Obtenção e caracterização de biossorvente a partir de resíduos agroindustriais (caroço de cajá (Spondias spp.)) para remoção de metais em meio aquoso.

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Materiais

Autores

de Santana Santos, A. (UFBA) ; Oliveira de Souza, A. (UESB)

Resumo

Os resíduos da agroindústria têm atraído grande atenção, pois além de serem obtido em grandes quantidades e sem custos, o seu reaproveitamento evita problemas de acumulação no meio ambiente. Objetivou-se neste trabalho desenvolver um biossorvente de baixo custo a partir do caroço do cajá (BCC) para remoção de metais em meio aquoso. O material foi caracterizado a partir da determinação da composição química, análise térmica (TG e DTA), espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados, ainda que preliminares, evidenciam que o BCC pode ser um material promissor, tendo em vista a presença de lipídios, proteínas e carboidratos totais em sua estrutura, que favorecem a adsorção destes contaminantes.

Palavras chaves

Biomassa; Resíduo agroindustrial; Biossorvente

Introdução

Uma grande preocupação, nos recentes anos, se diz respeito à poluição ao meio ambiente. O aumento das atividades industriais tais como galvanoplastia, curtumes, indústria de acabamento de metal, atividades de mineração e indústria de tintas têm intensificado os problemas ambientais através da deterioração da fauna e flora. Nestes processos industriais é comum a utilização de elementos-traços, tais como chumbo, cobre, níquel, arsênio e cromo, que exigem maior atenção em função de sua toxicidade e capacidade de bioacumulação. A presença dos referidos elementos em efluentes pode promover sérios problemas ambientais com possíveis efeitos negativos para a saúde humana, como várias doenças e distúrbios fisiológicos (BULUT e BAYSAL, 2006). Os principais problemas de saúde frequentemente reportadas na literatura são: câncer, problemas respiratórios, propriedades mutagênicas e náuseas e vômitos (BLÁZQUEZ et al, 2009). Diversas metodologias convencionais são, frequentemente, empregadas para o tratamento das áreas contaminadas por elementos-traço, entre elas incluem: precipitação química e eletroquímica, redução e oxidação química, filtração, troca iônica, tratamento eletroquímico, dentre outras. Contudo, várias desvantagens inviabilizam a utilização de algumas destas técnicas em larga escala. Dentre as principais desvantagens estão à remoção incompleta do metal, além de exigir equipamentos e sistema de monitoramento caros e, em alguns casos, necessitam de muitos reagentes, o que culmina com a geração de resíduos tóxicos ou outros produtos que exigem tratamento (DEMIRAL, 2008). Dessa forma, metodologias alternativas que não necessitem de grandes investimentos em equipamentos, solventes e matéria-prima em geral, têm ganhado bastante destaque no cenário atual. Por outro lado, o baixo custo deve estar atrelado à eficiência da metodologia proposta, que perpassa, dentre outros fatores, no tratamento efetivo, rapidez na análise e possibilidade de realização em grande escala. Em função disso, as atenções são voltadas para resíduos sólidos da agricultura como cascas e caroços, madeiras, bagaços (LUA e GUO, 2001), com os quais se produz biossorvente e carvão ativado com sucesso comprovado em testes de laboratório. Os resíduos da agroindústria têm despertado grande interesse, pois são constituídos de lignina, celulose, hemicelulose, lipídeos, proteínas, açúcares, água, substrato lignocelulósico e muitos outros compostos possuindo uma grande variedade de grupos funcionais sendo estes resíduos matérias-primas lignocelulósicas mais abundantes na natureza (CASTRO e PEREIRA, 2010). A literatura tem reportado vários adsorventes que foram desenvolvidos para remoção de elementos-traço, tais como: caroço de azeitonas, serragem, folhas de pinheiro, cascas de amêndoa, folhas de cactos, carvão vegetal utilizado, casca de avelã, carvão vegetal da casca do coco, casca de banana, alga verde, resíduos de maçã, levedura de cerveja, resíduos da palha do arroz, dentre outros (LIU et al, 2013). As principais vantagens dos métodos alternativos, como por exemplo, a biossorção, sobre os métodos convencionais de tratamento incluem: baixo custo, alta eficiência, minimização de lodo químico e biológico, não requer nutriente adicional, regeneração do biossorvente e possibilidade de recuperação do metal (SUD, MAHAJAN e KAUR, 2008). Já as principais vantagens da biossorção sobre os métodos convencionais de tratamento incluem: baixo custo, alta eficiência, minimização de lodo químico e biológico, não requer nutriente adicional, regeneração do biossorvente e possibilidade de recuperação do metal (SUD, MAHAJAN e KAUR, 2008). O objetivo deste trabalho foi utilizar o caroço do cajá (Spondias spp), proveniente do processamento do fruto na agroindústria, para produzir e caracterizar um biossorvente de baixo custo para a remoção de metais em meio aquoso.

Material e métodos

Os resíduos do cajá foram cedidos por uma empresa de produção de polpa de frutas localizada na região Sudoeste da Bahia. O resíduo do cajá inclui os caroços e cascas. As cascas e fragmentos da polpa foram desprezados. Os resíduos ainda úmidos foram levados ao laboratório e, então, lavados com água deionizada para separação dos caroços e estes foram secos ao sol, depois peneirados para retirada completa de resíduos da polpa. Após a etapa anterior, os caroços do cajá foram secos em estufa com circulação de ar da marca Marconi por 24 horas e moídas em moinho de facas com 2 mm de abertura. O resíduo foi peneirado para obtenção de granulometria menor (Peneira padrão ABNT – 18 mesh). Foi criada uma nomenclatura que será utilizada nas fases subsequentes deste trabalho. Assim, ao se referir ao termo “biossorvente proveniente do caroço do cajá” será utilizado o acrônimo BCC. A composição química do BCC foi determinada a partir da quantificação dos principais constituintes químicos presentes na estrutura da biomassa. Nesse sentido, foram quantificados os teores de umidade, lipídeos, cinzas, proteína bruta e carboidratos totais. Para determinação do teor lipídeos foi adotada a metodologia descrita na literatura (BLIGH e DYER, 1959) e as demais medidas foram conduzidas de acordo com as normas analíticas do Instituto Adolfo Lutz (INSTITUTO ADOLFO LUTZ, 2004). A obtenção de espectros através da espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier foi através de um Espectrômetro Spectrum UATR TWO – Faixa espectral de 4000 a 450 cm-1 (Perkin Elmer) e obtenção de curva de análise termogravimétrica (TG) desde a temperatura de 25 ºC até 1000 ºC, em Termobalança Shimadzu TGA- 50, com sensibilidade de 0,1 µg usando atmosfera inerte (nitrogênio) vazão de 50 mL min-1. Essa análise foi realizada para obtenção de macro componentes: hemicelulose, celulose e lignina presentes na biomassa, segundo o método de deconvolução da derivada da curva termogravimétrica. A obtenção de imagem em MEV foi realizada em Microscópio Eletrônico de Varredura JEOL JSM 6610 LV, com recobrimento da amostra com ouro.

Resultado e discussão

COMPOSIÇÃO QUÍMICA De acordo com os resultados de composição química para os parâmetros analisados, verificou-se que os teores de umidade e cinzas foram baixos (9,150 % e 0,450 %, respectivamente), e dessa forma, pode-se inferir que o BCC é um bom material carbonáceo com potencial para ser utilizado como precursor na produção de carvão ativado, pois sua composição é basicamente formada por material lignocelulósico. A presença de proteínas, gorduras e carboidratos (15,690 %, 1,004 % e 73,706 %, respectivamente) sugere que o material em estudo poderá ser um bom adsorvente considerando a disponibilidade de grupos funcionais importantes como carboxilas e hidroxilas. ESPECTROSCOPIA NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO COM TRANSFORMADA DE FOURIER – FTIR O espectro FTIR obtido para o BCC é apresentado na Figura 1. O espectro de FTIR foi importante para identificar os principais grupos funcionais presentes na superfície da biomassa. Notou-se uma banda larga centrada em torno de 3300 cm-1 que pode ser atribuída aos estiramentos da ligação O-H (álcool, fenol e ácido carboxílico) devido à interações inter e intramoleculares como consequência de deformações de ligações de hidrogênio e/ou estiramentos N-H associados à presença de grupos amino (CHAND et al, 2009), tendo em vista a presença de proteínas na composição química do BCC. Esta banda também pode ser atribuída aos estiramentos intermoleculares de ligações O-H proveniente de componente celulósico presente na biomassa (POPESCU et al, 2007). Verificou-se também bandas de pequena intensidade em torno 2915 cm-1 o que pode indicar a presença de estiramento C-H do grupo CH2 referente ao componente lipídico da amostra, além de ser um indicativo da presença de lignina. A banda que aparece em 1617 cm-1 é característica de estiramentos vibracionais da carbonila (estiramento de C=O em COO-) (VARGA et al, 2013). No caso da amostra em estudo, é possível que a referida banda seja referente às vibrações de estiramento da ligação C=O da carbonila, que faz parte da estrutura das proteínas e dos ácidos graxos da fração lipídica. É possível observar a presença de bandas de pouca intensidade na região 1430-1360 cm-1 que é um indicativo da presença de deformação angular no plano da ligação O-H. Desta forma, a presença de fenol é representada pela banda próximo de 1370 cm-1 que pode ser relacionada à Ar(OH) (VARGA et al, 2013). A banda em 1370 cm-1 pode ser atribuída à presença de ligações CH em celulose e hemicelulose (POPESCU et al, 2007). As absorções em 1260 cm-1 e 1230 cm-1 podem ser atribuídos ao estiramento C-O de fenol (COATES, 2000). A banda intensa e relativamente larga que aparece em 1030 cm-1 pode ser atribuída à presença de estiramentos da ligação C-O em compostos lignocelulósicos (POPESCU et al, 2007). Esta banda justifica ainda não só o grande teor de carboidratos totais, evidenciado na composição química, mas também a presença de ligninas na biomassa. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA De acordo com o resultado de análise termogravimétrica (Figura 2 (a)), foi possível verificar os comportamentos térmicos dos macrocomponentes que constituem a biomassa (hemicelulose, celulose e lignina), que se degradam em temperaturas distintas. A hemicelulose demonstrou ser o macrocomponente mais sensível à temperatura, degradou no intervalo de temperatura de 200 e 300°C, temperatura mássica de aproximadamente 235ºC. O segundo estágio de grande perda de massa foi observado na faixa de 220 e 380°C e pode ser atribuído à decomposição da celulose presente na biomassa, cuja temperatura mássica foi de 301°C. O terceiro estágio de decomposição ocorreu entre 380 a 600°C (temperatura mássica 407ºC). Este terceiro evento de perda de massa pode ser associado à degradação térmica da lignina levando a produção de carvão. Acima de 650ºC, a curva de perda de massa não exibiu mais nenhum evento térmico, indicando a estabilidade térmica da estrutura carbonácea formada. Para temperaturas maiores que 300ºC, menor é a probabilidade da ocorrência de hemicelulose na composição da biomassa, predominando apenas a celulose e lignina. As faixas de decomposições dos macronutrientes do BCC foram obtidas a partir da deconvolução da análise termogravimétrica. Os intervalos relacionados com a decomposição dos macronutrientes estão representados na Figura 2 (a). Como pode ser observado, a decomposição ocorre em três estágios, referente à hemicelulose, celulose e lignina. A menor perda de massa (4,52 %) ocorre próximo a 250º C e é referente à hemicelulose. Logo em seguida verifica-se a maior perda de massa (56,95 %) referente à celulose, que ocorre em uma temperatura de aproximadamente 300 ºC. Em uma temperatura próxima a 400 ºC ocorre a perda de massa (38,53 %)referente à lignina. MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA A morfologia do BCC foi observada através de MEV (Figura 2 (b)) com aumento de 200 vezes, mostrando diversos poros disponíveis que podem atuar como centros ativos para a adsorção de metais através das bandas evidenciadas através do FTIR.

Espectro na região do infravermelho do BCC.


(a) análise termogravimétrica (b) imagem de MEV do BCC.

Conclusões

Foi possível produzir um biossorvente através de uma metodologia simples utilizando biomassa a partir de caroços de cajá oriundos de resíduos da agroindústria para a remoção de metais em meio aquoso. Tal material apresentou características como a presença de lipídios, proteínas e carboidratos totais, que através do espectro FTIR foram evidenciadas com as bandas características de grupos funcionais -OH, -COOH e –NH2, responsáveis pela atração eletrostática de espécies em meio aquoso. Os eventos térmicos evidenciados através da análise térmica sugerem que o biossorvente proveniente do caroço do cajá é constituído de lignina, celulose e hemicelulose, que possuem uma grande variedade de grupos funcionais importantes para a adsorção de metais em meio aquoso. A disponibilidade de sítios disponíveis na estrutura da biomassa mostrados através da imagem de MEV é bastante vantajoso, pois pode favorecer o processo de adsorção. Diante de todas essas características é possível afirmar que o BCC pode ser um material promissor para a remoção de metais em meio aquoso, tendo em vista o baixo custo e facilidade de obtenção.

Agradecimentos

Os autores agradecem a UESB e a CAPES pela bolsa de estudos concedida.

Referências

BLÁZQUEZ, G. et al. The effect of pH on the biosorption of Cr (III) and Cr (VI) with olive stone. Chemical Engineering Journal. Vol. 148, p. 473-479, 2009.
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