Nanocompósito de óxido metálico ternário para remoção de gás H2S e SO2 em temperatura ambiente em condições úmidas

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15387 (2022) Citar este artigo

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Um nanocompósito ternário de óxido de Mn-Zn-Fe foi fabricado por um método de coprecipitação de uma etapa para a remoção dos gases H2S e SO2 à temperatura ambiente. O nanocompósito contém ZnO, MnO2 e ferritas com área superficial de 21,03 m2 g−1. O adsorvente foi eficaz na mineralização de gases sulfurosos ácidos melhor em condições úmidas. O material exibiu uma capacidade máxima de remoção de H2S e SO2 de 1,31 e 0,49 mmol g−1, respectivamente, nas condições experimentais otimizadas. As análises espectroscópicas confirmaram a formação de sulfeto, enxofre e sulfito como produtos mineralizados do H2S. Além disso, o nanocompósito pode converter SO2 em sulfato como único subproduto da oxidação. A oxidação desses gases tóxicos foi impulsionada pela dissolução e dissociação de moléculas de gás na água adsorvida na superfície, seguida pelo comportamento redox de íons de metais de transição na presença de oxigênio molecular e água. Assim, o estudo apresentou um potencial adsorvente nanocompósito para aplicações de dessulfurização profunda.

A contaminação do ar é um problema global que tem sido amplificado por várias atividades antrópicas nas últimas décadas. Entre os numerosos contaminantes do ar que toxificam o ar, o sulfeto de hidrogênio (H2S) e o dióxido de enxofre (SO2) são conhecidos por causar graves danos à saúde humana e ao meio ambiente. O H2S é um gás tóxico de cheiro pungente liberado de matéria orgânica em decomposição, indústria de petróleo, usinas termelétricas à base de carvão e gás natural e instalações de tratamento de esgoto1,2. A exposição aguda ao H2S em níveis de 200–500 ppm pode paralisar o nervo olfativo e acima de 500 ppm pode levar à morte súbita2,3. Além disso, a conversão de H2S em SO2 e sua hidrólise para formar chuva ácida podem acidificar o solo e os corpos d'água, o que pode ser desastroso para as plantas e a vida marinha, respectivamente4,5. O SO2 é um gás tóxico incolor com um odor forte, que pode causar várias doenças respiratórias, como bronquite crônica e infecções do trato respiratório6. Embora uma baixa concentração de SO2 de 1 a 5 ppm seja suficiente para causar desconforto humano, a exposição acima de 100 ppm pode ser fatal7. As principais fontes de SO2 atmosférico são as termelétricas e as emissões veiculares8. Assim, a remoção de H2S e SO2 do ponto de origem deve ser priorizada para limitar a contaminação do ar e evitar eventos catastróficos como formação de poluição atmosférica e chuva ácida.

A adsorção química desses gases tóxicos sobre uma superfície adsorvente é um dos métodos mais simplistas e acessíveis para adsorver e mineralizar gases H2S e SO2 em subprodutos não tóxicos, como enxofre e sulfatos9. Além disso, a quimissorção é altamente eficiente para aplicações de dessulfurização de gás de combustão e purificação de gás natural, que são desafiadoras, fundamentalmente e financeiramente1,10. Para tanto, os óxidos metálicos têm mostrado grande potencial devido à presença de sítios básicos fracos (oxigênio da rede) e grupos básicos OH–, que podem reagir com gases ácidos como H2S e SO2 (atuando como doadores de elétrons)11,12. A reatividade superficial dos óxidos metálicos para esses gases pode ser amplificada na presença de moléculas de água. Em primeiro lugar, a camada de água na superfície do óxido de metal reage dissociativamente e melhora a densidade de hidroxila. Em segundo lugar, o filme de água superficial dissolve as moléculas de gás, o que reduz a barreira de energia para interação reativa com a superfície do óxido metálico e, assim, favorece o processo geral de quimissorção13,14,15,16,17. Assim, vale a pena explorar o efeito positivo da água durante a adsorção de gases ácidos sobre óxidos metálicos, que é o foco deste trabalho de pesquisa. Além disso, é igualmente importante explorar materiais adsorventes para a remediação de concentrados de baixo teor de H2S/SO2 para confirmar a aplicabilidade de adsorventes em dessulfurização profunda e aplicações de purificação de gás.