ÁREA: Ambiental
TÍTULO: Avaliação da capacidade de retenção de íons metálicos em zeólitas sintéticas quimicamente modificadas
AUTORES: Coelho Queiroz, J. (IF SERTÃO-PE SERTÃO PERNAMBUCANO) ; Glaucia Freire Rodrigues, M. (UFCG) ; Souza Martins, S. (SENAI PETROLINA) ; Henrique V. Martins, S. (SENAI PETROLINA) ; Pacheco Gomes da Rocha, L. (UNIVASF)
RESUMO: As zeólitas são empregadas como adsorventes devido à sua grande área superficial
específica e a presença de cargas negativas. Este trabalho teve como objetivo
avaliar a capacidade de retenção de íons Cu e Pb na zeólita Y sintética e
quimicamente modificada, em diferentes tempos de contato. A ativação ácida
diminuiu a intensidade dos picos característicos da zeólita Y. As isotermas de
BET indicaram uma modificação na área superficial específica e na porosidade
após a adsorção dos íons Cu e Pb. Os resultados mostraram que a zeólita Y
adsorve preferencialmente os íons Pb, com taxa de retenção superior a 99%. A
diferença no percentual de remoção pode ser atribuída ao tamanho e a carga dos
cátions metálicos, a natureza química do cátion compensador e a estrutura
cristalina.
PALAVRAS CHAVES: metais pesados; zeólita Y; troca iônica
INTRODUÇÃO: A crescente expansão demográfica e industrial observada nas últimas décadas
trouxe como consequência o comprometimento dos corpos hídricos. Existem vários
métodos de tratamento utilizados para alcançar os níveis de descarga de
poluentes permitidos pela legislação vigente, entretanto, os processos
convencionais quando não são economicamente viáveis, são ineficientes na
separação desses contaminantes. Dentro deste contexto, a utilização de zeólitas
surge como uma alternativa promissora. Além da eficiência, uma outra importante
característica das zeólitas é que podem ser recuperadas e reutilizadas, tornando
o processo economicamente viável e ambientalmente correto. As zeólitas são
aluminossilicatos hidratados com estruturas cristalinas tridimensionais de
tetraedros de Si e Al, ligados entre si pelos quatro vértices do oxigênio. Nessa
configuração, as cargas negativas são compensadas por cátions intersticiais e
formam uma estrutura aberta, com grandes canais, por onde a água e outras
moléculas podem se alojar e apresentar liberdade de movimento, permitindo a
troca iônica [1]. A remoção de metais pesados por troca iônica, têm sido
amplamente utilizados no tratamento de efluentes industriais [2], entre outros.
A capacidade de troca catiônica é a quantidade de cátions, que este pode
adsorver e trocar. A afinidade dos materiais trocadores está relacionada com a
carga, o tamanho dos íons e a configuração/dimensão dos canais da zeólita [3].
Muitos autores, através de tratamentos químicos apropriados, convertem a zeólita
natural para melhorar sua capacidade de troca iônica [4]. O trabalho teve como
objetivo avaliar o desempenho de zeólitas na remoção dos íons Cu e Pb presentes
em solução, como alternativa para o tratamento de efluentes industriais.
MATERIAL E MÉTODOS: Os testes foram conduzidos a temperatura ambiente utilizando as amostras NaY, HY
e NH4Y como adsorventes. A zeólita NaY foi sintetizada utilizando o método de
síntese hidrotérmica [5]. A zeólita NaY foi submetida à troca iônica com cloreto
de amônio, para obter a forma amoniacal. Esta última amostra foi calcinada a
500ºC, sob fluxo de nitrogênio, para liberação da amônia e obtenção
da zeólita na forma ácida (HY). As modificações químicas foram realizadas a fim
de aumentar a eficiência de retenção dos cátion metálicos presentes em solução.
As amostras foram caracterizadas por DRX, MEV, TG/DTA, medida da área
superficial específica pelo método de BET e da Capacidade de Troca Catiônica
(CTC). O perfil de difração foi obtido em difratômetro da marca Shimadzu,
modelo XRD-6000, operando com radiação CuKα (λ=1,548 Å), utilizando-se as
amostras sob a forma de pó, com ângulo 2θ percorrido de 5º a 45º. A análise
termogravimétrica foi realizada em uma termobalança da marca Shimadzu, modelo
TGA/DSC 50, em uma faixa de temperatura de 25ºC a 1000ºC, taxa de aquecimento de
20ºC/min, sob fluxo de nitrogênio. A análise morfológica dos materiais foi
obtida por microscopia eletrônica de varredura (MEV) num microscópio da marca
Shimadzu, modelo SS-550. A área superficial específica foi medida pelo método de
BET através da adsorção física do nitrogênio a 77 K obtidas em um equipamento
Micromeritics ASAP 2020. A CTC foi determinada em um destilador de Kjeldahl. A
troca iônica foi conduzida de forma descontínua utilizando 1g de adsorvente para
50 mL de solução contendo os metais de interesse. A suspensão permaneceu sob
agitação, em intervalos de tempo de 12 e 24 h. O teor do metal foi determinado
por AAS com fonte contínua modelo Contínua modelo ContrAA 700, marca Analytik
Jena.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Os difratogramas evidenciaram uma pequena diminuição na intensidade dos
principais picos na amostra HY, indicando que a ativação ácida não provocou
danos substanciais à estrutura cristalina. As análises por MEV evidenciaram uma
morfologia homogênea, com partículas aglomeradas com tamanho uniforme. O
termograma da amostra NaY mostou a perda de massa de 26% na faixa de temperatura
de 25–300ºC, atribuída à evaporação de água e impurezas no sólido. A CTC para a
zeólita NaY foi de 375 meq/100g, indicando uma elevada capacidade para
substituição isomórfica. As isotermas obtidas são do tipo I, típica de sólidos
microporosos com limitada mesoporosidade [6]. O loop de histerese próximo à
saturação indica a presença de mesoporos. A adsorção dos metais provocou uma
diminuição na área superficial específica e na porosidade da zeólita, atribuída
à obstrução parcial dos poros pelo metal. As amostras NaY e NH4Y
apresentaram taxa de remoção de íons Pb de 99,63% e 98,60 %, respectivamente. Os
resultados apontaram o sódio como cátion mais facilmente trocável quando
comparado aos íons amônio e hidrogênio. A facilidade na substituição ocorre
devido à fraca interação com a estrutura do sólido, aliada ao raio iônico e aos
grandes canais da zeólita, que facilita a difusão do cátion. A ativação ácida
diminuiu a taxa de retenção, que pode ter ocorrido devido a diminuição dos
sítios de adsorção, por consequência da ativação, ou devido o íon hidrogênio ser
resistente à substituição. As amostras avaliadas adsorvem preferencialmente o
chumbo. A afinidade dos materiais trocadores está relacionada com a carga e o
tamanho dos íons em solução. Para cátions de mesma valência (Cu e Pb) a
seletividade aumenta com a diminuição do raio iônico hidratado, que é o caso do
chumbo[7].
Figura 1
Figura 1 - Difratogramas de raios X das zeólitas
antes dos ensaios de adsorção.
Figura 2
Figura 2 - Dados referentes à taxa de retenção dos
íons Pb e Cu nas zeólitas, com diferentes tempos de
contato (12h e 24h).
CONCLUSÕES: A modificação química da zeólita NaY não provocou alterações significativas na
taxa de retenção dos íons metálicos pois, entre os cátions utilizados, o sódio
é o mais facilmente trocável. A facilidade na substituição ocorre devido à fraca
interação deste íon com a estrutura do sólido. Desta forma, a amostra NaY
apresentou a maior taxa de retenção (99,63%) de íons Pb, entre as amostras
estudadas. A adsorção preferencial do chumbo pode ser atribuída ao tamanho do
raio iônico hidratado e a estrutura da zeólita. Em geral o tempo de contato não
influenciou no teor de metal removido.
AGRADECIMENTOS: A FACEPE pelo incentivo financeiro, ao SENAI/PE e LABNOV/UFCG pela colaboração em
algumas análises, a UNIVASF e IF SERTÃO-PE, pelo apoio a pesquisa.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: [1]DANA, J. D. Manual de Mineralogia (Dana-Hurlbut). São Paulo, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 642p, 1981.
[2]DABROWSKI, A. HUNBICKI, Z, POKOSCIELNY, P. ROBENS, E. Selective removal of heavy metal ions from water and industrial wastewater by ion-exchange methods. Chemosphere, 56, 91-106, 2004.
[3]PABALAN, R.T. & BERTETTI, F.P. Cation-exchange properties of natural zeolites. In: D.L Bish; D.W Ming (ed).Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 45: 453-518, 2001.
[4]NAGY, J. B.; BODART, P.; HANNUS, I.; KIRICSI, I. Synthesis, characterization and use of zeolitic microporous materials, DecaGen Ltda Hungary, 1998.
[5]Guillou, F.; Rouleau, L.; Pirngruber, G.; Valtcher, V.; Synthesis of FAU-type zeolite membrane: An original in situ process focusing on the rheological control of gel-like precursor species, Microporous and Mesoporous Materials, 119, 1–8, 2009.
[6]SUKI, M. et al. Zeolites, v. 9, p. 98, 1989.
[7]SHINZATO, M. C. Revista do Instituto Geológico, São Paulo, 27-28 (1/2), 65-78, 2007.
