Estudo da adsorção de azul de metileno por biocarvões preparados a partir da conversão pirolítica da lignina

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Materiais

Autores

Pedroso, J.R. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Penido, E.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS) ; Bianchi, M.L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS)

Resumo

A utilização de diferentes resíduos agroindustriais para produção de biocarvão é uma boa alternativa, pois envolve diversos benefícios ambientais, além de contribuir para valorização e reutilização dos mesmos. Estudos mostram que tratamentos de superfície podem ser realizados, a fim de melhorar as propriedades desses materiais. Desta forma, o presente trabalho teve por objetivo a utilização de lignina kraft de eucalipto na produção de biocarvões, tratados com H3PO4 e Ca(OH)2, aplicados para adsorver azul de metileno em soluções aquosas. Os biocarvões obtidos apresentaram boa capacidade de adsorção para o corante utilizado, destacando-se o biocarvão tratado com H3PO4 (270 mg g-1), o que pode estar relacionado à presença de diferentes grupos funcionais na superfície desse material.

Palavras chaves

RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS; PIRÓLISE; AZUL DE METILENO

Introdução

Grandes quantidades de resíduos são geradas por diversos setores agroindustriais, podendo causar sérios problemas de disposição final e contaminação ambiental (TRIPATHI; SAHU; GANESAN, p. 469, 2016). Como exemplo, é possível destacar a lignina, resíduo oriundo da indústria de papel e celulose. A lignina é uma macromolécula aromática natural, com função de conferir rigidez e resistência aos tecidos vegetais (CHUDAKOV, p. 61, 1961). Uma alternativa para reaproveitamento e agregação de valor a esse resíduo é a pirólise. No processo, realizado em ambiente livre de oxigênio a temperaturas igual ou superiores a 300 °C, a matéria orgânica decompõe-se em gases não condensáveis, líquidos orgânicos condensáveis e um sólido carbonáceo, denominado biocarvão (CROMBIE; MASEK, p. 349, 2015). Biocarvões possuem potencial para melhorar a produtividade do solo, remediar ambientes contaminados (FIGUEIREDO et al, p. 396, 2017) e remover corantes a partir de soluções aquosas, como por exemplo, os corantes presentes em efluentes de indústrias têxteis (MAHMOUD et al, p. 449, 2012). Além disso, estudos mostram que diferentes tratamentos podem ser aplicados a esses materiais, melhorando suas propriedades de superfície e porosidade (GODINO-SALIDO et al, p. 3781, 2009). A utilização de lignina para produção de biocarvão tratado com diferentes reagentes e sua aplicação em processos de adsorção é uma boa alternativa, dado que essa estratégia envolve diversos benefícios ambientais, proporcionando a valorização de subprodutos. Sendo assim, o presente trabalho tem por objetivo produzir biocarvões a partir da lignina oriunda da indústria de papel e celulose, bem como estudar a eficiência desses materiais na adsorção de corante em soluções aquosas.

Material e métodos

A lignina foi fornecida pela Suzano Papel e Celulose e obtida por meio da precipitação ácida do licor negro da polpação kraft de eucalipto. Foram produzidos três biocarvões: biocarvão de lignina (BL), biocarvão de lignina tratada com ácido fosfórico (BL-H3PO4) e biocarvão de lignina tratada com hidróxido de cálcio (BL-Ca(OH)2). A lignina foi seca em estufa a 60 °C por 24 h e impregnada com H3PO4 ou Ca(OH)2 (razão de 1/2, H3PO4 ou Ca(OH)2/massa lignina). A mistura foi seca durante 24 h a 60 °C em estufa e em seguida iniciou-se a conversão pirolítica, que ocorreu em forno tubular e reator de cerâmica, em atmosfera inerte (N2). Os ensaios foram realizados na temperatura de 300 ºC durante 1h, com taxa de aquecimento de 10 ºC min-1 e vazão de gás de 50 mL min-1. Os biocarvões resultantes foram lavados até pH neutro. Realizaram-se estudos de variação de pH para 10 mL de solução aquosa de azul de metileno (AM) de concentração correspondente a 250 mg L-1, com 0,01 g de biocarvão, utilizando cinco valores de pH (2, 4, 6, 9 e 11) que foram corrigidos com soluções de HNO3 ou NaOH. Os testes de cinética e as isotermas de adsorção foram realizados a temperatura ambiente, para os quais também foram utilizados 0,01 g de biocarvão para 10 mL de AM, em diferentes concentrações (20; 50; 100; 250 e 500 mg L-1) aplicando o melhor pH, obtido de acordo com o estudo de variação de pH. Após agitação, as amostras foram separadas do biocarvão por meio de filtração e as soluções analisadas por espectroscopia de UV-vis (AJX 3000 PC). Isotermas de adsorção foram construídas para os modelos de Langmuir e Freundlich a fim de avaliar a capacidade máxima de adsorção. Os materiais foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) (Varian 600 IR).

Resultado e discussão

Por meio da Figura 1 verificam-se bandas largas características de O-H em ~3600-3400 cm-1, mais intensas para a lignina e BL. Bandas de C-H de aromáticos em ~3000 cm-1 e vibração de alongamento C=C das estruturas do anel benzênico em ~1600 cm-1, presentes em todas as amostras, estão relacionadas à estrutura da lignina, caracterizada como uma substância amorfa e aromática (GABOV et al, p. 10763, 2014). Para a lignina e BL observam-se em ~1250 e 1100 cm-1 bandas correspondentes a C-O de ácidos carboxílicos e fenóis, respectivamente (GABOV et al, p. 10763, 2014). Para BL-H3PO4 notam-se bandas em ~1100 cm-1 referentes a P-O de fosfato, em ~770 e 720 cm-1 atribuídas ao estiramento P-O-P e em ~550 cm-1 a P-O ou P=O (BEKIARIS et al, p. 49, 2016). O espectro de FTIR não revelou informações significativas sobre as alterações causadas no material pelo tratamento com Ca(OH)2. O melhor pH para retenção de AM pelos biocarvões foi de ~8 (Figura 2A). Em pH ~4 observa-se uma diminuição na capacidade de adsorção para todos os biocarvões, o que mostra uma possível competição pelos sítios ativos entre os íons H+ em solução e as moléculas de azul de metileno (SCOTTI et al, p. 208, 2006). Todas as isotermas referentes aos biocarvões ajustaram-se melhor ao modelo de Languimuir. BL-H3PO4 apresentou maior capacidade máxima de adsorção (270 mg g-1). Isso porque o tratamento com H3PO4 promoveu mudanças favoráveis na superfície, com a presença de grupos fosfatos que podem ter contribuído para a retenção de AM. As capacidades máximas de adsorção para BL e BL-Ca(OH)2 foram de 10,3 mg g-1 e 68,9 mg g-1, respectivamente. Para o teste de cinética obteve-se que a adsorção de AM pelos biocarvões produzidos ocorre preferencialmente nos primeiros 150 min. Após esse tempo não ocorre mais adsorção.

Espectros de infravermelho FTIR obtidos para a lignina e biocarvões.


Porcentagem de remoção de AM (250 mg g-1) pelos biocarvões em diferentes pHs e isotermas de adsorção em pH=8 para BL; BL-H3PO4 e BL- Ca(OH)2.

Conclusões

Os biocarvões produzidos a partir da lignina representaram uma boa alternativa para reutilização e valorização desse resíduo, já que todos os materiais obtidos mostraram-se eficazes na remoção de AM em soluções aquosas. O biocarvão tratado com H3PO4 apresentou melhor capacidade de adsorção para o corante utilizado, o que pode estar relacionado à sua química de superfície. A caracterização por FTIR evidenciou os principais grupos de superfície, como grupos aromáticos e com fósforo.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Universidade Federal de Lavras (UFLA), ao CAPQ-UFLA, à CAPES, ao CNPq e à FAPEMIG.

Referências

BEKIARIS, G., BRUUN, S.; PELTRE, C., HOUOT, S.; JENSEN, L. S. FTIR–PAS: A powerful tool for characterising the chemical composition and predicting the labile C fraction of various organic waste products. Waste Management, v. 39, 45-56, 2015.

CHUDAKOV, M .I. Lignin. Russian Chemical Reviews, v. 30, 62-78, 1961.

CROMBIE, K.; MASEK, O. Pyrolysis biochar systems, balance between bioenergy and carbon sequestration. GCB Bioenergy, v. 7, 349-361, 2015.

FIGUEREDO, N. A.; COSTA, L. M.; MELO, L. C. A.; SIEBENEICHLERD, E. A.; TRONTO, J. Characterization of biochars from different sources and evaluation of release of nutrients and contaminants. Revista Ciência Agronômica, v. 48, 395-403, 2017.

GABOV, K.; GOSSELINK, R. J. A.; SMEDS, A. I.; FARDIM, P. Characterization of Lignin Extracted from Birch Wood by a Modified Hydrotropic ProcessAgric. Food Chemistry, v. 62, 10759-10767, 2014.

GODINO-SALIDO, M. L.; LÓPEZ-GARZÓN, R.; ARRANZ-MASCARÓS, P., GUTIÉRREZ-VALERO, M. D.; SANTIAGO-MEDINA, A.; GARCÍA-MARTÍN, J. Study of the adsorption capacity to Co2+, Ni2+ and Cu2+ ions of an active carbon/functionalized polyamine hybrid material. Polyhedron, v. 28, 3781-3787, 2009.

MAHMOUD, D. K.; SALLEH, M.A.M.; KARIM, W; IDRIS, A.; ABIDIN, Z.Z. Batch adsorption of basic dye using acid treated kenaf fibre char: equilibrium, kinetic and thermodynamic studies. Chemical Engineering Journal, v.181, 449-457, 2012.

SCOTTI, R.; LIMA, E. C.; BENVENUTTI, E. V.; PIATNICKI, C. M. S.; DIAS, S. L. P.; GUSHIKEM, Y.; KUBOTA, L. T. Azul de metileno imobilizado na celulose/tio2 e sio2/tio2: propriedades eletroquímicas e planejamento fatorial. Química Nova, v. 29, 208-212, 2006.

TRIPATHI, M.; SAHU, J. N.; GANESAN, P. Effect of process parameters on production of biochar from biomass waste through pyrolysis: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 55, 467-481, 2016.