ISBN 978-85-85905-15-6
Área
Ambiental
Autores
Junqueira Pinto Brito, M. (UESB) ; Ferreira Alves, M. (UESB) ; Viana Borges, M. (UESB) ; Gandolfi, O.R.R. (UESB) ; Amaral Viera, W. (UESB) ; Wellington Andrade de Jesus, F. (UESB) ; Nunes, G.S. (UESB)
Resumo
Este trabalho teve como objetivo produzir carvão ativado utilizando como precursor de carbono o caroço do umbu e avaliar sua capacidade em adsorver corantes orgânicos. O carvão foi obtido por meio da ativação química, utilizando ácido fosfórico como agente de ativação. O carvão produzido foi caracterizado e testado em processos adsortivos, utilizando como molécula modelo o azul de metileno. A eficiência do processo de adsorção do azul de metileno em carvão ativado foi determinada através do estudo da massa do adsorvente e do tempo necessário para atingir o equilíbrio. No estudo de massa verificou-se que a massa ideal para a adsorção da corante foi de 0,02 g e que o tempo em que a capacidade adsortiva se manteve constante foi de 200 min apresentando uma porcentagem de remoção de 99,9%.
Palavras chaves
acido fosfórico; ativação química; azul de metileno
Introdução
A contaminação dos recursos hídricos tem sido um dos grandes problemas da sociedade moderna, tal problema é decorrente principalmente do elevado crescimento populacional e das atividades industriais. Dentre as atividades industriais que tem grande potencial poluente, o setor têxtil destaca-se em função do extenso parque industrial. Devido à quantidade de água e corantes utilizados em seus processos, as indústrias têxteis geram um volume significativo de efluente colorido, causando problemas ao meio ambiente principalmente quando descartado sem tratamento (ROCHA et al, p.1369, 2012). Estes efluentes por apresentarem elevada carga tóxica, que podem ser carcinogênica e mutagênica, provocam impactos visual e ambiental negativos. Outros aspectos relevantes sobre esses efluentes é o fato de apresentarem uma variedade de componentes orgânicos contendo, de forma geral, alta suspensão de sólidos, demanda química de oxigênio (DQO), demanda bioquímica de oxigênio (DBO), temperatura, acidez, basicidade e substâncias que podem afetar a população microbiana (AHMED; DHEDAN, p.9, 2012). Além disso, devido à intensidade de cor, características marcantes nos efluentes de tinturarias devido a presença de alta concentração de corantes são capazes de impedir a fotossíntese. Por isso, muita atenção deve ser dada ao tratamento de efluentes contendo corantes antes do seu descarte final devido aos seus impactos nocivos em águas receptoras (LIU, p.197, 2012). Com vistas à remoção de poluentes em meio aquoso, vários tratamentos são utilizados na indústria, desde tratamentos biológicos a tratamento físico-químicos (MOHAN; SINGH; SINGH, p.1045, 2008). Entretanto, devido às desvantagens e inconvenientes dos tratamentos disponibilizados, a busca por tecnologias alternativas e mais eficientes se torna necessário. Alguns desses métodos alternativos que vêm sendo investigados são, por exemplo, eletrodiálise, osmose reversa, ultrafiltração e a adsorção. A adsorção tem se destacado como uma técnica de separação principalmente por ser um processo de alta seletividade, a nível molecular e alta eficiência (LIMA et al, p.536, 2008). A adsorção consiste em um processo no qual uma substância gasosa, líquida ou sólida (adsorvato) interage com superfície da interface de um sólido (adsorvente). Neste processo, explora-se a habilidade que certos sólidos apresentam em concentrar preferencialmente substâncias específicas (SANTANA, p.9, 2003). A migração dos componentes em fase líquida de uma fase para outra tem como força motriz a diferença de concentrações entre o seio do fluido e a superfície do adsorvente. Como o adsorvato concentra-se na superfície do adsorvente, quanto maior for esta superfície, maior será a eficiência da adsorção. Por isso, geralmente, os adsorventes são sólidos com partículas porosas (PEREIRA et al, p.476, 2014). Os compostos permanecem adsorvidos na superfície do adsorvente pela ação de diferentes tipos de interações químicas, como as ligações de Hidrogênio e as forças de Van der Waals. A eficiência no processo de adsorção está diretamente ligada ao tipo de adsorvente usado. Entre os adsorventes utilizados em diversas aplicações industriais, estão o carvão ativado,a alumina ativada, o gel de sílica, as peneiras moleculares e certas argilas ativadas térmica e quimicamente. Sendo que o mais comum e considerado eficiente, por apresentar maior capacidade de adsorção, devido a sua área superficial especifica tamanho, distribuição e volume de poros e elevada eficiência de remoção, é o carvão ativado (PEREIRA et al, p.1296, 2008).O carvão ativado é um material que apresenta uma estrutura porosa bem desenvolvida e sua alta capacidade de adsorção está associada essencialmente com a distribuição do tamanho de poros, área superficial e volume de poros. Além do mais, corresponde a um material com boa estabilidade química e com a presença de vários grupos funcionais contendo oxigênio sobre a superfície (KEQIANG QIU, p.148, 2011; MORENO- CASTILLA, p.83, 2004). Apesar de ser uma dos mais populares e eficientes adsorventes, o alto custo do carvão ativado muitas vezes restringe seu uso, sendo necessária à busca por alternativas viáveis para a sua produção. Neste contexto muitos estudos vêm sendo realizados utilizando resíduos de biomassa oriundos, sobretudo, de atividades agrícolas e da agroindústria, para a produção do carvão ativado. Os precursores utilizados são substâncias com alto valor de carbono e baixo teor de inorgânicos, como por exemplo, cascas de coco (YANG et al, p.6163, 2010), bagaço de cana (CHEN et al, p.5109, 2012), casca de amendoim (GIRGIS; YUNIS; SOLIMAN, p.164, 2002), sabugo de milho (TSAI et al, p.43, 2001), entre outros. Diante do exposto, o presente trabalho teve como objetivo produzir carvão ativado utilizando o caroço do umbu como material percussor e avaliar a sua capacidade em adsorver o corante azul de metileno.
Material e métodos
Os umbus foram adquiridos em estabelecimentos comerciais da cidade de Itapetinga. Os frutos foram despolpados para retirada do caroço, e em seguida pulverizados em um moinho de facas. O farelo obtido foi utilizado no processo de síntese do carvão.O farelo foi impregnado com o agente ativante ácido fosfórico em razão de impregnação (Ri) 1:1 (Ri= massa do ativante na solução/massa da caroço de umbu). A mistura foi aquecida a 80°C, sob agitação por 90 minutos e secas a 110°C, em estufa, por 12 horas. A amostra foi levada á mufla, a uma temperatura de 600°C por 120 minutos. Em seguida foi lavada com água destilada fria para retirada do excesso do agente ativante. Finalmente foram secas em estufas a 110°C, por 4 horas. O rendimento do processo de síntese do carvão (%) foi obtido dividindo-se a massa do carvão obtido (g) pela massa do precursor (g). Após estes procedimentos, foram feitas as caracterizações do carvão ativado. Os teores de umidade e cinzas foram determinados, de acordo com as normas do Instituto Adolfo Lutz (p.27, 1985). Para avaliar a capacidade de adsorção do carvão, inicialmente foi feita a curva analítica para o corante azul de metileno (AM) em diferentes concentrações. Posteriormente foi realizado o estudo para determinar em qual faixa de pH o carvão apresentava melhor porcentagem de remoção. Dessa forma o pH foi medido através de uma suspensão contendo 50 mg do carvão com 10 ml da solução de azul de metileno com concentração inicial de 50 mg.L -1 adicionada em erlenmeyers com diferentes faixas de pH (2, 4, 7, 10 e 12). Essa suspensão foi agitada por 6 horas e posteriormente centrifugada para a realização da leitura direta em espectrofotômetro no comprimento de onda de 664 nm. Para avaliar a influência da massa de adsorvente na eficiência de adsorção, diferentes massas do carvão (0,01 g; 0,02 g; 0,03 g; 0,04 g; 0,05 g) foram adicionadas em tubos contendo 10 mL da solução de corante (azul de metileno) com concentração inicial de 50 mg.L-1 no pH escolhido, seguindo a mesma metodologia descrita no estudo do pH. Para determinar o tempo necessário para atingir o equilíbrio de adsorção, a massa de carvão, escolhida no estudo de massa, foi adicionada aos tubos contendo 10 mL da solução do corante com concentração inicial de 50 mg.L-1, em pH 7,0. Os tubos foram mantidos sob agitação constante em temperatura ambiente. A cada tempo pré-determinado, os tubos foram retirados e a leitura da absorbância das soluções realizadas. O equilíbrio do processo foi atingido quando os valores da concentração da solução se mantiveram constantes com o tempo.
Resultado e discussão
Os resultados das caracterizações químicas e o rendimento do carvão obtido
estão apresentados na Tabela 1. Como pode ser observado o rendimento do
carvão (24,04%) está de acordo com valores encontrados na literatura para
carvões produzidos a partir de resíduos de biomassa, tais como: carvão
obtido a partir do endocarpo de macadâmia 26,6% (PEZOTI et al, p.170, 2014)
e de 20% a 30% para casca do cacau e caroço da siriguela (PEREIRA et al,
p.480, 2014). A natureza da matéria prima utilizada como fonte de carbono na
obtenção do carvão, os reagentes de ativação, o tempo e temperatura de
carbonização e as de condição de impregnação, são parâmetros que irão
influenciar no rendimento do adsorvente (ROMERO-ANAYA et al, p.3158,2012;
YAHYA; AL-QODAH; ZANARIAHNGAH, p.222, 2015). Esta é uma medida importante
uma vez que indica da viabilidade da elaboração do carvão ativado a partir
de um dado precursor. Com relação ao teor de umidade (4,02 %) observa-se
que o valor encontrado foi satisfatório, pois quando menor for a umidade do
adsorvente, maior será sua eficiência no processo adsortivo. Os carvões
ativados comerciais apresentam na sua especificação
técnica a indicação de um teor de umidade máximo de 10%
(MARTON et al, p.48, 2003). Valores inferiores a 10% de umidade também foram
obtidos por outros pesquisadores em seus estudos, como 6,62% para o carvão
ativado de casca de arroz (MALIK, p.244, 2003) e 3,80% com carvões ativados
de serragem (GARG et al, p. 121, 2003). As cinzas de um carvão representam a
quantidade de minerais presentes na biomassa utilizada como matéria prima e
que não foi possível remover na etapa da lavagem após a carbonização (RAO,
p.116, 2000). O ideal é que o carvão ativado apresente um teor de cinzas na
faixa de 0,2 a 9,5%, pois as presenças de grandes quantidades de cinzas
tendem a reduzir a eficiência, através da obstrução poros,competição no
processo de adsorção ou bloqueando sítios ativos (EL-HENDAWY et al,
p.213,2001; WEBLEY; SUN, p.886, 2010). Verificou-se que o teor de cinzas
médio encontrado no carvão produzido foi 5,2%, valor que está de acordo com
com os valores reportado na literatura para um carvão com propriedades de
adsorção eficiente. O grau de adsorção de corantes iónicos na superfície do
adsorvente é influenciado principalmente pela carga de superfície sobre o
adsorvente, o qual é afetado pelo pH da solução. Através do estudo de pH foi
possível observar que em pH 7,0 obtêm-se os melhores valores para capacidade
adsortiva e eficiência, indicando que esse pH é ideal para a realização dos
testes posteriores. Mudanças no pH afetam o processo adsortivo por meio da
dissociação de grupos funcionais presentes nos sítios ativos do adsorvente
(MALL; SRIVASTAVA; GARWAL, p.216, 2006). Como em pH = 7,0 foram obtidos os
maiores valores de capacidade adsortiva e eficiência, o mesmo foi escolhido
para a realização dos estudos posteriores. A Figura 1 (a) mostra porcentagem
deremoção do azul de metileno em função da massa do carvão, sendo possível
observar que a eficiência de adsorção do corante aumentou entre as massas
0,01 g e 0,02 g, sedo que a partir dessa massa os valores da capacidade de
remoção apresentaram-se constantes. Este efeito ocorre, pois depois de uma
determinada quantidade de massa de carvão, é obtido o equilíbrio entre as
fases líquida e sólida do composto, ou seja, não haverá mais remoção do
composto mesmo aumentando a dosagem de carvão. Diante disto, a massa do
adsorvente escolhida para o teste cinético foi a menor de 0,02 g. A
realização dos testes cinéticos possibilita a determinação do tempo
necessário para o alcance do equilíbrio entre o adsorbato e o adsorvente, ou
seja, o equilíbrio de adsorção. A Figura 1 (b) apresenta a variação da
porcentagem de remoção do corante azul de metileno em função do tempo de
contato com o carvão ativado. Percebe-se que a velocidade de adsorção é mais
rápida nos estágios iniciais do processo, ao passo que é mais lenta próxima
ao equilíbrio. O aumento progressivo na adsorção e, consequentemente, a
obtenção do equilíbrio deve-se à limitada transferência de massa de adsorção
das solução líquida para a superfície externa do adsorvente, seguida por uma
lenta transferência de massa interna nas partículas de carvão ativado
(ACHARYAET, et al, p.249, 2009). Como pode observar, o equilíbrio de
adsorção foi alcançado a partir de 200 minutos, com uma capacidade máxima de
remoção 99,9%, demostrando dessa forma o grande potencial do carvão na
adsorção do corante azul de metileno.
Tabela 1. Teor de umidade, cinzas e rendimento do carvão obtido.
Figura 1. Estudo da influência da massa do adsorvente (a) e perfil cinético de adsorção do azul de metileno sobre o carvão ativado (b).
Conclusões
O carvão ativado obtido a partir do caroço de umbu e impregnado com ácido fosfórico apresentou uma grande capacidade de remoção do corante azul de metileno, atingindo 99,9% de remoção, demostrando ser um adsorvente com alto potencial na remoção de corantes orgânicos em meio aquoso, podendo vir a se constituir em um material alternativo que pode contribuir de forma significativa na redução dos impactos ambientais no que tange à poluição de águas e na redução dos resíduos de biomassa que são descartados na natureza.
Agradecimentos
Referências
ACHARYA, J.; SAHU, J.N.; MOHANTY, C.R.; MEIKAP, B.C. Removal of lead (II) from wastewater by activated carbon developed from Tamarind wood by zinc chloride activation. Chemical Engineering Journal, v.149, p. 249–262, 2009.
AHMED, M. J. e DHEDAN, S. K. Equilibrium isotherms and kinects modeling of methylene blue adsorption on agricultural waste-based activated carbons, 2012. Fluid Phase Equilibria, v.17, p. 9-14, 2012.
CHEN, C.X.; HUANG, B.; LI, T.; WU, G.F. Preparation of phosphoric acid activated carbon from sugarcane bagasse by mechanochemical processing. Bio Resources, v.7, p.5109–5116, 2012.
EL-HENDAWY, A.N.A.; SAMRA, S.E.; GIRGIS, B.S. Adsorption characteristics of activated carbons obtained from corncobs. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 180, p. 209-221, 2001.
GARG, V. K.; GUPTA, R.; YADAV, A. B.; KUMAR, R. Dye removal from aqueous solution by adsorption on treated sawdust. Bioresource Technology, v. 89, p. 121-124, 2003.
GIRGIS, B.S.; YUNIS, S.S.; SOLIMAN, A.M. Characteristics of activated carbon from peanut hulls in relation to conditions of preparation. Mater Lett, v.57, p.164–172, 2002.
INSTITUTO ADOLFO LUTZ. Normas Analíticas do Instituto Adolfo Lutz: métodos químicos e físicos para análise de alimentos, 3. ed. São Paulo: IMESP, v.1, p. 27-28, 1985.
KEQIANG QIU, J.Y. Development of high surface area mesoporous activated carbons from herb residues. Chemical Engineering Journal, v.167, p.148–154, 2011.
LIMA, E.C., ROYER, B., VAGHETTI, J.C.P., SIMONA, N.M., CUNHA, B.M., PAVAN, F.A., BENVENUTTI E.V., CATALUÑA-VESES, R., AIROLD, C., Application of Brazilian pine-fruit shell as a biosorbent to removal ofre active red 194 textile dye from aqueous solution Kinetics and equilibrium study. Journal of Hazardous Materials. v.155, p.536–550, 2008.
LIU, T. Adsorption of methylene blue from aqueous solution by graphene/ Colloids and Surfaces B. Biointerfaces, v.90, p.197– 203, 2012.
MALIK, P. K. Use of activated carbons prepared from sawdust and rice-husk for adsorption of acid dyes: a case study of Acid Yellow 36. Dyes and Pigments, v. 56, p. 239-249, 2003.
MALL, I. D., SRIVASTAVA, V. C., AGARWAL, N. K. “Removal of Orange-G and Methyl Violet dyes by adsorption onto bagasse fly ash – kinetic study and equilibrium isotherm analyses”. Dyes and Pigments, v.69, p. 210-223, 2006.
MARTON, J. M.; FELIPE, M. G. A.; SILVA, J. B. A.; JÚNIOR, A. P. Avaliação de carvões ativos e das condições de adsorção no tratamento do hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana empregando planejamento de experimentos. Revista Analytica, v. 3, p. 45-53, 2003.
MOHAN, D.; SINGH, K. P.; SINGH, V. K.; Wastewater treatment using low cost activated carbons derived from agricultural byproducts--a case study. Journal of Hazardous Materials, v.152, p.1045-1053, 2008.
MORENO-CASTILLA, C. Adsorption of organic molecules from aqueous solutions on carbon materials. Carbon, v.42, p. 83, 2004.
PEREIRA, E.; OLIVEIRA, L. C. A.; VALLONE, A.; SAPAG, K.; PEREIRA, M. Preparação de carvão ativado em baixas temperaturas de carbonização a partir de rejeitos de café: utilização de FeCl3 como agente ativante. Quim. Nova, v. 31, No. 6, p.1296-1300, 2008.
PEREIRA, R. G., VELOSO, C. M., DA SILVA, N. M., DE SOUSA, L. F., BONOMO, R. C. F., DE SOUZA, A. O., DA GUARDA , M. O & FONTAN, R. D. C. I. Preparation of activated carbons from cocoa shells and siriguela seeds using H 3 PO 4and ZnCL as activating agents for BSA and α-lactalbumin adsorption. Fuel Processing Technology, v.126, p.476-486, 2014.
PEZOTI JUNIOR, O., CAZETTA, A. L., GOMES, R. C., BARIZÃO, É. O., SOUZA, I. P., MARTINS, A. C., ASEFA T. & ALMEIDA, V. C. Synthesis of ZnCl activated carbon from macadamia nut endocarp ( Macadamia integrifolia) by microwave-assisted pyrolysis: Optimization using RSM and methylene blue adsorption. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, v.105, p.166-176, 2014.
RAO, R.M. Production of granular activated carbons from select agricultural by-products and evaluation of their physical, chemical and adsorption properties. Bioresource Technology, v. 71, p. 113-123, 2000.
ROCHA, O.R.S.; NASCIMENTO, G. E. DO; CAMPOS, N.F.; VALDINETE LINS DA SILVA; DUARTE, M.M.M.B. Avaliação do processo adsortivo utilizando mesocarpo de coco verde para remoção do corante cinza reativo BF-2R. Química Nova, v. 35, p.1369-1374, 2012.
ROMERO-ANAYA, A.J.; LILLO-RODENAS, M.A.; LECEA, C.S.M.;LINARES-SOLANO, A. Hydro- thermal and conventional H3PO4 activation of two natural bio-fibers. Carbon, v.50, p.3158–69, 2012.
SANTANA, R. S. de. Valorização Química do Soro de Queijo pela Produção Seletiva de Lactitol por Hidrogenação Catalítica da Lactose. 2003. 128p. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Pernambuco, 2003.
TSAI, W.T.; CHANG, C.Y.; WANG, S.Y.; CHANG, C.F.;CHIEN, S.F.; SUN, H.F. Cleaner production of carbon adsorbents by utilizing agricultural waste corn cob. Res Conserv Rec, v.32, p.43–53, 2001.
WEBLEY, P.A.; SUN, Y. Preparation of activated carbons from corncob with large specific surface area by a variety of chemical activators and their application in gas storage. Chemical Engineering Journal, v.162, p. 883-892, 2010.
YAHYA, M.A.; AL-QODAH, Z.; ZANARIAHNGAH, C.W. Agricultural bio-waste materials as potential sustainable precursors used for activated carbon production: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.46, p.218–235, 2015.
YANG, K.; PENG, J.; SRINIVASAKANNAN, C.; ZHANG, L.; XIA, H.; DUAN, X. Preparation of high surface area activated carbon from coconut shells using microwave heating. Bioresour. Technol, v.101, p.6163–6169, 2010.
Patrocinadores
Apoio
Realização
