso natural limitado e vital para o desenvolvimento sustentável, devendo por isso ser preservado, as metodologias de remediação de solos contaminados têm sido desenvolvidas por forma a aumentar a sua eficiência e reduzir os custos económicos e ambientais associados. O trabalho desenvolvido no âmbito desta dissertação focou-se em avaliar a aplicabilidade de nanopartículas (nanotubos de carbono e nanofibras) na remediação do solo mole do Baixo Mondego contaminado por metais pesados (chumbo, cobre, níquel e zinco). Atualmente, as nanopartículas suscitam um enorme interesse pela comunidade científica devido às suas excecionais propriedades físico-químicas e elétricas, conseguindo abranger inúmeras áreas de aplicabilidade. Contudo, desenvolver dispersões de boa qualidade com estas partículas (livres de agregados) é um desafio devido à tendência natural de agregação das nanopartículas em suspensões aquosas. Porém recorrendo à adição de surfactantes e/ou utilização de ultrasonicação é possível garantir uma boa dispersão. Neste trabalho, foram caracterizados e testados o surfactante TX-100 e três combinações de surfactantes que tinham sido previamente usados individualmente (SDBS, Pluronic F-127, PolyDADMAC MMW): SDBS – Pluronic F-127, SDBS – PolyDADMAC MMW e SDBS – TX-100, por forma a comprovar as respetivas eficiências na dispersão de nanopartículas e a sua influência na imobilização de metais pesados. Sobre a qualidade da dispersão dos nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNTs) e do Pansil, a concentração total de surfactante que permitiu uma boa dispersão foi de 0,03 % (w/w). A melhor combinação de surfactantes no que diz respeito à dispersão dos MWCNTs foi SDBS – Pluronic F-127.Os MWCNTs dispersos foram adicionados ao solo e sujeitos a ensaios de adsorção em condições de suspensão e percolação. Os resultados mostraram que a combinação de surfactantes SDBS – Pluronic F-127 aumentou a capacidade de adsorção do solo nos ensaios em suspensão. Por outro lado, nos ensaios por percolação. somente a combinação SDBS – TX-100 resultou em valores de adsorção dos metais inferiores aos de referência. Os resultados relativamente ao Pansil mostraram um ligeiro aumento na retenção de metais pesados. Ao longo dos ensaios de adsorção, os metais pesados mostraram afinidades diferentes com o complexo solo/nanopartículas, seguindo a sequência chumbo > cobre > zinco > níquel. À luz dos resultados obtidos, é necessário efetuar estudos adicionais para aprofundar o conhecimento sobre as interações entre o sistema surfactante/MWCNTs e o solo, uma vez que obter uma boa dispersão de MWCNTs nem sempre implica uma melhoria significativa ao nível da adsorção de metais pesados.Dos ensaios de lixiviação constatou-se a inexistência visível de vestígios de nanotubos de carbono nos lixiviados, contudo é necessário complementar as observações efetuadas com a captura de imagens SEM Desta forma, concluiu-se, pelos ensaios preliminares efetuados, que os MWCNTs se encontram retidos na matriz sólida, não sendo provável que estabeleçam contacto com o meio envolvente e com a vida humana.