Remoção de metais pesados pelo compósito magnético de hidrotalcita modificada com ácido húmico: Estudo de cinética e equilíbrio termodinâmico

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Ambiental

Autores

Balbino, T.A.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Bellato, C.R. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; da Silva, A.D. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Marques Neto, J.O. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA)

Resumo

Neste trabalho foi sintetizado e avaliado o compósito magnético de hidrotalcita modificada com ácido húmico (HT-AH/Fe) na remoção de Cu2+, Pb2+, Cd2+ e Hg2+ de solução aquosa. Os parâmetros cinéticos e termodinâmicos de adsorção dos metais pela HT-AH/Fe foram determinados. O modelo cinético de pseudo-segunda ordem se ajustou aos dados experimentais e o modelo de Langmuir indicou que a adsorção ocorre em monocamada. As capacidades de adsorção máximas (Qmáx) da HT-AH/Fe obtida em pH 5,0 e dosagem 1,0 g L-1 para Cu2+, Pb2+, Cd2+ e Hg2+ foram de 170,95, 397,82, 196,70 e 174,52 mg g-1, respectivamente. Estudos termodinâmicos sugeriram que o processo é espontâneo, endotérmico e de natureza química. A HT-AH/Fe mostrou-se eficiente para ser utilizada na remoção de metais de solução aquosa.

Palavras chaves

adsorção; metais pesados; hidróxido duplo lamelar

Introdução

A poluição por metais pesados é um dos mais importantes problemas ambientais da atualidade. Dentre os métodos mais comuns aplicados para a remoção dos metais de soluções aquosas, a adsorção é um método simples, rápido e de baixo custo, principalmente quando associada à tecnologia de separação magnética (ADELI et al., 2017). Segundo o CONAMA (2011) os níveis máximos permissíveis de Cu2+, Pb2+, Cd2+ e Hg2+ em águas são 1,0; 0,5; 0,2 e 0,01 mg L-1, respectivamente. Assim, para cumprir as exigências ambientais e preservação da qualidade da água é fundamental o tratamento de águas contaminadas por estes metais antes de seu descarte. Os Hidróxidos Duplos Lamelares (HDLs) são hidróxidos metálicos mistos e possuem a fórmula geral expressa por [M1-x2+Mx3+(OH)2]x+Ax/nn-.mH2O, onde An- representa um ânion de carga n e x é a razão entre os cátions di e trivalente (TOLEDO et al., 2013; TOLEDO et al., 2011). A principal classe dos HDLs são as hidrotalcitas (HT), que possuem como cátion divalente o Mg2+ e como cátion trivalente o Al3+ (LAZARIDIS et al., 2003). Os ácidos húmicos (AH) são polímeros naturais que podem se ligar a cátions metálicos promovendo a sua retenção e mobilidade devido a formação do complexo metal-ácido húmico (PEREIRA et al., 2013). Os grupos funcionais dos ácidos húmicos podem interagir com cátions metálicos. A incorporação de ânions orgânicos de ácido húmico (AH) à hidrotalcita (HT) pode ocorrer por adsorção superficial ou por troca iônica de íons cloreto da intercamada (GONZÁLEZ et al., 2014). No presente estudo foi sintetizado um compósito de hidrotalcita (HT) modificada com ácido húmico (AH) e com propriedades magnéticas. O objetivo foi avaliar a eficiência da HT-AH/Fe na adsorção dos metais Cu2+, Pb2+, Cd2+ e Hg2+ de solução aquosa.

Material e métodos

A HT-AH foi obtida pelo método de coprecipitação a pH variável, no qual uma solução aquosa (100 mL) com 0,06 mol de MgCl2.6H2O e 0,02 mol de AlCl3.6H2O (razão Mg/Al = 3) foi gotejada a 1 mL min-1 em uma solução alcalina (500 mL) com 0,16 mol de NaOH, razão mássica de AH:Mg igual a 5:1 (m/m) e atmosfera de N2 (BRUNA et al., 2012; MIRANDA et al., 2014). Na síntese do compósito magnético HT-AH/Fe utilizou-se quantidade de óxido de ferro igual a 2,5% (m/m) em relação à massa de HT-AH (TOLEDO et al., 2013). Os experimentos foram realizados utilizando-se 10 mg da HT-AH/Fe em contato com 10 mL de solução aquosa (dosagem 1,0 g L-1) em pH 5,0, contendo 1,0 mM dos metais Cu2+, Pb2+, Cd2+ e Hg2+. Foram retiradas alíquotas do sobrenadante em diferentes períodos de tempo (15-720 minutos), determinando a concentração dos cátions metálicos a 25 °C. Assim, os resultados das concentrações dos metais em função do tempo permitiram avaliar as características cinéticas do processo de adsorção. Nos estudos das isotermas de equilíbrio, o adsorvente HT-AH/Fe foi mantido em contato com soluções dos cátions em diferentes concentrações (0,1-4,0 mM) em banho termostatizado por 24 h. A avaliação do efeito da temperatura no processo de adsorção foi feita por meio de isotermas realizadas em 25, 30, 35 e 40 °C. Todos os ensaios foram realizados em duplicatas e as concentrações dos cátions Cu2+, Pb2+, Cd2+ e Hg2+ foram determinadas por Espectrometria de Absorção Atômica.

Resultado e discussão

Os modelos cinéticos estudados neste trabalho foram o pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e difusão intrapartícula. Na Figura 1 observa-se que o modelo cinético de pseudo-segunda ordem se ajustou melhor aos dados experimentais com valores de R2 > 0,984. As diferenças entre os valores obtidos experimentalmente (qe(exp)) e os calculados (qe(cal)) para as capacidades de equilíbrio de adsorção foram inferiores a 10%. Portanto, este modelo descreve satisfatoriamente o processo de adsorção de Cu2+, Pb2+, Cd2+ e Hg2+ na HT-AH/Fe. Segundo as isotermas de equilíbrio, o modelo de Langmuir foi o que melhor se ajustou aos dados experimentais com valores de R2 > 0,980, indicando uma adsorção homogênea, ou seja, em monocamada (GUSMÃO et al., 2013). Os valores de Qmáx para a HT-AH/Fe na adsorção de Cu2+, Pb2+, Cd2+ e Hg2+ foram de 170,95, 397,82, 196,70 e 174,52 mg g-1, respectivamente. Os parâmetros termodinâmicos são mostrados na Tabela 1. Os valores negativos de variação de energia livre de Gibbs (ΔG°) sugerem que o processo de adsorção é espontâneo e termodinamicamente favorável. Os valores de variação de entalpia (ΔHº) positivos e superiores a 20 KJ mol-1 indicam que a interação dos metais com a HT-AH/Fe é um processo endotérmico e de natureza química. Os valores positivos de variação de entropia (ΔSº) mostram a afinidade da HT-AH/Fe pelos íons metálicos (GONZÁLEZ et al., 2015).

(A) Modelo pseudo-primeira ordem, (B) Pseudo- segunda ordem, (C) Difusão intrapartícula e (D) Parâmetros cinéticos de adsorção dos metais em HT-AH/Fe.


Parâmetros termodinâmicos da adsorção de Cu2+, Pb2+, Cd2+ e Hg2+ em HT-AH/Fe.

Conclusões

O novo compósito HT-AH/Fe foi utilizado na adsorção de Cu2+, Pb2+, Cd2+ e Hg2+ de solução aquosa. A adsorção dos metais seguiu o modelo cinético de pseudo- segunda ordem. O modelo de Langmuir se ajustou bem aos dados, indicando que a adsorção ocorre em monocamada. A HT-AH/Fe se mostrou com elevada Qmáx para Cu2+, Pb2+, Cd2+ e Hg2+, quando comparado com outros trabalhos da literatura. Os parâmetros termodinâmicos indicaram que o processo é espontâneo, endotérmico e de natureza química. As altas capacidades de adsorção e a tecnologia magnética torna a HT-AH/Fe viável na adsorção de metais.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio financeiro da FAPEMIG (Demanda Universal, processo No. APQ 00445-14), CNPq e CAPES.

Referências

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