ÁREA
Química de Materiais
Autores
Pereira, A.R. (IFMA - MARACANÃ) ; do Ano, J.D.A. (IFMA - ZÉ DOCA) ; Vieira, J.S.C. (IFMA - ZÉ DOCA) ; Moraes, D.S. (IFMA - ZÉ DOCA) ; Rodrigues, M.R.M. (IFMA - ZÉ DOCA) ; Melo, G.R. (IFMA - ZÉ DOCA) ; Carvalho, E.M.V. (IFMA - ZÉ DOCA) ; Carvalho, F.W.P. (IFMA - ZÉ DOCA)
RESUMO
O carvão ativado é um dos materiais mais utilizados no processo de adsorção, principalmente no tratamento de água para abastecimento humano. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi produzir um carvão granulado ativado quimicamente a partir de caroços de açaí. A carbonização do precursor foi realizada a 700 ºC durante 30 minutos, o ácido fosfórico (H3PO4) foi empregado como agente de ativação. No decurso do tratamento de água de poço artesiano desativado o carvão apresentou elevado potencial adsortivo eliminando e/ou redimindo os inconvenientes físicos e químicos, aumentando significativamente a potabilidade da água destinada ao abastecimento humano e contribuindo para a melhoria da qualidade de vida dos consumidores.
Palavras Chaves
Carvão ativado; Adsorção; Água potável
Introdução
O carvão vegetal é uma fonte energética obtida a partir da pirólise ou carbonização de uma biomassa denominada de precursora. O Brasil ocupa a posição de maior produtor e consumidor de carvão vegetal do mundo, sendo que quase toda a produção é destinada ao mercado interno. Dentre os ramos de aplicação deste insumo energético destacam-se o tratamento de água para o consumo humano (COSTA, 2017). O carvão oriundo do processo de carbonização não apresenta porosidade definida. Para aumentar a eficiência e número de poros, utiliza-se técnicas de ativação do material carbonáceo, como a ativação física e ativação química (XIAO et al, 2014; COSTA et al, 2019). No processo de ativação física, o carvão é submetido a altas temperaturas em geral, na faixa de 600 – 900°C, superior à faixa de carbonização que varia entre 400 – 850°C. Enquanto que no processo de ativação química, adiciona-se ao material precursor um agente de ativação, responsável pela formação poros, bem estruturados, simultaneamente à carbonização (TADDA et al, 2016). Na ativação física eliminam-se impurezas através da pirólise para se elevar o percentual de carbono fixo da biomassa. Por outro lado, na ativação química, os agentes desidratantes ou ativantes interferem na composição prolífica e inibem a formação de líquidos e aumentam a com concentração de carbono fixo. A ativação química apresenta algumas vantagens em relação à ativação física como menor temperatura de pirólise, maior rendimento e obtenção de material precursor com significativa área superficial específica e volume de poros. Esta propriedade é de grande importância no setor industrial. Em face de sua capacidade de capturar moléculas através de interações químicas e de possuir elevada área superficial específica, que permite a remoção de inconvenientes que degradam o meio ambiente, o carvão ativado é um dos principais adsorventes de ecossistemas aquáticos (SCHETTINO JR et al, 2007; CRUZ et al, 2017). A produção de carvão ativado a partir de biomassa proveniente de resíduos agroindustriais é vantajosa, visto que exige baixo custo quando se comparado a outros métodos de obtenção. Materiais que possuem alto teor de carbono podem ser convertidos em carvão ativado e, por conseguinte, utilizados como adsorventes (CRUZ et al, 2017). O tratamento biológico da água para consumo humano visa à redução da instabilidade da água através da oxidação da matéria orgânica biodegradável e dos compostos inorgânicos presentes na forma reduzida, tais como o ferro (Fe2+), o manganês (Mn2+), enxofre (H2S, HS, S2O32-), nitrogênio (NH3, NO2-) e gás hidrogênio (H2). Um dos principais processos utilizados para o tratamento de água reside no emprego de carvão ativo biologicamente (ALVES, 2018). À luz da Química, o grande problema da qualidade da água são os micros contaminantes provenientes das atividades antrópicas, que contaminam as águas subterrâneas, dos lançamentos de esgotos industriais e sanitários in natura ou tratados lançados nos mananciais, que ocasionam riscos à saúde. Tais micros contaminantes são de difícil remoção principalmente em regiões que precisam de tratamento e de um sistema de distribuição de água adequado (DI BERNARDO et al., 2017). O município de Zé Doca localiza-se na transição entre os biomas Amazônia e Cerrado, caracteriza-se pela alta diversidade de ecossistemas e biodiversidade (TORRES, 2011; SILVA et al., 2016). Em termos de atividades agroindustriais, apresenta-se como um excelente produtor de polpa de açaí (Euterpe oleracea). Uma desvantagem oriunda do despolpamento deste precioso fruto é a geração de resíduos, especificamente os caroços que causam impactos negativos ao meio ambiente. Na atualidade, a preocupação com o meio ambiente tem impulsionado o desenvolvimento de novas tecnologias capazes de redimir e/ou eliminarem os impactos antrópicos (ABREU, 2019). Com a crescente produção de polpa de açaí no município de Zé Doca (MA), a reutilização dos subprodutos predominantes desta atividade é indispensável. Utilizar o resíduo do despolpamento para aplicá-lo e agregar valor em processos de tecnologia e inovação, como por exemplo, a produção de adsorventes de baixo custo, pode se constituir em uma alternativa viável para o tratamento de água potável. Este trabalho teve como objetivos sintetizar carvão granulado ativado quimicamente com ácido fosfórico a partir de caroços (endocarpo e amêndoas) de açaí (Euterpe oleracea) para tratamento de água potável e caracterizar físico- química a água destinada para consumo humano antes e após tratamento com o carvão ativado produzido, em consonância com a Portaria do MS n°888/2021.
Material e métodos
PRODUÇÃO DE CARVÃO ATIVADO Os caroços foram lavados em sucessivas vezes com água corrente para retirada de resíduos da polpa propriamente dito. Os caroços selecionados foram submetidos à secagem ao ar livre durante uma semana e, posteriormente, secos em estufa durante 3 horas a 105 °C (± 5° C). Na etapa de carbonização, os caroços secos foram submetidos à calcinação em um forno mufla durante 30 minutos a 700 °C. O carvão formado foi resfriado até atingir a temperatura ambiente. Em seguida, o carvão formado foi submetido à primeira lavagem com água fervente a 90 °C durante 30 minutos. Nesta etapa, o sistema (carvão + água) foi mantido em agitação. O carvão foi adicionado em um balde de alumínio com capacidade de 5 L. A água de lavagem foi adicionada em uma proporção de 1:100 (1 porção de carvão para 100 porções de água). A mistura (carvão, água fervente e resíduo) foi filtrada para separação do carvão e os demais componentes da mistura. A etapa de lavagem tem por finalidade retirar resíduos da carbonatação (cinzas) e desobstruir os poros do carvão. (MORAIS, 2010). O carvão granulado e limpo foi submetido à secagem em uma estufa a 100°C durante 60 minutos. ATIVAÇÃO COM ÁCIDO FOSFÓRICO O processo de ativação do carvão limpo foi baseado com as recomendações de Jaguaribe et al (2005) e Cambuim (2009). Inicialmente, foi preparada 5L de solução estoque de H3PO4 de concentração 9,0 g.L-1. A solução do ativante e o carvão limpo foram inseridos em uma panela de alumínio com capacidade de 18 L, permaneceram em contato durante 30 minutos sob constante agitação com auxílio de um agitador mecânico. Em seguida, a mistura foi separada por filtração, o carvão ativado foi lavado duas vezes com água corrente e submetido à secagem durante 120 minutos a 100°C e disponibilizado para caracterização e para teste de adsorção. TRATAMENTO DE ÁGUA PARA ABASTECIMENTO HUMANO A água destinada para consumo humano foi tratada através do processo de adsorção no carvão ativado produzido visando à remoção de partículas suspensas, microrganismos e demais substâncias indesejadas que interferem na potabilidade da água. Previamente ao tratamento, foi montado um dispositivo para investigar- se a capacidade adsortiva do carvão granulado conforme ilustra a Figura 1. CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DA ÁGUA DE ABASTECIMENTO Os frascos contendo as amostras de água in natura e tratadas devidamente identificados foram mantidos em refrigeração e disponibilizados para a realização dos ensaios físicos e químicos conforme recomenta a Portaria do Ministério da Saúde, n° 888, de 05 de maio de 20021.
Resultado e discussão
A Tabela 1 ilustra os resultados revelados para a mostra de água in natura
coletada em um poço artesiano desativado e para as amostras tratadas por um
período de 6 horas. A cada interstício de 2 h foram retiradas 2 L da água
tratada para a avalição física e química.
Na Tabela 1 observa-se que os parâmetros de controle de qualidade da amostra in
natura estão em conformidade com a Portaria n° 888/21 do MS. A turbidez inicial
era 5,60 uT (unidade nefelométrica de turbidez). Com o aumento do tempo de
residência do tratamento da água do poço artesiano desativado ocorreu uma
redução significativa da turbidez. A partir de 4 horas de tratamento houve um
pequeno aumento da turbidez e demais parâmetros. Este fato é justificado pela
necessidade de abastecimento do reservatório de água, uma vez que a cada
intervalo de 2 hora foram coletados dois litros de água tratada para análise
físico-química e sua capacidade volumétrica é de apenas 3L. Com a continuidade
do tratamento notou-se claramente que a passagem da luz pela água aumentou com a
redução da turbidez para 0,35 uT.
A cor da água pode ser um indicativo do seu grau de poluição. Água com coloração
intensa apresenta elevada Demanda Química (DQO) ou Bioquímica de Oxigênio (DBO),
além de concentrações elevadas de sólidos dissolvidos. Inicialmente, a cor da
água analisada era de 10,0 uH (unidade Hazen), o final do tratamento foi
reduzida à metade atendendo a especificação do MS através da Portaria n° 888/21,
que é < 15,00 uH. Com um aspecto límpido e isento de impurezas pode-se inferir
que o carvão granulado ativado quimicamente com H3PO4 foi capa de adsorver as
substâncias (adsorvato) que estavam dissolvidas na água submetida ao tratamento.
O pH revelado para a amostra in natura foi de 6,70. Com o passar do tempo
apresentou pequeno aumento. Este parâmetro está extremamente ligado à
alcalinidade total e à dureza total. Como a dureza total aumentou subtende-se
que a concentração de sais ácidos presentes na água do poço artesiano também
aumentou ocasionando a redução da alcalinidade total, uma vez que este parâmetro
é indicativo da presença de íons OH-1, cuja função é neutralizar ácidos (H+1) em
ambientes aquáticos. O pH da água tratada foi mantido dentro da especificação do
MS (6,0 a 9,5). Outro parâmetro que influencia na acidez de água despoluída
(separada de sujidades) é o CO2.
O CO2 da água in natura indicou uma concentração de 28 mg. L-1 atingindo o
limite máximo exigido pela Portaria n° 888/21 MS. Observam-se na Tabela 1 que no
decurso do tratamento da água em análise, o referido parâmetro foi reduzido e no
final do processo permaneceu em 15 mg. L-1. O CO2 dissolvido na água é
resultante da respiração animal, da decomposição da matéria orgânica e de certos
minerais e acabam influenciando na acidez da água e certamente contribuiu para
manutenção do pH da água em 6,0 no final do tratamento.
O íon cloreto (Cl-1) é um dos ânions inorgânicos enormemente encontrados em
águas naturais e residuárias. O sabor de uma água tratada depende da
concentração do íon cloreto e da sua composição química. Quando determinada água
é detentora de cátions como o cálcio (Ca+2) ou magnésio (Mg+2) pode apresentar
sabor salino ou quando a concentração de cloreto for superior a 1.000 mg. L-1.
A água do poço artesiano desativada em análise revelou Cl-1: 28 mg. L-1, no
decorrer do tratamento da referida água reduziu atingindo a concentração final
de 15 mg. L-1. As amostras da água permaneceram insipidas, portanto, isentas de
sabor salino detectável.
Os íons sulfato (SO4-2), encontrados na água são oriundos da dissolução do solo
e de rochas. O excesso de SO4-2 na água de abastecimento pode surgir quando a
mesma é constituída de uma quantidade significativa de matéria orgânica
enriquecida com minerais e nutrientes que induzem o crescimento de algas
(eutrofização). O teor de SO4-2 encontrado inicialmente, na água em análise foi
de 92 mg. L-1 e no final desapareceu completamente.
Durante o tratamento da água do poço artesiano foi detectado um teor
significativo elevado para o parâmetro nitrato (NO3-1) na ordem de 8,74 mg. L-1
e com o decorrer do tratamento com o carvão granulado ativado com ácido
fosfórico baixo para 2,19 74 mg. L-1 no final do tratamento. O íon nitrato é
proveniente de fertilizantes, agrotóxicos, esgotos e de fontes subterrâneas. Sua
presença em águas destinadas para o abastecimento humano é indicativo da
presença de microrganismos patógenos. Este fato corrobora com os resultados
revelados durante a análise bacteriológica que identificou a presença de
colônias de bactérias do grupo coliforme total e fecal entre os ensaios
presuntivos e confirmativos pelo método do ensaio múltiplo, em um total de 96
horas de análise.
Ao interpretar-se a Tabela 1, cabe destacar que todos os parâmetros físico-
químicos analisados atendem às especificações da Portaria n° 888/21 do
Ministério da Saúde, exceto o teor de CO2 que ficou acima do limite máximo (28
mg. L-1).
Nesta etapa de investigação da capacidade adsortiva do carvão granulado ativado
quimicamente, observou-se o surgimento do íon ferruginoso que na etapa anterior
não foi detectado. O íon NO3-1 apresentou valores significativamente baixos e
consequentemente não revelou a formação de colônias de bactérias do grupo
coliforme total e fecal. Neste sentido, pode-se afirmar que o carvão granulado
ativado se tornou mais eficiente por que conseguiu eliminar os interferentes
físicos e químicos da água destinada para abastecimento humano.
Processo de tratamento de água de abastecimento para \r\nconsumo humano
Amostras de água tratadas com carvão granulado \r\nativado com H3PO4
Conclusões
A síntese de carvão granulado com propriedades mesoporosas, produzido a partir de caroços de açaí previamente carbonizados e ativados quimicamente com ácido fosfórico indicou elevado potencial de aplicabilidade no tratamento de água destinada para abastecimento humano. O processo de tratamento de água de um poço artesiano desativado consistiu da inserção de um biofiltro com a função de purificar a referida água em termos físicos e químicos. O sistema entrou em operação durante 6 horas de trabalho initerruptamente gerando em média 6 amostras. Os resultados indicaram que o carvão desempenhou um excelente papel em termos físicos e químicos, uma vez que a água tratada permaneceu dentro das especificações da Portaria n° 888/21-MS. Diante do exposto pode-se inferir que a síntese do carvão granulado ativado quimicamente apresentou vantagens no tocante ao baixo custo de produção, uma vez que a utilização alternativa da biomassa proveniente dos resíduos oriundos do despolpamento do açaí tem respaldo científico-tecnológico e inovador, além de contribuir econômico e ambientalmente para a cadeia produtiva do açaí e acima de tudo melhorar a qualidade da água destinada para o consumo humano conforme especifica a Portaria n°888/21-MS, ajudando na purificação física e química da água prevenindo doenças de veiculação hídrica, contribuído para melhorar a qualidade de vida da população.
Agradecimentos
Agradecemos o apoio concedido pela Fundação de Amparo à Pesquisa e ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Maranhão (FAPEMA), ao IFMA e ao GPAQS par a execução deste trabalho.
Referências
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