Extração e caracterização química de biosílica de resíduos agroindustriais

Abstract

A economia circular tem cada vez mais um papel relevante na sociedade, sendo um dos seus principais objetivos o reaproveitamento de resíduos. Só em 2020 foram produzidas cerca de 151,2 milhões de toneladas de casca de arroz como resíduos agroindustriais da produção de arroz. A combustão desta casca de arroz produz cinza, que consiste maioritariamente em sílica (> 90%) e algumas impurezas (óxidos metálicos), sendo possível obter sílica com elevado grau de pureza através da conjunção de tratamentos ácido/básico e combustão. Inicialmente, a casca sofreu um tratamento físico, sendo de seguida adotados três métodos diferentes para obtenção da sílica, o primeiro consistiu numa calcinação, o segundo numa extração ácida seguida ou precedida de calcinação, e o terceiro numa calcinação seguida de extração básica (método sol-gel). Posteriormente, uma funcionalização para conferir propriedades hidrofóbicas à sílica foi feita com n-octadeciltrimetoxissilano (C18) e avaliada através da determinação do ângulo de contacto. Também foi realizada uma funcionalização com recurso a ácido fítico (PA) e cloreto de dimetiloctadecil (3-trimetoxissililpropil) amónio (QAS) a fim de adquirir propriedades retardantes à chama e antimicrobianas, sendo estas avaliadas por teste de chama vertical, e por método de difusão de disco e da concentração mínima inibitória (minimum inhibitory concentration (MIC)), respetivamente. As sílicas funcionalizadas e não funcionalizadas foram caracterizadas por diferentes técnicas analíticas: FTIR-ATR, SEM-EDS, DLS, TGA e UV-Vis-NIR. Os resultados demonstraram que a extração ácida tem rendimentos na ordem dos 10%, a sílica obtida tem um grau de pureza elevado (96 at% (em percentagem atómica)) e está associada a ângulos de contacto de 107,5 ± 1,2°. Foi verificado efeito antimicrobiano com um MIC=20 mg/mL para as bactérias E. coli, S. aureus e MRSA, e MIC > 20 mg/mL para as leveduras C. albicans e S. cerevisiae. Quanto ao efeito retardante à chama, esta funcionalização alcançou uma progressão de chama média de 6,0 ± 0,6 cm. Algumas propriedades da sílica foram comparadas com uma sílica comercial e sílica sintetizada por método Stöber, e ainda foi efetuado um estudo da origem da casca da arroz e tipologia, sem diferenças significativas nas propriedades hidrofóbicas, retardantes à chama e antimicrobianas.

Circular economy has a marked importance in today’s society, being waste valorization one of the most relevant goals to bet. Only in 2020, about 151.2 million tons of rice husk were produced worldwide as an agro-industrial waste of rice production. The combustion of this rice husk produces ash, which consists of mainly silica (> 90%) and some contaminants (other metallic oxides), being possible to obtain high purity silica through a conjunction of acid/alkali treatments and combustion. Initially, the rice husk went through a physical treatment. Then, three different methods were applied to obtain the silica, the first one being a calcination, the second one an acid extraction followed or preceded by calcination, and the third one a calcination followed by alkali extraction (sol-gel method). Then, a functionalization to confer hydrophobic properties to the silica was performed with n octadecyltrimethoxysilane (C18) and evaluated by the determination of the contact angle. A functionalization with phytic acid (PA) and dimethyloctadecyl[3-(trimethoxysilyl)propyl] ammonium chloride (QAS) was also performed in order to acquire flame retardant and antimicrobial properties, and evaluated by vertical flame test, and by disc diffusion method and minimum inhibitory concentration (MIC), respectively. Functionalized and non-functionalized silicas were chemical and physically characterized by different analytic techniques: FTIR-ATR, SEM-EDS, DLS, TGA and UV-Vis-NIR. The results showed that acid extraction provides good yields, the obtained silica has higher purity (96 at% (atomic percentage)) and is associated to contact angles of 107.5 ± 1.2°. Antimicrobial effect was found with a MIC=20 mg/mL for E. coli, S. aureus and MRSA bacteria, and MIC > 20 mg/mL C. albicans and S. cerevisiae yeasts. As for the flame retardancy effect, this functionalization reached the medium flame progression of 6.0 ± 0.6 cm. Silica properties were also compared to those of a commercial silica and silica chemically synthetized by Stöber method, and a study of rice origin and typology was performed without significative differences on hydrophobic, flame retardant and antimicrobial properties.