Otimização do processo de adsorção de Cr(VI) em carvão ativado proveniente de casca de arroz utilizando planejamento Box-Behnken

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Iniciação Científica

Autores

Amador, I.C.B. (UFPA) ; Reis, H.P.F. (PRODERNA/UFPA) ; Sena, R.L.P. (UFPA) ; Almeida, A.C.M. (UFPA) ; Pinheiro, D.R. (PRODERNA/UFPA) ; Estumano, D.C. (UFPA) ; Ribeiro, N.F.P. (UFPA)

Resumo

A crescente contaminação dos recursos hídricos por metais tóxicos é um sério problema de poluição ambiental que tem se agravado com o despejo inadequado de resíduos industriais, por isso torna-se fundamental o tratamento de desses efluentes. O presente trabalho investigou a adsorção de Cr(VI) em carvão ativado proveniente da casca de arroz variando os parâmetros massa de adsorvente, pH e concentração de adsorbato. Além disso, a aplicação do planejamento experimental fatorial Box-Benkhen possibilitou estabelecer que processo de adsorção de Cr(VI) pode ser conduzido nas condições operacionais ótimas de pH 1,5, concentração de Cr(VI) de 32 mg/L e massa de adsorvente de 0,05 g obtendo-se uma porcentagem de remoção de 79% e capacidade de adsorção de 15 mg/g.

Palavras chaves

Cr(VI); Adsorção; Otimização

Introdução

Os metais tóxicos presentes em efluentes industriais são uma das principais fontes de contaminação dos recursos hídricos. Dentre essas substâncias, destaca-se o cromo hexavalente ou Cr(VI), cuja concentração em ambientes aquáticos pode representar potencial risco aos seres vivos devido à alta ação carcinogênica (RUOTOLO; GUBULIN, 2003). Vários estudos são realizados a fim de desenvolver técnicas de tratamento de efluentes contaminados com Cr(VI). Tal como a adsorção, que se apresenta como uma técnica de separação simples e eficiente na qual o uso de partículas porosas como o carvãoativado proveniente de derivados de fibras naturais, rejeitos agroindustriais e rejeitos sólidos de indústria tem sido largamente empregado como adsorvente de alto rendimento e baixo custo de produção (MOHAN et al., 2006). A exemplo da casca de arroz, resíduo agroindustrial abundante, pelo elevado volume e por sua baixa densidade, mas bastante utilizado como adsorvente por meio de modificações estruturais (FRANCO, 2016). Além do material adsorvente, o processo de adsorção também depende de outras condições impostas ao sistema como temperatura, pH e natureza do solvente (NASCIMENTO, et al., 2014). Porém, existem variáveis importantes a serem estudadas a fim de se encontrar as condições ótimas do processo. Nesse sentido, o objetivo desse trabalho é otimizar a adsorção de Cr(VI) variando os parâmetros massa de adsorvente, pH e concentração da solução para a obter a melhor resposta sobre o percentual de remoção de Cr(VI) (%R) e capacidade de adsorção (q) através do delineamento experimental Box-Behnken (DBB), e assim avaliar a eficiência do carvão ativado sintetizado a partir da casca de arroz como material adsorvente.

Material e métodos

A casca de arroz (in natura) utilizada no presente trabalho para produção de carvão ativado foi obtida na usina de arroz localizada no Municipio de Tailândia no Estado do Pará. O procedimento experimental iniciou-se pela lavagem com água destilada e posterior secagem à 105 °C por 24 horas. Em seguida realizou-se o ajuste da granulometria do material utilizando a fração passante na peneira de malha 60 mesh. Prosseguindo, o material peneirado foi calcinado em forno mufla por 30 min a temperatura de 700°C. A fonte de Cr(VI) foi obtida a partir de uma solução estoque preparada com a dissolução de 2,73g de dicromato de potássio (K2Cr2O7) em 1000 ml de água destilada. O processo de adsorção foi realizado pelo sistema de banho finito à temperatura ambiente sob agitação constante durante 90 min. Foi realizado o planejamento fatorial Box-Behnken avaliando as variáveis de entrada concentração inicial de Cr(VI) (10, 20 e 30 mg/L), massa de adsorvente (0,05, 0,10 e 0,15g/L) e pH (2, 4 e 6) com as variáveis dependentes sendo percentual de remoção de Cr(VI) (%R) e capacidade de adsorção (q), as quais foram calculadas através das equações (%R) = [(Ci – Cf)/Ci] × 100 e (q) = [(Ci – Cf)/m] × V, respectivamente. Sendo Ci é a concentração inicial de Cr(VI) na solução, Cf representa a concentração final, m é a massa de adsorvente e V é o volume da solução. O pH da solução foi ajustado com ácido clorídrico concentrado e hidróxido de sódio 0,1M. No final do processo de adsorção, as amostras eram centrifugadas e filtradas em filtro seringa 0.45μm. A determinação do íon Cr(VI) foi realizada de acordo com o método colorimétrico da difenilcarbazida descrito na NBR (13738) utilizando espectrofotômetro UV-vis (UV-1800 Shimadzu).

Resultado e discussão

A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos da adsorção de Cr(VI) em carvão ativado da casca de arroz. Observa-se que os maiores valores de remoção %R e capacidade de adsorção do carvão, q, foram obtidos nos ensaios de baixo pH (experimentos 1, 3, 5, 7 e 10). Isso é esperado, pois a especiação do íon cromato depende do pH da solução e em meio ácido há maior atração eletroestática entre a superfície do carvão ativado e os ânions cromato (OLIVEIRA, 2013). As superfícies de respostas geradas a partir de modelos de segundo grau ajustados aos dados experimentais, para as variáveis %R e q, estão representadas na Figura 1, (a) e (b) na qual observa-se que a porcentagem máxima removida e a capacidade de adsorção encontram-se próximos de 79% e de 15 mg/g, respectivamente. As condições ótimas de operação para gerar estes resultados correspondem a pH de 1,5, concentração inicial de 32 mg/L e massa de adsorvente de 0,05 g. Pode-se analisar, também, na Figura 1, (c) e (d) a superposição de normalidade dos erros através do teste de aderência Kolmogorov-Smirnov (KS), construído com o auxílio do software Minitab 17. Os gráficos indicam que os resíduos seguem uma distribuição de probabilidade normal, pois como a hipótese nula refere-se à afirmação de que os resíduos são normais e o p-valor representa a probabilidade de que isso seja verdade, então de acordo com o gráfico, se tem um p-valor maior que 15% dos resíduos seguirem a distribuição normal, ou seja, maior que os 5% considerados de nível de significância (α = 0,05), o que demonstra a confiabilidade dos dados experimentais. Os gráficos em (e) e (f) mostram que os resíduos são independentes e apresentam uma distribuição aleatória, em concordância com os pressupostos da estatística paramétrica (MONTGMERY, 2002).

Tabela 1. Matriz de experimento para variáveis de resposta (%R) e q.


Figura 1. Resultados do planejamento Box-Behnken

Conclusões

O carvão ativado proveniente da casca de arroz apresenta alto potencial científico e tecnológico uma vez que possui elevada capacidade de remoção de Cr(VI) e baixo custo de produção. O planejamento experimental Box-Behnken permitiu confirmar a confiabilidade dos resultados por meio da análise dos resíduos e estimar a condição ótima do processo: pH igual a 1,5, concentração de 32 mg/L e massa de adsorvente de 0,05 g. Portando, o tratamento de soluções contaminadas com cromo hexavalente na condição ótima remove 79% do íon com capacidade de adsorção de 15 mg/g.

Agradecimentos

Laboratório de síntese(LASIN/FEQ/UFPA); UFPA pela bolsa PIBIC Edital PRODOUTOR 2018; LabNANO AMAZON.

Referências

FRANCO, D. S. P. Modificações na casca de arroz para a adsorção de azul de metileno em batelada e leito fixo. 2016. 71 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2016.

MOHAN, D.; PITTMAN JR, C. U. Activated carbons and low cost adsorbents for remediation of tri- and hexavalent chromium from water. Journal of Hazardous Materials, v. B137, p. 762-81, 2006.

MONTGOMERY, D. C. Applied Statistics and Probability for Engineers. New York: John Wiley, ed 3, p. 704, 2002.

NASCIMENTO, R. F. do; LIMA, A. C. A. de; VIDAL, C. B.; MELO, D. de Q.; RAULINO, G. S. C. Adsorção: Aspectos Teóricos e Aplicações Ambientais. Universidade Federal do Ceará (UFC), Fortaleza, 2014.

OLIVEIRA, R. F. Estudo da Adsorção de Cromo Hexavalente em Altas Concentrações. 2013. 64 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2013.

RUOTOLO, L. A. M.; GUBULIN, J. C. Reduction of hexavalent chromium using polyaniline films. Effect of film thickness, potential and flow velocity on the reaction rate and polymer stability. Journal of Applied Electrochemistry, v. 33, n. 12, p. 1217-1222, 2003.