Aerogéis hidrofóbicos de nanofibras de celulose - Zanini, Márcia (My University, 2016)
The use of natural fibers from renewable and biodegradable sources, such as cellulose, in oleophilic sorbent formation has become an interesting alternative due to their excellent properties. However, chemical treatments are necessary to make the hydrophobic sorbents. In this study, sorbent materials called aerogels were developed from suspensions of unbleached softwood pulp (Pinus ellioti) and bleached and unbleached hardwood pulp (Eucalyptus sp.) through mechanical fibrillation in a grinder. Two methods for drying nanocellulose were used: freeze drying and supercritical drying. Chemical treatments with methyltrimethoxysilane (MTMS) through vapor deposition were used to obtain aerogels with hydrophobic and oleoliphic properties. Cellulose plates were characterized and the α-, β- and γ-cellulose and lignin contents were evaluated. The aerogels were characterized and their apparent density, porosity and compressibility. Aerogels were also characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy with field emission gun (FEG-SEM) and sorption tests. All cellulose samples presented α-cellulose contents varying from 57.34% to 92.57%. Unbleached cellulose samples showed a lignin content varying from 5.69% to 14.18%. The mechanical fibrillation, freeze drying and supercritical drying processes were effective for obtaining cellulose nanofibers with a diameter between 38 to 75 nm. The freeze dried aerogels showed no shrinkage, while the aerogels obtained by supercritical drying showed shrinkage of 12.18%. Contact angle measurements with water obtained for the aerogels were above 134°, confirming their hydrophobic character. The freeze-dried aerogels displayed a lower density and higher porosity, as well as higher compressive strength and sorption capacity when compared to supercritical-dried aerogels. Aerogels from unbleached cellulose (Pinus elliotti and Eucalyptus sp.) showed higher sorption capacities, ranging from 19.188 to 23.493 g.g-1 in heterogeneous medium (water and oil). Aerogels from bleached cellulose (Eucalyptus sp.) displayed a sorption capacity between 15.318 and 18.615 g.g-1 in the same medium. All aerogels had oil removal efficiency above 90%.
A utilização de fibras naturais provenientes de fontes renováveis e biodegradáveis, como a celulose, na formação de sorventes oleofílicos para serem utilizados na separação do óleo em meio aquoso, torna-se uma alternativa promissora devido às suas propriedades. Entretanto é necessário realizar um tratamento químico que proporcione o caráter hidrofóbico ao sorvente. Neste estudo foram elaborados materiais sorventes denominados de aerogéis, provenientes de suspensões de nanofibras de celulose fibra longa (espécie Pinus elliotti) não branqueada e de fibra curta (espécie Eucalyptus sp.) branqueada e não branqueada, obtidas por fibrilação mecânica, utilizando um moinho de pedras. Foram utilizados dois métodos para a secagem das suspensões, a liofilização e a secagem supercrítica. Além disso foram realizados tratamentos químicos por deposição a vapor com silano metiltrimetoxissilano (MTMS) nas superfícies dos aerogéis para obtenção de propriedades hidrofóbicas e oleofílicas. Para caracterização das celuloses utilizadas foram quantificados os teores de α-, β- e γ-celulose e lignina, para caracterização dos aerogéis obtidos foram realizadas análises de densidade aparente, porosidade, ensaio de compressão, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), medida de ângulo de contato com a água, análise termogravimétrica (TGA), microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FEG-MEV) e ensaios de sorção. As amostras de celulose apresentaram teores de α-celulose que variaram de 57,34 a 92,57%. As amostras de celulose não branqueada apresentaram teores de lignina que variaram de 5,69 a 14,18%. O processo de fibrilação, secagem por liofilização e secagem supercrítica foram eficientes para a obtenção de nanofibras de celulose com diâmetro de 38 a 75 nm. Os aerogéis liofilizados não apresentaram encolhimento em relação ao volume inicial das suspensões durante o processo de secagem, enquanto que os aerogéis obtidos pelo processo de secagem supercrítica apresentaram encolhimento de 12,18%. As medidas do ângulo de contato da superfície dos aerogéis com a água, após o tratamento químico foram superiores a 134°, evidenciando o caráter hidrofóbico. Os aerogéis liofilizados apresentaram menor densidade aparente, maior porosidade, maior resistência à compressão e maior capacidade de sorção quando comparados aos aerogéis obtidos pela secagem supercrítica. Os aerogéis provenientes da celulose não branqueada (Pinus elliotti e Eucalyptus sp.) apresentaram maiores capacidades de sorção, com valores em meio homogêneo (água e óleo) de 19,188 a 23,493 g.g-1, enquanto que os aerogéis de celulose branqueada (Eucalyptus sp.) apresentaram capacidade de 15,318 a 18,615 g.g-1 . Todos os aerogéis possuem eficiência na remoção do óleo acima de 88%.
Keywords: Aerogel; Celulose; Nanofibras; Energia - Fontes alternativas; Aerogel; Cellulose; Nanofibers; Renewable energy sources