Desenvolvimento de sensores eletroquímicos miniaturizados para o monitoramento de espécies de relevância ambiental
With the large-scale use and contamination of water resources, both domestically and industrially, there is a growing need to monitor and treat water and effluents. Several methodologies have been developed and applied for the monitoring of harmful substances in water bodies and, among these methodo...
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| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Weitere Verfasser: | |
| Format: | doctoralThesis |
| Sprache: | pt_BR |
| Veröffentlicht: |
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/47204 |
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Repositório Institucional |
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Eletroquímica Sensores eletroquímicos miniaturizados Conjunto de microeletrodos de Au Processos eletroquímicos oxidativos avançados Peróxido de hidrogênio Isoniazida Microeletrodo integrado de Pt |
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Eletroquímica Sensores eletroquímicos miniaturizados Conjunto de microeletrodos de Au Processos eletroquímicos oxidativos avançados Peróxido de hidrogênio Isoniazida Microeletrodo integrado de Pt Queiroz, Jorge Leandro Aquino de Desenvolvimento de sensores eletroquímicos miniaturizados para o monitoramento de espécies de relevância ambiental |
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With the large-scale use and contamination of water resources, both domestically and industrially, there is a growing need to monitor and treat water and effluents. Several methodologies have been developed and applied for the monitoring of harmful substances in water bodies and, among these methodologies, electroanalytical methods have attracted great interest due to their advantageous characteristics, such as high sensitivity, simple instrumentation, and high environmental compatibility. Regarding the treatment of effluents, electrochemical advanced oxidative processes (EAOPs) are promising methodologies for the treatment of effluents, at domestic and industrial levels, being an alternative or complement to traditional methods of water treatment. In reactors for EAOPs, a wide range of organic or inorganic contaminants can be degraded by the action of electrochemically generated strong oxidizing species. In these processes, therefore, an adequate monitoring of both the oxidants generated and the pollutants to be degraded is crucial in order to improve the efficiency and reduce the costs of the decontamination process. Thus, this work proposes the use of miniaturized electrochemical sensors for the real-time monitoring of hydrogen peroxide, an important oxidant, generated inside the reactor and, in a second approach, the quantification of the antibiotic isoniazid
(an emerging pollutant) in water samples. Initially, an integrated Pt microelectrode (a microelectrode that combines a Pt working microdisk with a quasi-reference silver electrode) was
developed for the monitoring of hydrogen peroxide (H2O2) electrogenerated in the reactor.
With this microsensor it was possible to obtain a real-time profile of the generation of H2O2
through the electrolysis of a solution of 0.10 mol L-1 HClO4 in a reactor equipped with
Nb/BDD anode and Ti cathode under different current densities (30, 60, 90 and 120 mA cm2
), showing that the rate of H2O2 production is strongly dependent on the applied current density (j) and that it reaches its maximum after 90 min of electrolysis, showing a pseudo zeroorder kinetics. The results obtained by this electrochemical method agree with the spectrophotometric reference method at a confidence level of 95%. For the quantification of isoniazid, initially a set of gold microelectrodes was obtained from obsolete computer microchips. The preliminary electrochemical characterization of the Au microelectrode array proved that the
microelectrode array obtained in an alternative way exhibited a characteristic behaviour of a
microelectrode array and a voltammetric profile in H2SO4 compatible with that expected for
an Au electrode. The microelectrode array was then modified with electrochemically reduced
graphene oxide (ERGO) and used for antibiotic quantification by linear scanning voltammetry, showing a good linear correlation (R2 = 0.9926) and detection limit (1.38 μmol L-1) in the concentration range of 5.0 to 100.0 μmol L-1. The sensor was then applied in the determination of the drug in river and lagoon waters. Thus, it is possible to observe that electroanalytical methods employing miniaturized sensors were successfully applied in the determination of inorganic and organic species of environmental relevance in different matrices. |
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Huitle, Carlos Alberto Martinez |
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ri-123456789-472042022-05-17T22:43:16Z Desenvolvimento de sensores eletroquímicos miniaturizados para o monitoramento de espécies de relevância ambiental Queiroz, Jorge Leandro Aquino de Huitle, Carlos Alberto Martinez http://lattes.cnpq.br/1991504504377731 http://lattes.cnpq.br/2485073932883264 Castro, Pollyana Souza https://orcid.org/0000-0001-6768-1865 http://lattes.cnpq.br/4538444915937772 Silva, Djalma Ribeiro da http://lattes.cnpq.br/2791074318745945 Felix, Fabiana da Silva Alfaro, Marco Antônio Quiroz Castro, Suely Souza Leal de Eletroquímica Sensores eletroquímicos miniaturizados Conjunto de microeletrodos de Au Processos eletroquímicos oxidativos avançados Peróxido de hidrogênio Isoniazida Microeletrodo integrado de Pt With the large-scale use and contamination of water resources, both domestically and industrially, there is a growing need to monitor and treat water and effluents. Several methodologies have been developed and applied for the monitoring of harmful substances in water bodies and, among these methodologies, electroanalytical methods have attracted great interest due to their advantageous characteristics, such as high sensitivity, simple instrumentation, and high environmental compatibility. Regarding the treatment of effluents, electrochemical advanced oxidative processes (EAOPs) are promising methodologies for the treatment of effluents, at domestic and industrial levels, being an alternative or complement to traditional methods of water treatment. In reactors for EAOPs, a wide range of organic or inorganic contaminants can be degraded by the action of electrochemically generated strong oxidizing species. In these processes, therefore, an adequate monitoring of both the oxidants generated and the pollutants to be degraded is crucial in order to improve the efficiency and reduce the costs of the decontamination process. Thus, this work proposes the use of miniaturized electrochemical sensors for the real-time monitoring of hydrogen peroxide, an important oxidant, generated inside the reactor and, in a second approach, the quantification of the antibiotic isoniazid (an emerging pollutant) in water samples. Initially, an integrated Pt microelectrode (a microelectrode that combines a Pt working microdisk with a quasi-reference silver electrode) was developed for the monitoring of hydrogen peroxide (H2O2) electrogenerated in the reactor. With this microsensor it was possible to obtain a real-time profile of the generation of H2O2 through the electrolysis of a solution of 0.10 mol L-1 HClO4 in a reactor equipped with Nb/BDD anode and Ti cathode under different current densities (30, 60, 90 and 120 mA cm2 ), showing that the rate of H2O2 production is strongly dependent on the applied current density (j) and that it reaches its maximum after 90 min of electrolysis, showing a pseudo zeroorder kinetics. The results obtained by this electrochemical method agree with the spectrophotometric reference method at a confidence level of 95%. For the quantification of isoniazid, initially a set of gold microelectrodes was obtained from obsolete computer microchips. The preliminary electrochemical characterization of the Au microelectrode array proved that the microelectrode array obtained in an alternative way exhibited a characteristic behaviour of a microelectrode array and a voltammetric profile in H2SO4 compatible with that expected for an Au electrode. The microelectrode array was then modified with electrochemically reduced graphene oxide (ERGO) and used for antibiotic quantification by linear scanning voltammetry, showing a good linear correlation (R2 = 0.9926) and detection limit (1.38 μmol L-1) in the concentration range of 5.0 to 100.0 μmol L-1. The sensor was then applied in the determination of the drug in river and lagoon waters. Thus, it is possible to observe that electroanalytical methods employing miniaturized sensors were successfully applied in the determination of inorganic and organic species of environmental relevance in different matrices. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Com o uso e contaminação em larga escala dos recursos hídricos, tanto a nível doméstico quanto industrial, surge uma necessidade crescente de se monitorar e tratar águas e efluentes. Diversas metodologias têm sido desenvolvidas e aplicadas para o monitoramento de substâncias nocivas em corpos hídricos e, dentre estas metodologias, os métodos eletroanalíticos têm recebido destaque devido a suas características vantajosas, como elevada sensibilidade, instrumentação simples e alta compatibilidade ambiental. Em relação ao tratamento de efluentes, os processos eletroquímicos oxidativos avançados (PEOAs) são metodologias promissoras para o tratamento de efluentes, a nível doméstico e industrial, e surgem como uma alternativa ou complemento aos métodos tradicionais de tratamento de água. Nos reatores para PEOAs, uma ampla gama de contaminantes orgânicos ou inorgânicos pode ser degradada pela ação de espécies oxidantes fortes geradas eletroquimicamente. Nestes processos, portanto, é crucial um monitoramento adequado tanto dos oxidantes gerados quanto dos poluentes a serem degradados a fim de melhorar a eficiência e diminuir os custos do processo de descontaminação. Assim, neste trabalho propõe-se a utilização de sensores eletroquímicos miniaturizados para o monitoramento em tempo real de peróxido de hidrogênio, um importante oxidante, gerado no interior do reator e, em uma segunda abordagem, a quantificação do antibiótico isoniazida (um poluente emergente) em amostras de água. Inicialmente foi desenvolvido um microeletrodo integrado de Pt (um microeletrodo que combina um microdisco de trabalho de Pt com um eletrodo de prata de quase-referência) para o monitoramento de peróxido de hidrogênio (H2O2) eletrogerado no reator. Com este microssensor foi possível obter um perfil em tempo real da geração de H2O2 através da eletrólise de uma solução de HClO4 0,10 mol L-1 em um reator equipado com ânodo de Nb/BDD e cátodo de Ti sob diferentes densidades de corrente (30, 60, 90 e 120 mA cm-2), mostrando que a taxa de produção de H2O2 é fortemente dependente da densidade de corrente aplicada (j) e que atinge seu máximo após 90 min de eletrólise, exibindo uma cinética de pseudo zero-ordem. Os resultados obtidos por este método eletroquímico estão de acordo com o método espectrofotométrico de referência a um nível de confiança de 95%. Para a quantificação da isoniazida, inicialmente um conjunto de microeletrodos de ouro foi obtido a partir de microchips de computadores obsoletos. A caracterização eletroquímica prévia do arranjo de microeletrodos de Au comprovou que o conjunto de microeletrodos obtido de modo alternativo exibia um comportamento característico de conjunto de microeletrodos e um perfil voltamétrico em H2SO4 compatível com o esperado para um eletrodo de Au. O conjunto de microeletrodos foi então modificado com óxido de grafeno eletroquimicamente reduzido (ERGO) e utilizado para a quantificação do antibiótico através de voltametria de varredura linear, exibindo uma boa correlação linear (R2 = 0,9926) e limite de detecção (1,38 μmol L-1) na faixa de concentração de 5,0 a 100,0 μmol L-1. O sensor foi então aplicado na determinação do fármaco em águas de rio e lagoa. Desta forma, é possível observar que os métodos eletroanalíticos empregando sensores miniaturizados foram aplicados com sucesso na determinação de espécies inorgânicas e orgânicas de relevância ambiental em diferentes matrizes. 2022-05-17T22:42:07Z 2022-05-17T22:42:07Z 2022-01-28 doctoralThesis QUEIROZ, Jorge Leandro Aquino de. Desenvolvimento de sensores eletroquímicos miniaturizados para o monitoramento de espécies de relevância ambiental. 2022. 104f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022. https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/47204 pt_BR Acesso Aberto application/pdf Universidade Federal do Rio Grande do Norte Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA |