ESTUDO DA UTILIZAÇÃO DA ARGILA BENTONITA COMO ADSORVENTE PARA REMOÇÃO DO CORANTE TÊXTIL AZUL DE METILENO

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Ambiental

Autores

Souza, R.V.A.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA) ; Barros, J.M.H.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA) ; Correia, L.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ) ; Nascimento, B.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO) ; Fraga, T.J.M. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO) ; Fraga, D.M.S.M. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO) ; Carvalho, M.N. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO) ; Pessoa, T.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO) ; Clericuzi, G.Z. (UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA) ; Freire, E.M.P.L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO)

Resumo

Este estudo investigou o desempenho da argila natural tipo bentonita PMT-2 como adsorvente do corante azul de metileno. A argila foi caracterizada por DRX, FTIR e TG. Os efeitos da concentração inicial do corante, pH e tempo de agitação foram avaliados através do planejamento fatorial completo 2³ com 3 réplicas no ponto central em um sistema de banho finito. Os dados experimentais do equilíbrio de adsorção foram melhor ajustados ao modelo de isoterma de Sips. O estudo cinético realizado evidenciou que os dados experimentais ajustados ao modelo de pseudo-segunda ordem apresentaram melhor ajuste. De modo geral, a argila PMT-2 demonstrou ser um adsorvente adequado para a remoção do corante têxtil azul de metileno, apresentando porcentual de remoção superior a 99% em todos os ensaios analisado

Palavras chaves

Argilominerais; Azul de metileno; Adsorção

Introdução

A necessidade de limitar a emissão de resíduos orgânicos na água faz com que tratamentos alternativos sejam cada vez mais estudados e viabilizados, constituindo potencial solução para o problema. O tratamento da água de descarte é necessário visando o retorno adequado ao meio ambiente ou para que seja reutilizada no processo industrial. Com o crescimento da mobilização referente às questões ambientais, o tratamento dos efluentes, principalmente na indústria têxtil, consiste em uma prática importante, pois alto volume de efluente é gerado e sua composição é complexa. Os efluentes têxteis contêm muitas substâncias químicas provenientes dos processos de desengomagem, tingimento, estamparia e acabamento, etc. Além disso, a qualidade da água de tratamento varia de acordo com o momento e com os tipos de insumos adicionados no processo, tais quais: corantes, sais inorgânicos, detergentes, compostos sulfurosos, solventes e metais pesados (MARCUCCI et al., 2003). A reciclagem de efluentes torna-se uma alternativa a se avaliar, pois, não somente promove a remoção dos corantes e da carga orgânica das águas de tratamento, como também promove o retorno ao processo de sais inorgânicos, como o cloreto de sódio e o sulfato de sódio, utilizados para melhorar o processo de tingimento, evitando assim a salinização dos solos. Portanto, o tratamento de águas residuais, além de reduzir o impacto ambiental, existe a possibilidade de se recuperar compostos químicos reutilizáveis e minimizar o volume de efluentes (HILDEBRAND, 2010). Existem numerosos tipos de tratamentos, cada qual englobando aspectos distintos, como os de natureza física, química, biológica e físico-química. Cada processo tem suas especificações e sua escolha dependerá das substâncias contidas no efluente, se estão dissolvidas ou dispersas. A grande vantagem da adsorção quando comparados a outros processos de separação, está no fato deste possuir uma elevada seletividade molecular, permitindo a separação de vários componentes com um baixo consumo energético (RUTHVEN, 1984). O processo de adsorção é um fenômeno de superfície baseado na transferência de massa de uma substância presente na fase fluida (adsorbato) para a superfície de um sólido (adsorvente), dependente da diferença de concentrações entre as duas fases (BARAKAT, 2011). Nesse sentido, torna-se essencial a etapa de escolha do adsorvente e algumas características devem ser atendidas: remoção rápida e eficiente, baixo custo de manufatura e possibilidade de reutilização, partículas com tamanho, forma e propriedades mecânicas adequadas para o uso em fluxo contínuo e alta seletividade para adsorção e dessorção do composto de interesse (BARROS, 2012). Considerando a necessidade de limitar a emissão do azul de metileno presente em solução, o tratamento de adsorção mostra-se uma tecnologia bastante atrativa a ser utilizada, constituindo potencial solução para o problema. Do ponto de vista econômico, as argilas, por ser um material natural e considerado barato, estão sendo muito estudadas nos últimos anos como adsorventes alternativos ao carvão ativado na remoção de poluentes em efluentes industriais (NEUMANN et al., 2000). Os minerais da argila têm propriedades, tais como, grande área superficial específica, capacidade de troca catiônica e acidez superficial que conferem propriedades adsortivas. Estes resultados implicam em vários usos benéficos de minerais de argila, como sorção de substâncias tóxicas para a finalidade de controle ambiental (BRIGHT; FLETCHER, 1983). Os poluentes orgânicos lançados no meio ambiente por atividades industriais são adsorvidos pelos minerais argilosos aluminosilicatos encontrados nos solos e sedimentos. Porém, a superfície das argilas apresenta caráter hidrofílico tendo pouca afinidade com poluentes orgânicos hidrofóbicos. O caráter hidrofílico das argilas pode ser alterado para hidrofóbico e organofílico pela troca catiônica de cátions inorgânicos como Na+, K+. Esses íons, naturalmente, estão presentes na estrutura cristalina das argilas, produzindo as argilas organofílicas. Uma das principais aplicações das argilas organofílicas é na adsorção e retenção de efluentes contendo moléculas orgânicas como os compostos da gasolina, óleo diesel, petróleo e indústria têxtil (OZACAR, 2006). Diante disso, o presente trabalho tem como objetivo analisar o desempenho da argila natural PMT-2 como adsorvente na remoção de corante têxtil azul de metileno, através do processo de adsorção. O potencial de remoção da argila será estudado por meio da sua caracterização química e térmica. Além disso, a capacidade de adsorção será estudada em um planejamento fatorial 23 e as isotermas de adsorção serão avaliadas.

Material e métodos

Preparação e Caracterização da Argila PMT-2 A argila proveniente da indústria Pegmatech – Especialidade Tecnológica LTDA, na Paraíba, foi utilizada na granulometria de 250 mesh. A argila foi caracterizada por diversas técnicas e métodos analíticos, tais como Difração de Raios X (DRX), Espectroscopia na Região do Infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e Análise Termogravimétrica (TG). A presença de grupos funcionais no adsorvente foi identificada por Espectrometria de Infravermelho com Transformada de Fourier – FTIR (Vertex 70 - Bruker). As fases mineralógicas presentes na estrutura da argila foi analisada por Difração de Raios X – DRX (Shimadzu XRD - 6000). A análise Termogravimétrica da argila bentonita foi realizada em uma balança termogravimétrica (Schimadzu TGA-50) para analisar o seu comportamento térmico. Planejamento Experimental O plano de trabalho utilizou planejamento fatorial 2³, com três réplicas no ponto central. As variáveis analisadas foram concentração (60, 80, 100 mg/L), pH (6, 7, 8) e tempo (4, 5, 6) e a resposta obtida foi o percentual de remoção do azul de metileno. O objetivo foi verificar a atuação da concentração do azul de metileno, pH da solução e tempo de agitação no percentual de remoção da solução do corante azul de metileno, além de realizar as devidas interações entre os parâmetros para descobrir as melhores condições experimentais para se obter o porcentual de remoção (%Rem). Percentual de remoção e capacidade de adsorção no equilíbrio O percentual de remoção do corante azul de metileno em efluentes foi determinado através da Equação 1, e a capacidade de adsorção no equilíbrio através da Equação 2. %Rem=((C_0-C)/C_0 )×100 (1) Onde: C_0: concentração inicial da solução (mg/L); C: concentração final da solução (mg/L). q_eq=V/m (C_0-C_eq ) (2) Onde: V: volume do efluente (L); m: massa do adsorvente (g); C_eq: concentração de equilíbrio (mg/L). Isotermas de Adsorção Os ensaios foram realizados para o adsorvente, colocando-se 50 mL do corante azul de metileno com concentrações de 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 e 100 mg/L, em pH 8, 4 horas e agitação controlada em 250 rpm. O estudo das isotermas de adsorção foi realizado através do tratamento dos dados obtidos experimentalmente, sendo aplicados os modelos de Langmuir, Freundlich e Sips. Estudo cinético O estudo cinético foi realizado variando-se o tempo de contato em 1; 4; 8; 15; 30; 60; 90; 120; 180 e 240 minutos, para obtenção da capacidade de adsorção em função do tempo de agitação, a fim de avaliar em quanto tempo o sistema atinge o equilíbrio. Nos tempos estabelecidos a agitação foi interrompida e uma alíquota do sobrenadante foi retirada para análise.

Resultado e discussão

A caracterização das amostras por DRX visa verificar a existência de minerais acessórios e de argilominerais. O difratograma de raios X da bentonita apresenta picos de 2θ de 6° e 19° correspondentes aos planos (001) e (020) respectivamente, confirmando a presença de predominante de montmorilonita na referida amostra. Os dados também indicam a presença de impurezas como caulinita em 12° e 23° e quartzo em 21° e 26° (MOORE; REYNOLDS, 1989). O pico relacionado à distância basal, d(001), confirma a troca iônica no espaço entre as camadas da argila e, portanto, a certeza que se trabalha com um material organofílico (XIE et al., 2001). Observa-se na amostra da bentonita uma banda próxima de 3630 cm-1 atribuída às vibrações do estiramento do grupo estrutural hidroxílico próprio da argila (MADEJOVÁ, 2002). Em aproximadamente 3400 cm-1 observam-se vibrações de estiramento do grupo OH referente à água adsorvida presente na esmectita (DING et al., 2005). A banda próxima a 1490 cm-1 está relacionada à flexão do grupo C-H, indicando a presença de surfactante na argila (MA; ZHOU; PU, 2008). As bandas próprias da montmorilonita são observadas na região de 1050 cm-1, característica das ligações Si-O-Si, e na faixa de 520 cm-1 corresponde às camadas octaédricas do alumino silicato (MADEJOVÁ, 2002). A análise termogravimétrica realizada mostrou que a decomposição térmica ocorre em três etapas, a primeira delas na zona de temperatura entre 41 a 110°C é atribuída à perda de água dos cátions interlamelares. A segunda etapa referente à decomposição da matéria orgânica na faixa de 235 a 363°C. A perda de massa acima de 588°C é devido à queima do carbono residual do sal (SANTOS et al., 2002; PAIVA et al., 2008). Planejamento Experimental Conforme planejamento experimental 23 com 3 pontos centrais foram obtidos os resultados para o percentual de remoção do azul de metileno utilizando a argila bentonita, como adsorvente. As respostas para o percentual de remoção estão apresentadas na Tabela 1 e foram calculados através da Equação 1. Tabela 1 - Resultados obtidos para percentagem de remoção utilizando o planejamento experimental 2³ com 3 pontos centrais. Ensaio Concentração (mg/L) pH Tempo de agitação (h) %Remoção 1 60 6 4 99,67 2 100 6 4 99,80 3 60 8 4 99,69 4 100 8 4 99,85 5 60 6 6 99,73 6 100 6 6 99,83 7 60 8 6 99,76 8 100 8 6 99,77 9 80 7 5 99,81 10 80 7 5 99,81 11 80 7 5 99,82 Observa-se que as variáveis pH e temperatura não influenciam de maneira significativa nos resultados de porcentagem de remoção, diferentemente da concentração que mostra resultado efetivo da variável de resposta para valores mais altos de concentração. Com os dados obtidos o ensaio que apresentou maior porcentual de remoção foi o ensaio 4 nas condições de concentração de 100mg/L, pH 8 e tempo de agitação de 4 horas. O diagrama de Pareto mostra a contribuição de cada fator sobre o percentual de remoção de cor do azul de metileno utilizando a argila como adsorvente. É possível aferir, por meio de análise do gráfico de Pareto, que a concentração do corante foi o único parâmetro estatisticamente significativo para o intervalo de confiança de 95%. A Equação 3 representa o modelo para o processo de remoção de azul de metileno para argila 4. As superfícies de respostas estão apresentadas nas Figuras 5, 6 e 7. % Rem=98,30+0,0114C+0,1135pH+0,1927T-0,0005CpH-0,0011CT-0,0013pHT (3) Isotermas de Adsorção As isotermas são construídas como objetivo de melhor compreender o que acontece no processo de adsorção. É por meio da isoterma de equilíbrio que se descreve como o adsorvente interage com o adsorvato, pois a correlação dos resultados experimentais com o modelo de adsorção pode ajudar a explicar o seu mecanismo (BARROS; ARROYO, 2002). As isotermas de adsorção foram construídas utilizando-se as melhores condições experimentais obtidas. Foi investigado três modelos de isotermas: Langmuir, Freundlich e Sips. A Figura 1 apresenta a isoterma de Sips para a argila PMT -2 na remoção do corante azul de metileno. A partir das curvas de ajuste aos modelos estudados e dos valores apresentados na Tabela 2, pode-se inferir que o modelo de Sips é o que melhor descreve os dados experimentais para o argilo mineral avaliado, tendo em vista que, no geral, apresentou maiores coeficientes de correlação e maior homogeneidade dos dados. Além disso, temos que, as três isotermas apresentaram bons resultados quanto ao ajuste do modelo, todas são consideradas favoráveis e caracterizam a adsorção como sendo física. Tabela 2 - Valores dos parâmetros calculados pelos modelos de isotermas testados. Langmuir Freundlich Sips qmáx (mg/g) 9,297 qmáx(mg/g) 22,042 RL 0,34 n 1,068 n 0,41 KL (L/mg) 0,036 KF 10,86 Ks 0,050 R² 0,9683 R² 0,9721 R² 0,9788 Cinética de adsorção A variação da concentração de equilíbrio ao longo do tempo de contato é visualizada na Figura 2, em que é possível analisar graficamente o tempo de equilíbrio, ou seja, quando a concentração de óleo em água permanece, praticamente, constante ao longo da variação temporal. Foram testados os modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem e pseudo- segunda ordem para os ensaios de remoção do corante azul de metileno com o uso da argila como adsorvente. Os parâmetros cinéticos foram obtidos por meio da linearização da reta. Na Tabela 3 é possível observar que o R2 para o modelo de pseudo-segunda ordem apresenta um ótimo ajuste aos dados experimentais. Sendo este, o melhor valor obtido entre os modelos. Tabela 3 - Equação da reta e coeficiente de determinação para o modelo de pseudo-segunda ordem. Equação da reta R² 0,2082x-0,200 0,998 Com a equação da reta foi possível determinar os parâmetros para o modelo cinético de pseudo-segunda ordem que estão expressos na Tabela 4. Tabela 4 - Parâmetros do modelo de pseudo-segunda ordem. qeq (mg/g) k (g/mg.min) 4,80 0,217 A Tabela 5 apresenta o valor para a capacidade de adsorção de 4,80 mg/g para argila PMT-2 para o tempo de contato de 240 minutos.

(a) Resultados obtidos para utilizando o planejamento experimental; (b) Valores dos parâmetros calculados pelos modelos de isotermas testados


(a) Ajuste da isoterma de Sips para a argila PMT -2; (b) Variação da concentração de equilíbrio em função do tempo

Conclusões

As caraterizações obtidas evidenciaram a presença do argilomineral esmectítico, ou seja, a argila PMT-2 trata-se de um composto bentonítico com traços consideráveis de quartzo e sais orgânicos. O argilomineral demonstrou alta eficiência para a adsorção do corante têxtil azul de metileno. Para os estudos de adsorção, as condições que apresentaram adsorção máxima foi de 22 mg/g; a quantidade de massa de adsorvente foi de 1 g e o tempo de equilíbrio de 4 horas. A remoção do corante, nas melhores condições experimentais, foi de, aproximadamente 99,85%. Foram investigados os modelos de isoterma de Langmuir, Freundlich e Sips. Observa-se uma proximidade entre os valores encontrados nos modelos, porém, o modelo de Sips prevaleceu, devido à maior homogeneidade dos resultados para as diferentes variáveis estudadas. Além disso, o modelo cinético que melhor descreveu o processo de adsorção para a argila PMT-2 foi o de pseudo-segunda ordem. De modo geral, os argilominerais podem ser considerados como uma alternativa para a remoção do corante têxtil azul de metileno, uma vez que as amostras de adsorventes estudadas tiveram alta eficiência, sem a necessidade de passar por qualquer tipo de tratamento ou purificação. Soma-se a isso o fato da argila bentonita apresentar baixo custo e grande abundância.

Agradecimentos

Referências

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