Cinética de adsorção e isotermas da remoção de verde de malaquita de solução aquosa usando TiO2 suportado em nanocompósito de f‑MWCNTs

Por que é importante limpar águas coloridas

Corantes sintéticos vibrantes coloram nossas roupas, couro e papel, mas quando esses produtos químicos são descartados pelos drenos das fábricas, podem permanecer em rios e lagos por anos. Um desses corantes, denominado verde de malaquita, é particularmente preocupante porque é tóxico, persistente e associado ao câncer. Este estudo explora um novo tipo de material de limpeza em escala nanométrica — um nanocompósito — capaz de remover o verde de malaquita da água de forma muito rápida e eficiente, apontando para caminhos mais rápidos e práticos para tratar águas industriais poluídas.

Um corante resistente e um novo limpador minúsculo

O verde de malaquita é amplamente usado em têxteis e no processamento de couro e foi, de forma controversa, aplicado na piscicultura como agente antimicrobiano. Uma vez liberado no ambiente, ele não se degrada facilmente, e os métodos de tratamento convencionais frequentemente têm dificuldade em removê‑lo completamente. Os pesquisadores buscaram projetar uma “esponja” melhor para esse corante combinando dois materiais avançados: nanopartículas de dióxido de titânio e nanotubos de carbono de paredes múltiplas cujas superfícies foram quimicamente “funcionalizadas” com grupos contendo oxigênio. Ao carregar o dióxido de titânio nesses nanotubos funcionalizados, criaram um material híbrido destinado a oferecer tanto grande área superficial quanto muitos pontos ativos onde as moléculas do corante podem se adsorver.

Construindo e investigando o material híbrido de nanotubos

A equipe sintetizou o nanocompósito por um processo hidrotermal, no qual o pó de dióxido de titânio é tratado em solução alcalina aquecida e então fixado nos nanotubos de carbono em água sob mistura prolongada. Eles examinaram cuidadosamente o pó resultante com um conjunto de microscópios e técnicas espectroscópicas. Esses testes confirmaram que o dióxido de titânio manteve sua estrutura cristalina e se espalhou de forma uniforme sobre a rede de nanotubos, em vez de se aglomerar separadamente. Medições de adsorção de gás revelaram uma arquitetura altamente porosa, semelhante a uma esponja, com mais que o dobro da área superficial do dióxido de titânio puro, indicando muito mais espaço para capturar moléculas de corante durante o tratamento.

Remoção rápida e eficaz do corante da água

Para avaliar a eficiência do novo material, os pesquisadores realizaram experimentos em batelada nos quais pequenas quantidades do nanocompósito foram agitados com soluções de verde de malaquita sob diferentes condições. Verificaram que o desempenho dependia fortemente da acidez da água: a remoção foi modesta em condições ácidas, mas ultrapassou 95% em torno de um pH levemente básico de 8, quando a superfície do material apresenta carga negativa que atrai o corante carregado positivamente. Notavelmente, sob essas condições ideais — pH 8, apenas 0,005 gramas de adsorvente em 10 mililitros de solução e temperatura ambiente — o sistema alcançou o equilíbrio em cerca de 10 minutos, obtendo uma capacidade de adsorção de aproximadamente 39 miligramas de corante por grama de material. Isso é comparável ou superior a muitos adsorventes convencionais, porém com limpeza muito mais rápida.

Como o corante se prende à superfície dos nanotubos

Ao ajustar os dados experimentais a modelos matemáticos padrão que descrevem como moléculas se ligam a superfícies, os autores concluíram que o verde de malaquita forma principalmente uma única camada em uma superfície relativamente uniforme, conforme descrito pela chamada isotermia de Langmuir. Ao mesmo tempo, outros modelos que levam em conta forças de ligação variadas e múltiplas camadas também se ajustaram bem aos dados, sugerindo uma combinação de adsorção física e química. O modelo cinético que melhor se ajustou indicou que a ligação não é apenas questão de moléculas colidirem com a superfície, mas envolve interações mais fortes, como atração eletrostática entre cargas opostas e contato específico com grupos na superfície. Microscopia e medidas no infravermelho antes e depois da captação do corante reforçaram a imagem de moléculas do corante agrupando‑se nas superfícies externas e dentro dos poros, sem alterar a estrutura cristalina subjacente.

Reuso e potencial para uma indústria mais limpa

Para qualquer tecnologia de tratamento de água ser prática, o meio de limpeza deve ser reutilizável. Os pesquisadores demonstraram que o nanocompósito podia ser regenerado lavando‑o com uma solução simples de hidróxido de sódio e reutilizado pelo menos cinco vezes com quase nenhuma perda de desempenho. Em geral, o estudo mostra que uma combinação cuidadosamente projetada de dióxido de titânio e nanotubos de carbono funcionalizados pode atuar como uma esponja de corante rápida, robusta e reciclável. Embora esses testes tenham sido realizados em soluções laboratoriais simplificadas, e não em efluentes industriais reais, os resultados sugerem uma rota promissora para unidades de tratamento compactas que possam rapidamente remover corantes nocivos como o verde de malaquita das águas residuais antes que alcancem o meio ambiente.

Citação: Jomardani, F., shakeri, R., Akbarzadeh, R. et al. Adsorption kinetics and isotherms of malachite green removal from aqueous solution using TiO₂ loaded on f-MWCNTs nanocomposite. Sci Rep 16, 8567 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38582-9

Palavras-chave: tratamento de águas residuais, verde de malaquita, adsorvente nanocompósito, dióxido de titânio, nanotubos de carbono