ÁREA
Iniciação Científica
Autores
Freitas, C.R. (IFCE) ; Assunção, J.C.C. (IFCE) ; Oliveira, M.M.R. (IFCE) ; Sousa, E.J.R. (IFCE) ; Duarte, M.M. (IFCE) ; Moura, F.T.S. (IFCE) ; Sousa, I.B. (IFCE) ; Pereira, L.H. (IFCE) ; Salgado, B.C.B. (IFCE)
RESUMO
O trabalho visou o desenvolvimento de bioadsorvente magnético nanoestruturado a partir de Biochar de sabugo de milho com magnetita para remover corante de efluentes têxteis. A Preparação envolveu calcinação do sabugo e co-precipitação de Fe II e III para a produção de magnetita. Caracterização incluirá MEV, EDS, TGA, FTIR e DRX. Otimizações das condições de adsorção resultaram em parâmetros ideais: massa 75 mg/L, pH 10,5, corante 5 ppm. Os Resultados promissores mostraram alta capacidade de remoção. Nanoestruturação e nanopartículas magnéticas contribuíram para eficiência. Isotermas de Langmuir e Freundlich serão simuladas, cinética e testes comparativos com adsorventes comerciais eficientes serão realizados para a comparação com adsorvente já existentes no mercado.
Palavras Chaves
Adsorvente ; Magnético; Corante
Introdução
Os recursos hídricos são essencialmente valiosos para a vida de todos os seres, mas são uma fonte finita no planeta. É uma substância utilizada para diversos fins, desde uma simples limpeza até processos mais complexos e extremamente relevantes, como geração de energia em hidrelétricas, resfriamento de reatores nucleares, entre outros. Assim, por questão de sobrevivência de todas as espécies, este bem deve ser cuidadosamente preservado. Apesar de, aproximadamente, 2/3 da superfície do planeta ser recoberto por água, apenas 0,007% estão disponíveis para o consumo humano, sendo que 97,50% estão nos oceanos (água salgada), imprópria para o consumo humano (que necessita de um processo de dessalinização para o uso) e 2,493% encontram-se em regiões polares ou subterrâneas (aquíferos), de difícil aproveitamento (ARRUDA, 2018). O progresso industrial e o surgimento de novas tecnologias vêm crescendo exponencialmente nas últimas décadas, melhorando as condições de vida dos seres humanos (BARCELLOS et al., 2009). Contudo, aliado ao grande crescimento populacional no mesmo período, estas evoluções trouxeram também prejuízos gigantescos para o meio ambiente, principalmente aos recursos hídricos. O descaso e o despreparo mundial na questão do manejo dos resíduos químicos produzidos tornaram a poluição hídrica uma constante, sendo possível sua detecção em águas de superfície (SONG et al., 2008), lençóis freáticos (CARRARA et al., 2008), estações de tratamento de efluentes (RADJENOVIC et al., 2007) e águas de abastecimento (WILLIAN et al., 2006). A necessidade de grandes quantidades de água em processos das indústrias têxteis, farmacêuticas e alimentícias, acarretam na poluição de leitos e reservatórios em escala global (BUSHRA et al., 2021). Um dos principais agentes poluentes são os corantes, que ameaçam a saúde pública e o ecossistema (OSAGIE et al., 2021). Diante do exposto torna-se clara a necessidade do desenvolvimento de tecnologias para minimizar os danos ambientais provocados em fontes hídricas. Portanto, o desenvolvimento de um produto que auxilie na remoção de poluentes, como corantes têxteis, destes recursos é de fundamental importância para o meio ambiente e para as indústrias que tem um compromisso social. A adsorção tem se destacado como um processo de separação devido a sua alta seletividade em nível molecular, eficiência, economia e baixo consumo de energia (BELISÁRO et. al, 2009). Consiste na separação, através da transferência de massa, de componentes (denominados adsorbatos) de uma mistura em uma fase fluida sobre a superfície de um material sólido (chamado adsorvente) (MARELLA e DA SILVA, 2007). A bioadsorção também é um processo de purificação, em que materiais poluentes são removidos do ambiente aquático, através da adsorção com produtos naturais, chamados bioadsorventes (JUSTI, 2006). A utilização de bioadsorventes para o tratamento de efluentes contaminados, quando comparado aos demais métodos de descontaminação, apresenta- se como uma proposta promissora, eficiente, economicamente viável e ecologicamente sustentável (BELISÁRO al et., 2009). A combinação de técnicas de diferentes áreas, como por exemplo a nanotecnologia, pode ser um aliado para a criação de biossorventes ainda mais práticos e tecnológicos (SANTANDER et al., 2021; SEBASTIAN, NANGIA e PRASAD, 2018). O uso da nanotecnologia torna-se atraente, pois confere características como grande área superficial, e reatividade, além de propriedade magnéticas que facilitam processos de separação entre adsorbato e adsorvente (JAWED, SAXENA e PANDEY, 2020; KHAIRY et al., 2022; LANGSDORF et al., 2021). Nanomateriais como a magnetita (Fe3O4), um óxido de metal de ferro com características magnéticas, apresenta-se como alternativa para tornar biossorventes mais tecnológicos (AIN et al., 2019; GUSELNIKOVA et al., 2020; RAGANATI et al., 2019). De prática produção, a magnetita ainda pode ser facilmente impregnada em biomassas in natura ou modificada por processos químicos. Portanto este trabalho tem como principal objetivo desenvolver um bioadsorvente natural magnético nanocompósito com potencial de remoção do corante azul de metileno de efluentes hídricos de indústrias têxteis.
Material e métodos
Da produção do Biochar: O biochar foi produzido a partir de sabugo de milho, seguindo a metodologia adaptada de Di Bidonto et al. (2020). O processo envolveu pré-trituração do sabugo, lavagem com água deionizada a 70°C por 15 minutos em mesa agitadora e aquecedora. Em seguida, o sabugo pré-triturado foi seco em estufa por 24 horas, triturado e peneirado com malha de 8mm. O material foi submetido à pirólise em mufla, com taxa de aquecimento de 10°C/min até 450°C, mantendo essa temperatura por 2 horas. Finalmente, o biochar foi peneirado, pesado em cadinhos de 50 ml e aquecido novamente até 450°C por mais 2 horas como ilustrado na Figura A. Em temperatura ambiente o material foi lavado com água deionizada e seco em estufa por 24 horas a uma temperatura de 100ºC e em seguida reservado em recipiente de vidro dentro de uma dessecadora. Dá Produção da Magnetita (Fe3O4): Nanopartículas de Fe3O4 foram preparadas pelo método de co-precipitação em ambiente alcalino, conforme relatado por Li et al. (2018b). Assim, 250 ml de solução de sal de ferro (0,2 M FeCl3.6H2O; 0,1 M e FeSO4.7H2O) foi colocado em um balão de 250 ml. Em seguida, 20 ml de solução de NaOH 3 M foram adicionados gota a gota para manter o pH acima de 10 e a suspensão foi mantida sob agitação por 60 min a temperatura de 80°C. O produto preto foi resfriado à temperatura ambiente por 60 min, separado por imã e lavado cinco vezes com água deionizada e uma vez com solução etanoica a 10%. Dá Adsorção de corante têxtil: Nanopartículas de Biochar/Fe3O4 foram utilizadas como adsorventes para remover o corante têxtil Azul de Metileno (MB). Foram realizados testes de bancada em triplicata, onde diferentes concentrações de corante e nanopartículas de Biochar/Fe3O4 foram incubadas a 30°C e 160 rpm por 1 hora. Após a incubação, as nanopartículas foram separadas por um ímã e as concentrações de corante foram analisadas por espectrofotômetro. Os dados de equilíbrio também foram obtidos após incubação de diferentes concentrações de corante usando 75,00 mg/L de Biochar/Nanopartículas de Fe3O4 por 60 minutos a 30°C e 160 rpm. A capacidade de adsorção do corante foi calculada e ajustada ao modelo de isoterma de Langmuir. Os parâmetros de adsorção foram determinados e o coeficiente de determinação (R2) foi utilizado para avaliar a adequação dos dados experimentais. Na Eq. 1, m é a massa de nanopartículas de Biochar/Fe3O4, V é o volume da fase líquida, C0 e C são a concentração inicial de corante e a concentração de corante residual, respectivamente. Na Eq. 2, qe é o corante capacidade de adsorção em equilíbrio, qmax é a capacidade máxima de adsorção do corante, kd é a constante de dissociação e Ce é a concentração do corante em equilíbrio. Os parâmetros foram determinados a partir de experimentos realizados a 30 °C e o coeficiente de determinação. q=(CO-C)×Vm (01) qe=qmaxCe)×Vkd+Ce (02)
Resultado e discussão
A partir dos resultados do estudo das melhores condições de aplicação do
nanocatalisador foi verificada que temperatura de 30°C, concentração do
catalisador de 5% (Fe3O4) e um tempo de reação de 60 minutos conduziram aos
melhores rendimentos. Os testes para verificação da viabilidade de reuso do
nanocatalisador revelaram que o desempenho durante 3 ciclos completos atingiu
92% de eficiência média em condições otimizadas nas concentrações de 2,5 ppm;
5,0 ppm e 7,5 ppm, sendo avaliados a forma seu reuso por 5 ciclos completos
sendo esses dois últimos ineficientes e com resultados irrelevantes para a
pesquisa, notando-se que após essa quantidade de reaplicações em condições de
bancada o nanoadsorvente começou a perder sua eficiência, levando a um
decaimento considerável no rendimento da reação conforme leituras no
espectrofotômetro UV/VIS em cumprimento de 664 nm (BATISTA, 2014). Atualmente, a
aplicação de nanocatalisadores heterogêneos tem recebido muita atenção devido às
suas propriedades físicas e químicas únicas. Os catalisadores mostraram bom
desempenho catalítico e podem ser facilmente separados da mistura de reação após
a conclusão da reação (BASKAR; SOUMIYA, 2016). Conforme Figura B, apresenta-se
os percentuais de eficiência em diferentes concentrações tanto do adsorvente
como do adsorbato.
Figura B – Gráfico de Eficiência (%)
Nesse estudo, o adsorvente foi submetido a diferentes soluções de azul de
Metileno em diferentes concentrações analisadas em espectrofotometria UV/VIS e
preparadas a partir de uma solução estoque de 20 ppm e diluídas nas seguintes
concentrações 1 ppm; 2,5 ppm; 5,0 ppm; 7,5 ppm e 10 ppm para balizamento de
análises posteriores. Com os resultados obtidos foi gerado a curva de calibração
mostrada no Figura C.
Figura C – Curva de calibração das soluções de Azul de metileno.
A melhor forma de representar os dados de equilíbrio em processos adsortivos é
através das isotermas de adsorção. A relação de equilíbrio nestes modelos é
estabelecida apenas entre as espécies químicas originalmente presentes na fase
fluida, não havendo influência de espécies químicas liberadas pelo biossorvente.
(LIMA, 2013). A Figura D mostra a eficiência máxima do adsorvente em condições
otimizadas.
Figura D – q MAX
Os resultados foram promissores, demonstrando uma alta capacidade de remoção
desses poluentes do meio líquido. A nanoestruturação do adsorvente e a presença
das nanopartículas magnéticas contribuíram significativamente para a sua
eficiência na adsorção dessas espécies. Dessa forma, o adsorvente mostra um
grande potencial para ser utilizado em diversas áreas, como no tratamento de
efluentes industriais e urbanos, e sendo analisado na remediação de solos
contaminados e na purificação de água potável. Sua capacidade de remoção
eficiente de poluentes o torna uma alternativa atraente aos adsorventes
convencionais atualmente utilizados. No entanto, é importante reconhecer que,
para uma possível aplicação em escala comercial, é necessário realizar uma
avaliação mais aprofundada de sua estabilidade e regeneração após o uso em longo
prazo. Além disso, estudos adicionais estão sendo conduzidos para investigar
aspectos relacionados à segurança ambiental e toxicológica do adsorvente,
visando garantir sua utilização responsável e minimizar possíveis efeitos
adversos.
Figura A: Produção do Biochar | Figura B: Gráfico de \r\neficiência| Figura C: Curva de Calibração | Figura \r\nD: Qmax
Conclusões
Observou-se no decorrer do trabalho que ficou comprovada a eficácia da produção e da aplicação dos nanocatalisadores estruturados e associados a magnetita (Fe3O4). Portanto, levando em consideração que os teste realizados foram feitos em bancada e em condições manipuladas, faz-se necessário o desenvolvimento de métodos mais eficazes para otimizar o processo, além de ser importante a realização de outros testes e estudo de variáveis. Tendo em vista que esse nanocatalisador pode ser reutilizado por até 3 ciclos e que ele tem uma vida útil de quase 100% de reaproveitamento, torna essa pesquisa de grande utilidade para a remoção de corantes industriais e tornando-se objeto de estudos futuros e mostrando também que se pode tornar o custo desse processo de produção mais barato, entrando em consonância com os objetivos da pesquisa.
Agradecimentos
Ao IFCE-Campus Maracanaú pela concessão de infraestrutura; Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico –CNPq pela bolsa de IC; Ao Laboratório de Tecnologia em Processos Ambientais -LTPA, por todo apoio.
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