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Eficácia antimicrobiana e autolimpeza das superfícies funcionalizadas com nanopartículas fotocatalíticas de dióxido de titânio (TiO2)

A necessidade de preservar o meio ambiente levou à busca de novos métodos para a eliminação eficiente de compostos químicos, bem como novas estratégias para evitar a formação de biofilmes de microrganismos, que alteram a estabilidade de nossos recursos.

A contaminação da água é uma questão de grande importância, uma vez que os contaminantes podem ser acumulados e transportados por águas superficiais e subterrâneas, para os quais a principal fonte de dano são as águas residuais municipais e industriais.

O grupo de Engenharia Química da Universidade de Alcalá, na Espanha, em colaboração com pesquisadores do Centro de Catálise e Petroquímica ICP-CSIC, desenvolveu diferentes revestimentos com nanopartículas fotocatalíticas de dióxido de titânio (TiO2), para criar superfícies com capacidade de autolimpeza e propriedades antibacterianas em resposta à irradiação com luz ultravioleta e à simulação de luz solar.

Fotocatálise heterogênea com dióxido de titânio (TiO2)

O tratamento e / ou a purificação da água por fotocatálise heterogênea com dióxido de titânio (TiO2) como catalisador é, hoje, uma das aplicações fotoquímicas que mais interesse tem despertado entre a comunidade científica internacional.

Por um lado, a fotocatálise heterogênea, ao contrário da maioria dos processos fotoquímicos, não é seletiva e pode ser usada para tratar misturas complexas de poluentes e, por outro lado, a possibilidade de usar a radiação solar como fonte primária de energia, propicia um valor ambiental importante e significativo. O processo é um claro exemplo de tecnologia sustentável.

A fotocatálise consiste na aceleração de uma fotorreação por meio de um catalisador ativado pela absorção de luz visível ou UV. Quando as nanopartículas de TiO2 são fotoexcitadas, existe uma promoção de elétrons da banda de valência para a banda de condução, que por sua vez forma uma lacuna positiva na referida banda de valência. Tanto o elétron promovido quanto a lacuna podem participar de reações redox com espécies químicas (porque a lacuna é fortemente oxidante e o elétron na banda de condução é moderadamente reduzido) gerando várias espécies reativas de oxigênio (ROS), como -HO, O2– e H2O2 (figura 1)

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Figura 1. Mecanismo simplificado do processo de fotocatálise em nanopartículas de TiO2

 

Aplicações de TiO2

O TiO2 tem sido amplamente estudado na eliminação de vários contaminantes orgânicos e inorgânicos, verificando a sua estabilidade ao longo de vários ciclos, no entanto, ainda existem várias limitações que direcionam novos esforços para aumentar a eficiência do processo de fotocatálise. Neste contexto, a concepção de novos materiais fotocatalíticos e suas aplicações constituem diferentes linhas de pesquisa que, a partir de uma abordagem multidisciplinar, permitem um desenvolvimento mais amplo de fotocatálise heterogênea.

Mais recentemente, a fotocatálise heterogênea foi aplicada para a desinfecção da água através da desativação de bactérias e vírus [1, 2], uma aplicação especialmente atrativa para a potabilização da água em regiões com escassos recursos hídricos e acesso limitado ao saneamento adequado.

Estudos realizados

Pesquisadores do Departamento de Engenharia Química da Universidade de Alcalá têm funcionalizado a superfície de dois materiais diferentes (vidro e filtros de fibra de vidro) com uma suspensão de nanopartículas de TiO2 em sua forma cristalina de anatase. Os revestimentos consistiam, por um lado, na deposição e extensão (smearing) da suspensão de TiO2 nos materiais de vidro e, por outro lado, na impregnação da referida suspensão nos filtros de fibra de vidro [3].

A degradação dos compostos orgânicos foi determinada pela fotodegradação do corante azul de metileno (AM), utilizado para o tratamento da Metahemoglobinemia, irradiando as superfícies funcionalizadas com luz UV-A (excitação a 365 nm). Os resultados obtidos mostraram uma fotooxidação do AM de 60% no caso dos revestimentos feitos nos materiais de vidro e uma fotooxidação completa do corante no caso dos revestimentos feitos nos filtros, diferença atribuída a uma melhor dispersão do TiO2 no último.

Eliminação biofilmes

Quanto à atividade antibacteriana, foi estudado através da viabilidade de duas cepas bacterianas modelo, Pseudomonas putida e Staphylococcus aureus, bem como através da capacidade de eliminar biofilmes maduros dessas cepas previamente formadas. Para estes testes, uma lâmpada de luz visível foi usada para simular a luz solar.

Os resultados refletem, por meio da marcação fluorescente das cepas, um efeito anti-bacteriano total devido as espécies reativas de oxigênio (ROS), altamente oxidante, formado durante o processo de fotocatálise.

No entanto, embora os microrganismos não fossem viáveis após tratamento fotocatalítico, a irradiação dos revestimentos não foi tão eficaz na eliminação da grande massa de bactérias aderidas durante períodos de não-irradiação, na superfície sob a forma de biofilmes maduros [3].

Adesão bacteriana

Até o momento, a grande maioria dos estudos de redução de biofilmes em superfícies fotocatalíticas tem focado no efeito da fotocatálise nos estágios iniciais de sua formação, quando o processo de adesão é reversível e não na avançado quando essa adesão é considerada irreversível, como neste caso. A compreensão do processo de adesão bacteriana, bem como a resposta de microorganismos à modificação das superfícies é fundamental para a geração de novos materiais com atividades antibacterianas aprimoradas. Objetivo em que o grupo da Universidade de Alcalá está atualmente trabalhando.

 

REFERÊNCIAS:

[1] M.B. Fisher, D.A. Keane, P. Fernandez-Ibanez, J. Colreavy, S.J. Hinder, K.G. McGuigan, S.C. Pillai, Nitrogen and copper doped solar light active TiO 2 photocatalysts for water decontamination, Applied Catalysis B: Environmental, 130 (2013) 8-13.

[2] D.A. Keane, K.G. McGuigan, P.F. Ibáñez, M.I. Polo-López, J.A. Byrne, P.S. Dunlop, K. O’Shea, D.D. Dionysiou, S.C. Pillai, Solar photocatalysis for water disinfection: materials and reactor design, Catalysis Science & Technology, 4 (2014) 1211-1226.

[3] B. Jalvo, M. Faraldos, A. Bahamonde, R. Rosal, Antimicrobial and antibiofilm efficacy of self-cleaning surfaces functionalized by TiO 2 photocatalytic nanoparticles against Staphylococcus aureus and Pseudomonas putida, Journal of Hazardous Materials, (2017).

 

Fonte: Aguasresiduales.info, Blanca Jalvo Sánchez, adaptado por Portal Tratamento de Água – www.tratamentodeagua.com.br

Traduzido por Gheorge Patrick Iwaki

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