Desenvolvimento de catalisadores de ferro suportado em carvão ativado oriundo da biomassa Licor Negro para a reação de Fenton

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Ambiental

Autores

de Assis Santana, I. (IFBA) ; Freitas de Souza, J. (IFBA) ; Rosa Martins, A. (IFBA)

Resumo

Neste trabalho foram desenvolvidos catalisadores de ferro suportado em carvão ativado, obtidos a partir do Licor Negro da indústria de celulose, para a reação de Fenton. O licor negro passou por tratamento térmico em diferentes temperaturas(250 °C, 300 ° C e 350 °C) e, em seguida, foi misturado a uma solução de nitrato de ferro (0,5% m/m). Os sólidos foram caracterizados por difração de raios X e espectrofotometria na região do infravermelho. Além disso, foram avaliados como catalisadores na remoção do azul de metileno. Os resultados apontaram que o método de preparação influenciou a cristalinidade dos catalisadores. O sólido preparado a 250 °C apresentou conversão significativamente mais alta do que os demais.

Palavras chaves

carvão ativado; licor negro; reação de fenton

Introdução

Os efluentes industriais contêm grande variedade de contaminantes orgânicos e inorgânicos. Alguns compostos orgânicos, além de tóxicos, possuem alta estabilidade. Diversos processos de eliminação desses têm sido desenvolvidos, com destaque para a reação Fenton, que consiste na geração de radicais hidroxilas, através da decomposição do peróxido de hidrogênio catalisada por íons ferrosos (SANTOS; SILVA, 2015). Em Fenton heterogêneo, o óxido de ferro tem melhor atividade suportado em sólidos estáveis e com elevada área específica (BRITTO; RANGEL, 2008). Os carvões ativados apresentam elevada capacidade de dispersar os íons ferrosos em sua superfície, conferem porosidade e resistência mecânica ao catalisador e possuem uma variedade de grupos funcionais (BRITTO; RANGEL, 2008). A matéria prima para produção de carvão ativado em escala comercial é a madeira do Pinus e de Eucalipto porém pode também ser obtido de resíduos de biomassa (FORTUNATTO, 2014). O licor negro é um resíduo de processos da industrial de papel e celulose, caracterizado por ser uma mistura pastosa de coloração escura formada por sais inorgânicos e compostos orgânicos como lignina, hemicelulose e celulose, sendo a lignina em maior quantidade. Entre os compostos inorgânicos estão os sais de sódio e enxofre tais como carbonato de sódio, sulfeto de sódio, sulfato de sódio e hidróxido de sódio, compostos, muitas vezes, utilizados na ativação do carvão (ALMEIDA et al., 2007). Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver catalisadores de ferro suportado carvão ativado oriundo do Licor Negro para a reação de Fenton.

Material e métodos

O licor negro foi seco e carbonizado, sob atmosfera estática de ar, a 250 °C, por 2 h. O suporte resultante foi misturado a uma solução de nitrato de ferro, de forma a manter um teor mássico de 0,5% de ferro. A mistura foi mantida sob agitação em uma placa de aquecimento, em 60 °C, até eliminar o excesso de água. Em seguida, aquecida em estufa a 120 °C, por 24 h. Por fim, o sólido foi aquecido em mufla nas mesmas condições do suporte, formando a Amostra CAFe250. O procedimento foi repetido nas temperaturas de 300 °C e 350 °C, formando as amostras CAFe300 e CaFe350, respectivamente. Na etapa seguinte, os sólidos foram lavados, de forma a eliminar o excesso de contaminantes oriundos do licor negro. Para isso, 10 g da sólido foi mistura a 100 mL de água e deixado em repouso por 1 h. Em seguida, retirou-se o sobrenadante e completou o volume do béquer novamente até 100 mL. O procedimento foi repetido quatro vezes. As amostras foram analisadas por difração de raios X e espectroscopia vibracional na região do infravermelho com transformada de Fourier e avaliadas na reação Fenton, utilizando-se 10 mg de amostra, 50 mL da solução de azul de metileno (10 mgL-1) e 1 mL da solução de peróxido de hidrogênio (30% v/v). A mistura foi mantida sob agitação constante. A cada 15 min foi retirada uma alíquota de 2 mL. A alíquota foi colocada em um tubo de ensaio, centrifugada por 5 min com a rotação de 1300 rpm, depois foi recolhido o sobrenadante e analisado no espectrofotômetro UV-VIS no comprimento de onda de 666 nm.

Resultado e discussão

A Figura 1a apresenta os resultados de DRX das amostras, sem a etapa de lavagem. Estes indicam a formação de sólidos com fase cristalina, possivelmente relacionada a carbonato de sódio (ICSD 152-7607), ou outro sal oriundo do licor negro. Após a lavagem (Figura 1b), as amostras apresentaram halos amorfos na região de baixo angulo e três picos na faixa nas faixas de 2θ= 44,6°; 65,1° e 78° (ICSD 900-2331) comumente atribuídos à fase de óxido de ferro magnetita. A análise de infravermelho apresentou uma banda de absorção na faixa de 3100 a 3650 cm-1 com estiramento baixo que pode ser atribuído à presença de grupos hidroxilas (-OH) associados a grupos carboxílicos, uma banda na faixa de 1614 a 1800 cm-1 que é característica das ligações carbono-oxigênio (C=O) sinalizando a presença da carbonila. Estiramentos médios de 1450 a 1600 cm-1 com duas ou quatro bandas sugere ligação carbono-carbono de anel aromático, estiramentos com deformação fora do plano na faixa de 680 a 1000 cm-1 pode indicar ligação C-H de olefinas caracterizando a possível presença de compostos alifáticos cíclicos. Além disso, uma faixa de estiramento fraco de 1000 a 1300 cm-1 pode indicar ligação C-O referente aos compostos na superfície do sólido tais como pirano e Éter. Os resultados de atividade catalítica podem ser observados na Figura 2. A amostra preparada a 250 °C apresentou o melhor resultado, 100% de conversão de azul de metileno. Por outro lado, as amostras preparadas em 300 e 350 °C apresentaram resultados semelhantes. Isso pode estar relacionado ao desfavorecimento das propriedades superficiais do carvão preparado acima de 250 °C, tais como porosidade, área específica, presença de grupos funcionais ou até mesmo a dispersão das partículas de óxido de ferro (MORAES, 2017).

Difratogramas de raios X das amostras antes (a) e após lavagem (b).


Curvas de remoção do azul de metileno em função do tempo.

Conclusões

Neste trabalho foram desenvolvidos catalisadores baseados em óxido de ferro suportado em carvão ativado, oriundo da biomassa licor negro. Foi possível observar que: (i) os sólidos apresentam halos amorfos e fases cristalinas oriundas do óxido de ferro e sais residuais, (ii) a etapa de lavagem influenciou significativamente a estrutura dos sólidos com aumento da cristalinidade, (iii) o tratamento térmico do licor negro influenciou a atividade dos catalisados; (iv) o sólido preparado a 250 °C apresenta melhor atividade (100%).

Agradecimentos

Os autores agradecem a Eduardo Novais e Saulo Coutinho (VERACEL) pela doação do licor negro e a Carina Nascimento (GPCM-IFBA) e a Allison Gonçalves pelo apoio na etapa de caracterização.

Referências

ALMEIDA, H. C. et al. Composição química de um resíduo alcalino da indústria de papel e celulose (DREGS). Química Nova, v. 30, n. 7, p. 1669–1672, 2007.

BRITTO, J. M.; RANGEL, M. D. C. Processos avançados de oxidação de compostos fenólicos em efluentes industriais. Quimica Nova, v. 31, n. 1, p. 114–122, 2008.

FORTUNATTO, A. C. Alternativas para o aproveitamento do licor negro da indústria de papel e celulose. Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo, 2014.

MORAES, V. R. et al. Efeito do teor de ferro nas propriedades do carvão ativado na degradação do azul de metilenoOuro Preto19° Congresso Brasileiro de Catálise, 2017.

SANTOS, D. P. B.; SILVA, C. T. Preparação , Caracterização e Avaliação Catalítica do Sistema Fe/Nb2O5 na Reação de Oxidação do Corante Azul de Metileno via Reação de Fenton. Exatas Online, v. 6, p. 1–10, 2015.