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Type: Dissertação
Title: Investigação de interações de moléculas de água e íons em materiais lamelares contendo ferricianeto
Author: Hammes, Ana Carolina Ferreira
First Advisor: Leitão, Alexandre Amaral
Referee Member: Bauerfeldt, Glauco Favilla
Referee Member: Cuin, Alexandre
Resumo: O ferricianeto, [Fe(CN)6] 3-, é classificado como o complexo cianometálico mais estável frente aos demais cianetos de ferro, sendo este o principal complexo gerado nos efluentes da mineração aurífera. Ao descartar de forma inadequada seus efluentes, a mineração se torna uma das principais responsáveis pela degradação ou alteração da qualidade da água. A toxicidade deste complexo é um ponto relevante, dado que quando exposto à luz solar este sofre fotodecomposição liberando CN- livre, sendo extremamente prejudicial a saúde. Este fato evidencia a necessidade de se retirar o ferricianeto dos efluentes gerados pela mineração aurífera. Com este objetivo, o presente trabalho visa estudar a possibilidade de utilizar compostos lamelares para a captura deste complexo, em especial os hidróxidos duplos lamelares (HDL) e hidroxissais lamelares (HSL), por meio da avaliação da estabilidade estrutural de ferricianeto em materiais lamelares através de cálculos ab initio baseados na Teoria do Funcional de Densidade (DFT). Análises baseadas na estrutura eletrônica como estrutura de bandas, densidade de estados projetada, diferença de densidade de cargas e cargas de Bader foram realizados com o objetivo de avaliar as propriedades eletrônicas dos dois materiais e auxiliar na predição das possíveis interações que ocorrem entre lamela e complexo, indicando assim se há intercalação deste. Os cálculos de fônons foram feitos a fim de analisar termodinamicamente a desidratação e troca iônica nos materiais formados. Para os cálculos, foi aplicado o funcional do tipo PBE-GGA, bases de ondas planas, condições de contorno periódicas e os pseudopotenciais foram do tipo VanderbiltUltrasoft. Foi possível observar, a partir dos cálculos de estrutura eletrônica, a existência de interações significativas entre o complexo e a lamela em cada um dos materiais, indicando, assim, que ocorre a intercalação do ferricianeto tanto no HDL quanto no HSL. Em ambos materiais, o ferricianeto apresentou comportamento de uma base de Lewis, enquanto as hidroxilas da lamela agem como um ácido, recebendo densidade eletrônica do complexo. A combinação da análise termodinâmica e comparação de espaçamento basal com resultados experimentais permitiram definir as estruturas mais estáveis para o HSL e HDL hidratados, Zn-[FeIII(CN)6].3H2O e Mg-Al-[FeIII(CN)6].7H2O, respectivamente. Estes materiais são estáveis em temperatura ambiente preservando sua forma hidratada. Ademais, os cálculos que avaliaram a possibilidade de troca iônica indicaram que para ambos os materiais este processo ocorre de forma espontânea. Este estudo sugeriu, então, que a remoção do íon ferricianeto por HDL ou HSL de águas residuais é viável.
Abstract: Ferricyanide, [Fe(CN)6] 3-, is considered as the most stable cyanometallic complex among iron cyanides, making it the predominant complex found in effluents from gold mining operations. Improper disposal of effluents by mining operations is the major contributor to the degradation or alteration of water quality. The toxicity of this complex is a major concern, since as exposure to sunlight causes it to undergo photodecomposition, releasing CN- , which extremely harmful to health. This fact highlights the need to withdraw ferricyanide from effluents. To explore the potencial of lamellar compounds, especially layered double hydroxides (LDH) and layered hydroxide salts (LHS), in capturing ferricyanide, ab initio calculations based on Density Functional Theory (DFT) with periodic boundary conditions and plane waves basis set were conducted. For all calculations, the GGA-PBE functional and Ultrasoft-Vanderbilt pseudopotencials were used. Analyses based on electronic structure, including band structure, project density of states (pDOS), charge density difference, and Bader charges were used to evaluate the electronic properties of the two materials. These analyses help predicting the possible interactions between lamella and complex, thereby indicating whether intercalation occurs. Phonon calculations were employed in order to thermodynamically analyze dehydration and ion exchange on the materials. Significant interactions between the complex and the lamella in both materials were observed, indicating that ferricyanide intercalation occurs in both LDH and LHS. In both materials, ferricyanide exhibited Lewis base behavior, while the hydroxyl species or groups of the lamellae acted as Lewis acid by receiving electron density from the complex. The combination of thermodynamic analysis and comparison of basal spacing with experimental results enabled us to define the most stable structures for hydrated HSL and HDL: Zn-[FeIII(CN)6].3H2O e Mg-Al-[FeIII(CN)6].7H2O, respectively. These material are stable at room temperature preserving its hydrated form. Furthermore, calculations evaluating the potential for ion exchange indicated that this process occurs spontaneously in both materials. This study suggests that removing ferricyanide ions using LDH or LHS from wastewater is feasible.
Keywords: HDL
HSL
DFT
Troca iônica
Ferricianeto
Ion exchange
Ferricyanide
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/17837
Issue Date: 17-Jul-2024
Appears in Collections:Mestrado em Química (Dissertações)



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