Modelos cinéticos para a adsorção de íons Ca2+ em carvão ativado proveniente do caroço da pitomba (Talisia Esculenta)

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Química Inorgânica

Autores

Mendonça, J.C. (IFMA) ; Cantanhede, L.B. (IFMA/CAMPUS CODÓ) ; Rojas, M.O.A.I. (IFMA/CAMPUS CODÓ)

Resumo

A busca por materiais adsorventes alternativos para íons metálicos em meio aquoso é cada vez mais crescente. Nessa mesma tendência, este trabalho busca investigar a cinética de adsorção do carvão ativado do caroço da pitomba (Talisia Esculenta) - CAP1, quimicamente modificado com H3PO4, como adsorvente alternativo para cátions divalentes Ca2+. A quantificação de íons cálcio foi feita por titulação complexiométrica com EDTA 0,01 mol/L. A adequação dos dados aos modelos cinéticos mostrou que o CAP1 se adequa aos modelos cinéticos de pseudo-segunda ordem (R=0,996), com K=0,00625 g/(mg/min), que controla as primeiras etapas do processo adsorção e também se adequa ao modelo cinético de difusão intrapartícula (R=0,998) que regula a etapa determinante da adsorção (K=0,071 g/(mg/min-1/2).

Palavras chaves

Adsorção; Cinética; Carvão Ativado

Introdução

Estudos mostram que a falta de agua limpa afeta principalmente áreas rurais dos países mais pobres e também países de economias emergentes (FU, QI, 2011). Existe uma variedade de métodos químicos e materiais utilizados para a remoção de contaminantes metálicos em sistemas aquáticos. Os carvões ativados quimicamente, provenientes de materiais lignocelulósicos, podem ser uma alternativa inovadora para o tratamento de efluentes industriais contaminados tanto por metais de transição quanto por corantes. A eficiência do processo de adsorção irá depender do tipo de mecanismo e as etapas controladoras do processo, que incluem transferência de massa. Alguns modelos cinéticos têm sido desenvolvidos para modelar os dados experimentais como forma de compreender as etapas do processo adsortivo (YAHYA, AL-QODAH, NGAH, 2015). A cinética de pseudo-primeiro ordem, foi umas das primeiras equações de taxa estabelecidas para adsorção em superfícies sólidas em um sistema de adsorção sólido/líquido e está baseada na capacidade de adsorção do sólido (HASHEM, EL-KHIRAIGY, 2013), a cinética de pseudo-segunda ordem é baseado na capacidade de adsorção da fase sólida e relata o comportamento do processo em toda a faixa de tempo de contato (QIU, et al, 2009). Já a teoria de difusão intrapartícula assume que a difusão do filme líquido que cerca o adsorvente é desprezível e a difusão intrapartícula é a única taxa que controla as etapas do processo de adsorção (PRIYANTHA, BANDARANAYAKA, 2011). Neste trabalho busca-se investigar a cinética de adsorção de íons cálcio (Ca2+) em carvão ativado quimicamente do caroço da pitomba com o ajuste dos dados experimentais aos modelos de pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e de difusão intrapartícula.

Material e métodos

O carvão ativado utilizado nos testes de adsorção, teve sua a matéria prima oriunda de feiras da cidade de São Luís – MA. Em seguida, o caroço da pitomba foi seco em estufa a uma temperatura de 100°C por 24 horas, triturado em moinho de rotor tipo ciclone (TE-651/2) e colocado em contato com o agente ativante H3PO4 (1,0 mol/L) na proporção de 1:1 por 24 horas. A pirolise foi realizada em forno Mufla Digital Microprocessado 2000-C. A taxa de aquecimento foi de 3,9°C/min até atingir a temperatura de 350 °C e tempo de patamar de 90 minutos. O passo seguinte foi a lavagem do carvão com água destilada até que o pH do sobrenadante atingisse o pH da água destilada utilizada (pH = 5,9). Em seguida, o carvão foi seco em estufa por 1 hora à 100°C, triturado em almofariz até que sua granulometria chegasse a cerca de ≤ 150 µm). Após a etapa de queima e lavagem, obtêm-se o carvão ativado do caroço de pitomba, denominado CAP1. O estudo da cinética foi conduzido em sistema de batelada. Em vários erlenmeyers de 250 mL, contendo 0,10 g do adsorvente, foram adicionados 100 mL de solução de íons Ca2+ em concentração de 400 mg/L, em pH=7 e a temperatura de 25°C. Esse sistema ficou sob agitação constante durante intervalos de tempo de 5 a 60 min. Para cada tempo foram retiradas alíquotas de 25 mL e o teor de íons Ca2+ foi quantificado por titulação complexométrica com EDTA 0,001 mol/L, em meio aquoso utilizando o indicador preto de eriocromo T. Os dados experimentais obtidos com as reações de adsorção foram ajustados aos modelos cinéticos pseudoprimeira ordem (log(qe –qt) versus t.), pseduosegunda ordem (t/qt versus t) e difusão intrapartícula (qt versus t1/2) (DEEPAK, VARSHA e YOGESH, 2014).

Resultado e discussão

A Tabela 01 apresenta os valores das constantes de velocidades, coeficientes de correlação para os modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e o modelo de difusão intrapartícula. Observando os coeficientes de correlação dos modelos cinéticos, pode-se notar que o modelo de pseudo-segunda ordem foi muito mais bem descrito (0,996), apesar do valor de qe cal ter ficado acima do qe exp. O valor do coeficiente de correlação do modelo de difusão intrapartícula também se mostrou favorável (0,998), logo o processo adsortivo do carvão ativado do caroço de pitomba apresenta uma multilinearidade, o que sugere duas ou mais etapas são determinantes para o mecanismo de adsorção. A Figura 1 representa os modelos cinéticos de pseudo-segunda ordem e de difusão intrapartícula. A primeira etapa é a adsorção de superfície, onde a taxa de adsorção é máxima, no tempo de 5 minutos, a segunda etapa é adsorção gradual, onde a difusão intrapartícula é limitada, após o tempo de 30 minutos temos o equilíbrio de processo, então pode-se afirmar que a adsorção de íons cálcio envolveu mais de um processo. Logo na primeira e segunda etapa temos que predominantemente a cinética do carvão é melhor descrita pelo modelo de pseudo-segunda ordem, já na terceira etapa a adsorção de íons Ca2+ ocorre nas camadas internas do adsorvente de forma mais lenta, sendo assim o modelo cinético de difusão intrapartícula como o passo limitante do mecanismo.

Valores dos modelos cinéticos de pseudoprimeira ordem e pseudosegunda ordem para remoção de Ca2+ a partir da adsorção do CAP1.


Modelo cinético pseudosegunda ordem (a) e difusão intrapartícula (b) para remoção de íons Ca2+ em CAP1. T=25ºC.

Conclusões

A cinética de adsorção do carvão ativado do caroço de pitomba apresentou uma multilinearidade, tendo que em suas primeiras etapas o modelo cinético de pseudo-segunda ordem como o que melhor descreve o processo adsortivo, predominância de quimissorção, em sua etapa final o modelo de difusão intrapartícula como passo determinante da taxa de velocidade da adsorção de íons cálcio ao carvão produzido. Os valores dos coeficientes de correlação próximos do ideal, mostram que os modelos cinéticos aplicados, podem descrever o estudo cinético para o carvão de pitomba deforma satisfatória.

Agradecimentos

Ao Grupo de Estudos em Inorgânica e Catálise do Maranhão - GEIC, ao Programa de Pós-Graduação em Química do IFMA e à FAPEMA, pela bolsa concedida (BM 02679/16).

Referências

DEEPAK, Gusain; VARSHA, Srivastava; YOGESH, Chandra Sharma. Kinetic and thermodynamic studies on the removal of Cu(II) ions from aqueous solutions by adsorption on modified sand. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. V. 20. p. 841-847. maio. 2014.

FU, F. and QI, W. Removal of Heavy Metal Ions from Wastewaters: A Review. Journal of Environmental. 2011

HASHEM, A. and EL-KHIRAINGY, K. Bioadsorption of Pb(II) onto Anethum graveolens from Contaminated Wastewater: Equilibrium and Kinetic Studies. Journal of Environmental Protection, 4, 108-119. 2013.

PRIYANTHA, N. and BANDARANAYAKA, A. Investigation of Kinetics of Cr(VI)-Fired Brick Clay Interaction. Journal of Hazardous Materials, 188, 193-197. 2011.

QIU, H., LV, L., PAN, B.-C., ZHANG, Q.-J., ZHANG, W.-M. and ZHANG, Q.-X. Critical Review in Adsorption Kinetic Models. Journal of Zhejiang University Science A, 10, 716-724. 2009.

YAHYA, M. A; AL-QODAH, Z; NGAH, C.W.Z. Agricultural bio-waste materials as potential sustainable precursors used for activated carbon production: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 46. 218–235, 2015.