Síntese, caracterização e utilização de nanopartículas magnéticas de carbono-ferritas

Abstract

As ferritas são materiais com ampla gama de aplicações, uma vez que suas propriedades podem ser ajustadas de acordo com os usos desejados adotando-se diferentes composições químicas e condições de síntese. Por sua vez, nanopartículas magnéticas de ferritas apresentam características ainda mais peculiares que permitem sua aplicação tanto em pesquisa básica quanto em pesquisa aplicada nas mais diversas áreas, que vão desde a eletrônica até a medicina. Assim, o presente estudo teve como objetivo o desenvolvimento e a síntese de nanopartículas magnéticas empregando um novo método que utiliza a serragem como uma das matérias-primas. Foram produzidas nanopartículas constituídas das ferritas simples de Zn, Mn, Ni e Co e das ferritas mistas de Mn-Zn, Ni-Zn, Co-Zn, Ni-Mn, Co-Mn e Co-Ni utilizando-se diferentes condições de síntese. Os materiais produzidos foram caracterizados por difratometria de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). A superfície específica foi determinada pelo método BET e as propriedades magnéticas foram estudadas utilizando o magnetômetro de amostra vibrante (VSM). As ferritas obtidas com o novo processo podem ser consideradas compósitos, visto que é possível identificar duas fases distintas, o biocarvão produzido a partir da serragem e as partículas magnéticas obtidas com os espinélios de Fe, o que levou à inovadora denominação de carbono-ferritas. Os materiais apresentaram pequeno tamanho (nanopartículas) e elevada magnetização de saturação (M s ). A maior parte das amostras apresentou baixa magnetização remanescente (M r ) e baixa coercitividade (H c ), levando ao comportamento de materiais magnéticos macios, o que permite que sejam testados em núcleos de transformadores, indutores, motores, geradores e demais dispositivos onde as perdas de energia precisam ser baixas. Algumas amostras apresentaram comportamento de materiais magnéticos duros (M r e H c elevados), importante em equipamentos eletrônicos, ímãs permanentes e demais aplicações onde é desejável manter a magnetização no material. Em função da estrutura altamente porosa e elevada superfície específica, as carbono-ferritas foram testadas para avaliar a capacidade de adsorver o chumbo (Pb). A remoção desse metal pesado em água, ação de grande impacto ambiental, foi realizada com sucesso, pois a capacidade de adsorção das amostras produzidas foi até quatro vezes maior que a do carvão ativado comercial utilizado para comparação. Palavras-chave: Nanomagnetismo. Serragem. Espinélios de Fe sintéticos. Adsorvente magnético. Metal pesado.

Ferrites are materials with a wide range of applications, since their properties can be adjusted according to the desired uses by adopting different chemical compositions and synthesis conditions. In turn, ferrite magnetic nanoparticles have even more peculiar characteristics that allow their application both in basic research and in applied research in the most diverse areas, ranging from electronics to medicine. Thus, the present study aimed to develop and synthesize magnetic nanoparticles using a new method that uses sawdust as one of the raw materials. Nanoparticles were produced consisting of simple ferrites of Zn, Mn, Ni and Co and of mixed ferrites of Mn-Zn, Ni-Zn, Co-Zn, Ni-Mn, Co-Mn and Co-Ni using different synthesis conditions. The produced materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The specific surface was determined by the BET method and the magnetic properties were studied using the vibrating sample magnetometer (VSM). The ferrites obtained with the new process can be considered composites, since it is possible to identify two distinct phases, the biochar produced from sawdust and the magnetic particles obtained with the Fe spinels, which led to the innovative denomination of carbon-ferrites. The materials showed small size (nanoparticles) and high saturation magnetization (M s ). Most of the samples showed low remanent magnetization (M r ) and low coercivity (H c ), leading to the behavior of soft magnetic materials, which allows them to be tested as cores of transformers, inductors, motors, generators and other devices where the energy losses need to be low. Some samples showed behavior of hard magnetic materials (high M r and H c ), important in electronic equipment, permanent magnets and other applications where it is desirable to maintain magnetization in the material. Due to their highly porous structure and high specific surface, carbon-ferrites were tested to assess their ability to adsorb lead (Pb). The removal of this heavy metal from water, action of great environmental impact, was successfully performed, with the adsorption capacity of the samples produced being up to four times greater than that of the commercial activated carbon used for comparison.Keywords: Nanomagnetism. Sawdust. Synthetic Fe spinels. Magnetic adsorbent. Heavy metal.