Preparação de biocarvões a partir de resíduos agroindustriais: caracterização e aplicação eletroquímica

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dc.contributor.advisorFerreira, Odair Pastor
dc.contributor.authorBoas, Eduardo Custódio Vilas
dc.contributor.bancaMedeiros, Roberta Antigo
dc.contributor.bancaViana Neto, Bartolomeu Cruz
dc.coverage.extent120 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2026-07-08T20:18:26Z
dc.date.available2026-07-08T20:18:26Z
dc.date.issued2026-03-06
dc.description.abstractBiocarvões são (nano)materiais carbonáceos preparados a partir da carbonização de diferentes matérias-primas precursoras tais como, biomassas lignocelulósicas, resíduos de origem animal, lodo de esgoto, dentre outros. O objetivo desta Dissertação foi avaliar o efeito da estrutura, composição e tamanho das partículas de biocarvões na modificação de eletrodos de carbono vítreo, visando o desenvolvimento de um sensor eletroquímico para determinação do antibiótico ciprofloxacino (CIP) em amostras de medicamentos. Para tal, foram avaliados três métodos de carbonização: i) pirólise; ii) carbonização hidrotérmica e iii) tratamento térmico em atmosfera estática de ar. Para o controle do tamanho de partículas, foi utilizada a moagem em moinho de bolas de alta energia, como pós processamento. Os biocarvões obtidos foram caracterizados por análise elementar CHNS, análise termogravimétrica (TGA), espectroscopias no infravermelho (FTIR), Raman e de fotoelétrons de raios X (XPS), difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (SEM) e isotermas de adsorção-dessorção de nitrogênio. Os biocarvões apresentaram baixo ordenamento estrutural, com halo-amorfo nos difratogramas de raios X em aproximadamente 23° (2θ). No entanto, para a pirólise e para o tratamento térmico em atmosfera estática de ar foi possível observar aumento relativo no ordenamento estrutural com o aumento da temperatura de tratamento. A composição dos biocarvões revelou diferenças significativas decorrentes dos tratamentos térmicos aplicados. Os espectros FTIR apresentaram perfis espectrais distintos entre as amostras, sendo possível detectar bandas características dos grupos O-H, C-H, C=O e C=C na maioria dos biocarvões. Entretanto, os espectros dos biocarvões pirolíticos submetidos a 700 °C, 1000 °C e 1300 °C não apresentaram nenhuma banda identificável. Os espectros Raman dos biocarvões apresentaram perfis característicos de materiais carbonáceos, com bandas D e G. Os biocarvões apresentaram baixa área superficial específica (SBET < 100 m2/g), exceto o biocarvão preparado por pirólise a 1300 °C, que apresentou SBET = 294 m2/g. A partir das imagens SEM observou-se a morfologia dos biocarvões, que se mostrou semelhantes à de fibras vegetais, apresentando superfícies heterogêneas e rugosas. A moagem promoveu a oxidação dos biocarvões, evidenciado pelo aumento relativo das ligações do C – O, conforme demostrando nos espectros XPS. Além disso, nos espectros FTIR, a banda atribuída ao estiramento C=O, apresentou mudança no perfil de linha, caracterizado por um alargamento. Nos espectros Raman foi observado aumento da razão ID/IG, aumento da amorfização, representado pelo aumento da área da banda S e maior largura a meia altura após a moagem. A morfologia e tamanho das partículas do biocarvão foram significativamente alteradas após a moagem, apresentando formas irregulares, pontiagudas e interfaces típicas de fratura. A faixa mais importante de tamanho após as moagens foi entre 80 e 500 nm. A caracterização da performance eletroquímica dos eletrodos produzidos para a determinação de CIP foi realizada por voltametria cíclica (VC). Para a construção do sensor eletroquímico os biocarvões produzidos foram utilizados na modificação do carbono vítreo (GCE) pelo método de drop casting. Todos os eletrodos modificados foram sensíveis ao analito, apresentando pico de oxidação em aproximadamente +1,05 V. A amostra preparada por tratamento térmico em atmosfera estática de ar a 500 °C por 1 h (TTBC 500 °C 1 h) teve melhor resposta, sendo selecionado para a moagem. Após a moagem foi observado aumento do sinal analítico, sendo a amostra moída por 2h a 300 rpm e proporção mássica de esferas:biocarvão 20:1 (2h 300rpm 20:1) aquela com maior pico de oxidação, escolhido para a otimização do método. A voltametria de onda quadrada foi utilizada para obter a curva analítica, que apresentou faixa linear de concentração de 21,5 a 62,5 μmol L-1. O método desenvolvido apresentou limite de detecção de 5,40 μmol L-1 e limite de quantificação de 18,03 μmol L-1 e foi aplicado para determinação de CIP em amostras de medicamentos, demostrando eficácia na determinação do analito nestas matrizes. Com base nos resultados, a preparação e uso de biocarvões para modificação de eletrodos de carbono vítreo mostrou-se uma alternativa energeticamente favorável e de baixo custo para o desenvolvimento de sensores eletroquímicos.
dc.description.abstractother1Biochars are carbonaceous (nano)materials prepared from the carbonization of different precursor raw materials such as lignocellulosic biomass, animal waste, sewage sludge, among others. The objective of this dissertation was to evaluate the effect of the structure, composition, and particle size of biochars on the modification of glassy carbon electrodes, aiming at the development of an electrochemical sensor for the determination of the antibiotic ciprofloxacin (CIP) in drug samples. To this end, three carbonization methods were evaluated: i) pyrolysis; ii) hydrothermal carbonization; and iii) thermal treatment in a static air atmosphere. For particle size control, high-energy ball milling was used as a post-processing step. The biochars obtained were characterized by CHNS elemental analysis, thermogravimetric analysis (TGA), infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and nitrogen adsorption-desorption isotherms. The biochars showed low structural ordering, with amorphous halos in the X-ray diffractograms at approximately 23° (2θ). However, for pyrolysis and for thermal treatment in a static air atmosphere, a relative increase in structural ordering was observed with increasing treatment temperature. The composition of the biochars revealed significant differences resulting from the applied thermal treatments. The FTIR spectra showed distinct spectral profiles among the samples, with characteristic bands of the O-H, C-H, C=O, and C=C groups being detectable in most biochars. However, the spectra of pyrolytic biochars subjected to 700 °C, 1000 °C, and 1300 °C did not show any identifiable bands. The Raman spectra of the biochars showed profiles characteristic of carbonaceous materials, with D and G bands. The biochars presented low specific surface area (SBET < 100 m²/g), except for the biochar prepared by pyrolysis at 1300 °C, which presented SBET = 294 m²/g. From the SEM images, the morphology of the biochars was observed, which was like that of vegetable fibers, presenting heterogeneous and rough surfaces. Grinding promoted the oxidation of the biochars, evidenced by the relative increase in C-O bonds, as demonstrated in the XPS spectra. Furthermore, in the FTIR spectra, the band attributed to C=O stretching showed a change in the line profile, characterized by a broadening. In the Raman spectra, an increase in the ID/IG ratio and an increase in amorphization were observed, represented by an increase in the S-band area and greater width at half-height after grinding. The morphology and particle size of the biochar were significantly altered after grinding, presenting irregular, pointed shapes and interfaces typical of fracture. The most important size range after grinding was between 80 and 500 nm. The electrochemical performance of the electrodes produced for CIP determination was characterized by cyclic voltammetry (CV). For the construction of the electrochemical sensor, the produced biochars were used in the modification of glassy carbon (GCE) by the drop casting method. All modified electrodes were sensitive to the analyte, showing an oxidation peak at approximately +1.05 V. The sample prepared by heat treatment in a static air atmosphere at 500 °C for 1 h (TTBC 500 °C 1 h) showed the best response and was selected for grinding. After grinding, an increase in the analytical signal was observed. The sample ground for 2 hours at 300 rpm and a mass ratio of spheres to biochar of 20:1 (2h 300rpm 20:1) with the highest oxidation peak was chosen for method optimization. Square wave voltammetry was used to obtain the analytical curve, which showed a linear concentration range from 21.5 to 62.5 μmol L⁻¹. The developed method presented a detection limit of 5.40 μmol L⁻¹ and a quantification limit of 18.03 μmol L⁻¹ and was applied to determine CIP in drug samples, demonstrating effectiveness in determining the analyte in these matrices. Based on the results, the preparation and use of biochars for modifying glassy carbon electrodes proved to be an energetically favorable and low-cost alternative for the development of electrochemical sensors.
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/19371
dc.language.isopor
dc.relation.departamentCCE - Departamento de Química
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Química
dc.subjectBiomassa
dc.subjectBagaço de cana-de-açúcar
dc.subject(Nano)materiais carbonáceos
dc.subjectEletrodos modificados
dc.subjectPropriedades eletroquímicas
dc.subjectMoagem
dc.subjectBiocarvão
dc.subjectMateriais carbonáceos
dc.subjectSensores eletroquímicos
dc.subjectCarbono vítreo
dc.subjectVoltametria
dc.subjectPirólise
dc.subjectEletroquímica
dc.subject.capesCiências Exatas e da Terra - Química
dc.subject.cnpqCiências Exatas e da Terra - Química
dc.subject.keywordsBiomass
dc.subject.keywordsSugarcane bagasse
dc.subject.keywordsCarbonaceous (nano)materials
dc.subject.keywordsModified electrodes
dc.subject.keywordsElectrochemical properties
dc.subject.keywordsGrinding
dc.subject.keywordsBiochar
dc.subject.keywordsCarbonaceous materials
dc.subject.keywordsElectrochemical sensors
dc.subject.keywordsVitreous carbon
dc.subject.keywordsVoltammetry
dc.subject.keywordsPyrolysis
dc.subject.keywordsElectrochemistry
dc.titlePreparação de biocarvões a partir de resíduos agroindustriais: caracterização e aplicação eletroquímica
dc.title.alternativePreparation of biochars from agro-industrial waste: characterization and electrochemical application
dc.typeDissertação
dcterms.educationLevelMestrado Acadêmico
dcterms.provenanceCentro de Ciências Exatas

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