Emprego de biomassa de casca de banana e palha de arroz na remoção de Pb (II) em águas contaminadas

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Química Analítica

Autores

Santos, M.S. (UFVJM) ; Andrade, T.G. (UFVJM) ; Silva, V.C. (UFVJM) ; Aquino, T.E.O. (UFVJM) ; Batista, B.L. (UFABC) ; Mesquita, J.P. (UFVJM) ; Maia, L.F.O. (UFVJM) ; Rodrigues, J.L. (UFVJM)

Resumo

A degradação dos recursos hídricos, por meio de atividades antrópicas, gera grande preocupação com a qualidade da água para as gerações futuras. Em muitos casos, esta poluição é acompanhada por metais tóxicos como o chumbo. Exposto isso, o presente trabalho teve por objetivo avaliar e comparar a capacidade de remoção de Pb (II) de águas contaminadas, utilizando as biomassas da casca de banana e palha de arroz, como proposta de remediação ambiental. A capacidade adsorção do chumbo pela biomassa de banana foi 133,710 mg g-1 e 33,325 mg g-1 para a biomassa de arroz. Nos primeiros 30 minutos, 87,88% do Pb (II) foi adsorvido pela biomassa de banana e 78% pela biomassa de arroz. Baseado nos dados obtidos, a biomassa de banana apresentou maior eficiência na remoção do chumbo.

Palavras chaves

Adsorção; Biomassa; Chumbo

Introdução

A poluição por metais tóxicos é um sério problema ambiental ao redor do mundo. Esses poluentes inorgânicos são frequentemente liberados em corpos hídricos como resultado de atividades antropogênicas. O intenso desenvolvimento tecnológico e industrial levaram ao uso excessivo de íons de metais tóxicos e, assim, aumentaram a poluição hídrica. Esses metais são frequentemente relatados como tendo efeitos prejudiciais ao homem e a outros organismos devido à sua alta toxicidade e efeitos cumulativos (DENIZ et al., 2017). Em um relatório parcial do Instituto Mineiro de Gestão de Águas (IGAM, 2016), que fez o monitoramento de alguns elementos em amostras de água de alguns pontos da Bacia do rio Doce, foram encontradas concentrações muito altas de elementos como Hg, Pb e Cu, bem acima do valor máximo preconizado pela legislação ambiental (Resolução CONAMA, 357 de 2005). Neste sentido, faz-se necessário o desenvolvimento de tecnologias que possam remover estes poluentes, para que esta água possa ser adequadamente utilizada para consumo humano ou animal. Existem vários métodos para remover íons de metais tóxicos de soluções aquosas e consiste principalmente em técnicas químicas, físicas e biológicas (GAUTAM et al., 2014). Porém, nem sempre essas tecnologias são economicamente viáveis para as Estações de Tratamento de Água (ETAs). Uma alternativa promissora é o uso da adsorção por biomassa. A biossorção possui baixo custo, ampla adaptação e seletividade na remoção de diferentes tipos de metais tóxicos e desempenho estável na purificação de águas residuais (1-100 mg L-1) (SUD et al., 2008). A utilização da biomassa vegetal para a obtenção de matéria prima é uma das propostas da Química Verde. A Química Verde é uma abordagem que visa minimizar o impacto ambiental por meio da criação, desenvolvimento e a aplicação de produtos e processos químicos para redução ou que eliminem o uso e a geração de substâncias tóxicas em detrimento ao seu tratamento (LENARDÃO et al., 2003; PRADO, 2003). A biossorção é uma das mais promissoras tecnologias de remediação de áreas aquáticas poluídas com íons de metais tóxicos (GUPTA et al., 2015). Existem vários compostos com características promissoras para o tratamento pelo uso da biossorção, dentre eles a palha de arroz e casca de banana se destacam. A palha de arroz contém grandes quantidades de celulose, hemicelulose, lignina e sílica. Esses compostos fornecem locais de ligação para metais (GAO et al., 2008). Enquanto a casca de banana, tem sido usado como biossorvente para adsorção de cobre a casca de banana é facilmente disponível, de baixo custo e ecologicamente correto (HOSSAIN et al., 2012). Dessa forma, o presente trabalho teve por objetivo avaliar e comparar a capacidade de remoção de Pb (II) de águas contaminadas, utilizando as biomassas da palha de arroz e casca de banana, como proposta de remediação ambiental.

Material e métodos

A casca de arroz é originária da região de Muriaé, no estado de Minas Gerais, local de grande produção desse cereal e de fácil obtenção da biomassa. A casca de banana foi obtida em feira da cidade de Teófilo Otoni. Essas feiras são supridas por pequenos produtores de toda região do Vale do Mucuri. A biomassa a partir da casca de arroz foi preparada com a lavagem da casca com água ultrapura, para a remoção de partículas, e sequentemente foi levada a uma estufa a 70°C durante 24 horas para secagem. Após secas, foram trituradas em moinho elétrico e seu produto peneiradas para análise granulométrica Bertel com abertura de 40 mesh. A casca de banana teve procedimento semelhante à casca de arroz, passou por lavagem com água ultrapura, levada à estufa para secagem a 70°C e foi triturado através de um liquidificador industrial SHOP63 01. Após triturada, o produto obtido foi peneirado para análise granulométrica Bertel a 40 mesh. A caracterização dos materiais foi através de Microscopia Eletrônica de Varredura, equipamento Zeiss (FEG-SEM) modelo Sigma VP, e Infravermelho Transformada de Fourier, Perkim Elmer FT-IR/NIR Spectrometer Frontier, numa gama de frequências de 4000 e 500 cm-1, usando o método do disco KBr. Foram preparadas soluções para serem utilizadas nos testes de isoterma, pH e cinética. Para Pb (II) foi preparado uma solução de 1000 ppm usada como solução mãe para outras soluções de concentração: 0 ppm, 0,5 ppm, 5 ppm, 20 ppm, 50 ppm, 100 ppm e 200 ppm. Estudo de isoterma: Foram utilizadas 10 mg do adsorvente em amostras de 20 ml das soluções metálicas em concentrações de 0 - 200 ppm. Após, foram colocadas em um shaker Thermo Scientific modelo 4360 por 24 horas. Passadas as 24 horas, as amostras foram levadas a uma centrífuga CIENTEC CT-6000R por 3 minutos a 5500 rpm e tiverem a alíquota retirada para diluir em ácido nítrico 2%. As concentrações inicial e residual foram analisadas por Espectrometria de Massas com Plasma Acoplado Indutivamente (ICP-MS). Nos testes de isoterma foram aplicados aos modelos de Langmuir e Freundlich para verificar o comportamento da adsorção da biomassa com o metal. Estudo de pH: Foram utilizadas 10 mg do adsorvente em amostras de 20 ml das soluções metálicas em uma concentração de 20 ppm das soluções metálicas para pHs iguais a 5, 7 e 9. Após as soluções estarem com pH corrigido, foram postas no shaker por 24 horas. Após 24 horas de agitação, as amostras passaram pela centrífuga para retirada da alíquota e diluição. Estudo de cinética: Foram utilizadas 10 mg do adsorvente em amostras de 20 ml das soluções metálicas a 20 ppm. As amostras tiveram o pH corrigido para 7, a adsorção ocorreu através do shaker com intervalos de tempo de: 30 min, 2, 4, 6 e 12 horas. Após 24 horas de agitação, as amostras passaram pela centrífuga para retirada da alíquota e diluição. Os dados cinéticos de adsorção foram ajustados com os modelos pseudo-primeira ordem (LAGERGREN, 1898) e pseudo-segunda ordem (HO et al., 1999).

Resultado e discussão

A análise realizada por microscopia eletrônica de varredura dos materiais, biomassa de banana e arroz, apresentou estrutura porosa, podendo ser suscetível a adsorção de metais em sua superfície. O estudo de caracterização, através da análise de espectroscopia de infravermelho apontou tanto da casca de banana quanto da casca de arroz picos nas principais bandas faixas de 3200, 1000 e 700 cm-1. Os principais grupos que se caracterizam com estas faixas são O-H, C-O e C-H, que podem ser atribuídas à presença de lignina, hemicelulose e hidroxila em materiais orgânicos. Estudo de Isoterma: A Figura 01 apresenta os resultados obtidos na determinação da capacidade de adsorção da biomassa de banana (a) e de arroz (b), o gráfico mostra o equilíbrio da adsorção de Pb (II) em função da concentração de Pb (II) em solução. O gráfico cria uma tendência com acentuada inclinação apontando para um equilíbrio de capacidade de adsorção, onde os sítios ativos da biomassa atingem uma saturação. A Figura 01 mostra os pontos experimentais obtidos pela adsorção do Pb (II) pelas biomassas de casca de banana e arroz ajustados por regressão não linear das isotermas de Langmuir e Freundlich. Os parâmetros obtidos para a biomassa de banana foram: Langmuir Qm = 133,7100 mg g-1, KL = 0,1837 L mg-1, R² = 0,94471, RL = 0,9158, Freundlich KF = 32,2080 L g-1, 1/n = 0,3007, R² = 0,9268. Enquanto os parâmetros para a biomassa do arroz foram: Langmuir Qm = 33,3250 mg g-1, KL = 0,0234 L mg-1, R² = 0,8626, RL = 0,9884, Freundlich KF = 3,6740 L g-1, 1/n = 2,5150, R² = 0,9092. O modelo de Langmuir considera que o processo de adsorção ocorre em uma monocamada sobre uma superfície homogênea, isto é, com sítios ativos com energia e disponibilidade idênticas e sem interação entre as moléculas adsorvidas (CUEVAS et al., 2015). A partir dos parâmetros gerados por estudo, os valores de RL encontram-se entre 0 < RL < 1, constatando que a isoterma de Langmuir é favorável para os dois casos. Pois segundo WEBBER E CHAKKRAVORTI (1974) o fator de separação, Rl, indica se a adsorção é favorável, 0 < RL < 1, desfavorável, RL > 1, linear, RL = 1, ou irreversível, RL = 0. A isoterma de Freundlich difere do modelo isoterma de Langmuir, descreve a adsorção de multicamadas em superfícies heterogêneas (RAHBAR et al., 2014). Para a isoterma de Freundlich, o valor de 1/n igual a 1 é considerada adsorção linear, com adsorção idêntica em todos os sítios. Quanto maior o valor de 1/n, mais forte é a interação entre o adsorvente e o adsorbato. Nos dados analisados, a adsorção do chumbo pela biomassa de arroz apresentou valor superior a 1, indicando que a isoterma de Freundlich é favorável neste caso. Estudo de pH: O estudo o pH foi realizado com os valores de 5, 7 e 9 para avaliar a interferência do pH na adsorção do chumbo pelas biomassas. Para a interação da biomassa de banana com o chumbo o valor do pH apresentou pouca interferência sobre a capacidade de adsorção, gerando leve acréscimo com o aumento do valor do pH, 30,1830 mg g-1 (pH 5), 30,5910 mg g-1 (pH 7) e 32,2890 mg g-1 (pH 9). A capacidade de adsorção da biomassa de arroz com o chumbo foi muito influenciada pelo pH, uma vez que o valor de Qe aumentou de 4,3640 mg g-1 (pH 5) para 32,2790 mg g-1 (pH 7). Estudo de cinética: A Figura 02 (a) apresenta os resultados obtidos para o teste de cinética nos tempos de 30, 120, 360, 720 e 1440 minutos. Em pH 7, os dados indicam uma rápida adsorção do chumbo pela biomassa de banana nos primeiros 30 minutos de contato, com aproximadamente 83% de remoção. Enquanto a biomassa de arroz removeu cerca de 76% nos primeiros 120 minutos. Os dados cinéticos de adsorção foram ajustados com um modelo de pseudo- primeira ordem (LAGERGREN, 1898) e modelo pseudo segunda-ordem (HO e MCKAY, 1999). O modelo cinético pseudo-primeira ordem não se ajusta à adsorção de chumbo pela biomassa de banana ou de arroz. Enquanto o modelo pseudo-segunda ordem baseado na capacidade de adsorção da fase sólida mostra o processo de adsorção em toda faixa de tempo. Os dados cinéticos para a adsorção do chumbo pela biomassa de banana apresentam-se com grande linearidade (Figura 02 (b)), com coeficiente de correlação próximo de 1 (0,9968) e Qe calculado (26,5957 mg g-1) com valores próximos de Qe experimental (26,9599 mg g-1). Os valores de Qe calculado e K2 (0,0014 L mg-1) foram obtidos a partir da inclinação e interseção da reta do gráfico t/qt em função de t. Para a biomassa de arroz, o coeficiente de correlação também está próximo de 1 (0,9852), o Qe calculado (23,8095 mg g-1) apresentou valor próximo ao Qe experimental (23,9235 mg g-1) por fim o K2, através da 0,0006 L mg-1 inclinação da reta.

Isoterma de adsorção de Langmuir e Freundlich para Pb (II) pela (a)biomassa de casca de banana e (b)palha de arroz


(a) Cinética de adsorção do Pb (II) pelas biomassas de casca banana e palha de arroz e (b) aplicação do modelo pseudo-segunda ordem.

Conclusões

Há atualmente em todo o mundo grandes cenários de contaminação de cursos d’água por metais, dentre eles o chumbo, é de fundamental importância estudos como esse que visam melhoria na qualidade da água. Com base nos resultados obtidos na adsorção do chumbo pelos materiais estudados é possível concluir que a biomassa de banana apresentou melhores valores na remoção do metal quando comparados a biomassa de arroz. Contudo, nos dois casos, o processo ocorreu de maneira rápida e eficiente em poucos minutos. Nos estudos de adsorção a isoterma de Langmuir se mostrou favorável para a biomassa de banana enquanto a isoterma de Freundlich foi a mais adequada para a adsorção do chumbo pela biomassa de arroz. A variação do pH apresentou pouca interferência na adsorção pela banana e para o arroz a capacidade de adsorção aumentou com o valor do pH.

Agradecimentos

À FAPEMIG, CAPES, CNPq e UFVJM

Referências

CONAMA – CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE – Resolução nº 357/2005, de 17 de março de 2005. Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências. Brasília, DF: 2005.

CUEVAS, L. A. S.; ZUÑIGA, F. A. C.; VILLACURA, E. G. C. Valorization of agricultural wastes as dyes adsorbents: Characterization and adsorption isotherms. Environmental Technology, 2015.

DENIZ, F., KARABULUT, A. Biosorption of heavy metal ions by chemically modifield biomass of coastal seaweed community: Studies on phycoremediation system modeling and desing. Ecological Engineering 106, p. 101 – 108, 2017.

GAO, H., LIU, Y.G., ZENG, G.M., XU, W.H., LI, T., XIA, W.B. Characterization of Cr(VI) removal from aqueous solutions by a surplus agricultural waste-rice straw. Journal of Hazardous Materials 150, p. 446 – 452, 2008.

GAUTAM, R. K., MUDHOO, A., LOFRANO, G., CHATTOPADHYAYA, M. C. Biomass-derived biosorbentes for metal sinos sequestration: Adsorbent modification and activation methods and adsorbent regeneration. Journal of Environmental Chemical Engineering 2, 239 – 259, 2014.

GUPTA, V.K., NAYAK, A., AGARWAL, S. Bioadsorbents for remediation of heavymetals: current status and their future prospects. Environ. Eng. Res. 20, p. 1 – 18, 2015.

HO, Y. S., MCKAY, G., Pseudo-second order model for sorption process. Process Biochemistry 34, p. 451-465, 1999.

HOSSAIN, M. A., NGO, H. H., GUO, W. S., NGUYEN, T. V. Biosorption of Cu(II) from water by banana peel based biosorbent: Experiments and models of adsortion and desorption. Journal of Water Sustainability 2, p. 87 – 104, 2012.

INSTITUTO MINEIRO DE GESTÃO DAS ÁGUAS. Monitoramento da Qualidade das Águas Superficiais do Rio Doce no Estado de Minas Gerais. 75 p., 2016.

LAGERGREN, S. About the theory of so-called adsorption of soluble substance. K Sven Vetenskapsakademiens Handl 24, p. 1–39, 1898.

LENARDÃO, E. J.; FREITAG, R.A.; DABDOUB, M.J.; BATISTA, A.C.F.; SILVEIRA, C. C. “Green chemistry” – Os 12 Princípios da Química Verde e sua Inserção nas Atividades de Ensino e Pesquisa. Química Nova, v.26, nº1, p.123-129, 2003.
PRADO, A. G. S. Química Verde, Os desafios da Química do Novo Milênio. Química Nova, v. 26, nº 5, p. 738-744, 2003.

RAHBAR, N. et al. Mercury removal from aqueous solutions with chitosan-coated magnetite nanoparticles optimized using the box-behnken design, Jundishapur J Nat Pharm Prod. 2014.

SUD, D., Mahajan, G., Kaur, M.P. Agricultural waste material as potential adsorbent for sequestering heavy metal ions from aqueous solutions – a review. Bioresour. Technol. 99, p. 6017 – 6027, 2008.

WEBBER, T. W., CHAKKRAVORTI, R. K. Pore and solid diffusionmodels for fixed-bed adsorbers. AIChE J 20(2), p. 228–238, 1974.