ÁREA
Química Ambiental
Autores
Silva, M.N.S. (UFPE) ; Freitas, R.A. (UFPE) ; Guedes, G.A.J.C. (UFPE) ; Silva, C.O.L. (UFPE) ; Silva, F.S. (UFPE) ; Santana, I.L.S. (UFPE) ; Silva, M.G. (UFPE) ; Ribeiro, B.G. (UFPE) ; Duarte, M.M.M.B. (UFPE)
RESUMO
A presença de corantes oriundos de efluentes da indústria têxtil gera uma série de problemas ambientais. Diante disto, este trabalho visa o estudo dos efeitos da granulometria, relação massa do adsorvente por volume da solução (m/V) e a velocidade de agitação (V.A) sobre o processo adsortivo do corante azul reativo BF-5G (AR), em meio aquoso, pelo carvão ativado produzido de sementes de graviola (CA). A metodologia empregada possibilitou definir as condições operacionais para a adsorção, sendo: granulometria <0,090 mm, m/V de 2 g·L-1 e V.A. de 200 rpm. Obtendo capacidade adsortiva de 15,8 e 16,9 mg·L-1 e percentual de remoção de 69 e 74% em 313 e 602 nm, respectivamente. Demonstrando assim o potencial da aplicação do CA para remoção de corantes têxtil de meio aquoso.
Palavras Chaves
Bioadsorvente; Adsorção; Corante têxtil
Introdução
A adsorção é um processo de transferência de massa que ocorre entre uma fase fluida, cuja substância de interesse (denominada adsorvato) se encontra, e uma sólida (chamada de adsorvente). Durante o processo, a remoção ocorre pela atuação de diferentes mecanismos, sendo eles: transferência de massa entre o líquido e a superfície do adsorvente, devido diferença de concentração na interface líquido-sólido; a difusão no poro, no qual as moléculas são transportadas ao longo da superfície ao poro; e a difusão dentro do poro até que o soluto chegue aos sítios ativo (ZANONI; YAMANAKA, 2016). Este fenômeno ocorre devido a interações que podem ser de natureza física (fisissorção) ou química (quimissorção). No caso da fisissorção, a substância fica retida devido a formação de dipolos permanentes ou induzidos como a atração de van de Waals, podendo acontecer em toda superfície do material. Enquanto, na quimissorção há a formação de ligações químicas entre o adsorvato e os sítios ativos (ATIF et al. 2022). Sendo a eficiência de adsorção resultado de uma combinação entre os tipos de forças envolvidas na adsorção física e química, existem fatores que influenciam no processo, sendo eles: a natureza do adsorvente (dimensões do poro e os grupos funcionais presentes e tamanho da partícula); a natureza do adsorvato (tamanho da molécula); e as condições operacionais (agitação que pode modificar a área de contato entre o adsorvente/adsorvato; a proporção entre adsorvente e líquido) (NASCIMENTO et al. 2020). O processo adsortivo se destaca devido sua fácil operação e eficiência, além da versatilidade associada aos diversos materiais que podem ser empregados como adsorventes, como os resíduos agroindustriais (ALI et al. 2021). De acordo com Nascimento et al. (2014), esses resíduos são compostos por celulose e lignina, que apresentam em suas estruturas grupos funcionais como a carboxilas (-COOH) e hidroxilas (-OH), capazes de remover contaminantes em meio aquosos, como os corantes. Os mesmos autores ainda afirmam que modificações feitas na estrutura desses materiais, sejam elas físicas (como a moagem) ou químicas (processos de ativação), são capazes de gerar ainda mais grupos funcionais, melhorando assim a eficiência do processo. Segundo Haq, Kalamdhad e Pandey (2023), a adsorção pode ser utilizada para remoção de variados tipos de contaminantes em meio aquoso, como os metais pesados e compostos orgânicos como os corantes, que quando liberados no corpo hídrico, são responsáveis por uma gama de impactos ambientais. No caso dos corantes, sua presença ocasiona em desequilíbrio nos ecossistemas, e consequentemente, diminuição da quantidade de oxigênio no meio. É estimado que cerca de 20% do corante utilizado no processo de fabricação de itens têxteis são liberados nos efluentes. Em conjunto com outras substâncias, os corantes tornam esses efluentes mais difíceis de degradar de forma biológica, principalmente os sintéticos que possuem uma estrutura é mais complexa (GUILHERME et al. 2021). Na literatura, é possível encontrar pesquisas desenvolvidas com bioadsorventes modificados no tratamento de corantes, como: a adsorção do corante azul de metileno utilizando cascas de amendoim (AHMAD et al. 2021), remoção da mistura de corantes laranja de metila e azul de metileno por de cascas de laranja e de limão (RAMUTSHATSHA-MAKHWEDZHA et al. 2022), o uso de cascas de moringa para adsorver o corante cristal de violeta (RAJI et al. 2023). Diante do exposto, este trabalho tem como objetivo estudar o processo adsortivo de um carvão, produzido a partir da ativação de sementes de graviola, na remoção do corante têxtil aniônico azul reativo BF-5G (C29H20ClN7O11S3, P.M. de 774,15 g·mol-1), que possui em sua estrutura grupos cromóforos tipo azo e carbonila, e de auxocromos como ácidos sulfônicos, hidroxilas e aminas. Visando determinar as condições de trabalho que apresentem melhor desempenho, foram avaliadas a influência da granulometria, relação massa de adsorvente por volume de solução e velocidade de agitação.
Material e métodos
Para realização do estudo foi utilizado um carvão ativado de sementes de graviola (CA) produzido conforme Santos (2021), que possui em sua superfície os grupos funcionais –OH, -C=O e –CO, área superficial de 769 m2·g-1, volume do poro de 0,5015 cm3·g-1, diâmetro médio dos poros de 2,60 nm, pH de ponto de carga zero de 2,4. Visando definir as condições operacionais para a adsorção do AR pelo CA foram realizados estudos da influência da granulometria, relação da massa de adsorvente por volume de solução (m/V) e a velocidade de agitação (V.A.) sobre o processo adsortivo. Os ensaios adsortivos foram realizados em frascos Erlenmeyer de 125 mL utilizando solução do corante na concentração inicial de 50 mg·L-1. Os experimentos realizados em triplicata e o branco permaneceram em contato durante 2 h sob temperatura ambiente de 28°C, pH 6 em mesa agitadora (Marca: IKA, modelo: KS130 control). A avaliação dos parâmetros foram baseadas nos valores de percentual de remoção (%R) (Equação 1) e capacidade adsortiva (q; mg·g-1) (Equação 2). %R=((C0- Cf))/C0×100 (1); q=((C0- Cf)×V)/m (2). sendo: C0 a concentração inicial do corante (mg·L-1), Cf a concentração final de corante (mg·L-1), V o volume da solução (L) e m a massa do adsorvente (g). Ao final do processo, as amostras foram filtradas em papel de filtro quantitativo de faixa azul, e quantificados por espectrofotometria UV/vis (Marca: TermoScientific, modelo: Genesys 10S UV-Vis) nos comprimentos de onda (ʎ) de máxima absorbância associados aos grupos cromóforos do corante, sendo eles 313 e 602 nm. Para cada ʎ foi construída uma curva analítica na faixa de concentração de 1 a 60 mg·L-1, cujos parâmetros foram determinados conforme Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO) (2020). Para o estudo da granulometria, o CA foi previamente peneirado usando uma série de peneiras de Tyler em três faixas: <0,090; 0,090-0,150 e 0,150-0,212 mm, sendo escolhida aquela que apresentar um melhor desempenho no processo adsortivo. Os ensaios foram conduzidos nas condições supracitadas e utilizando 0,1 g de CA, com adição de 25 mL da solução do corante, sob agitação de 100 rpm. A influência da relação m/V foi investigada utilizando seis diferentes relações, sendo elas: 0,4; 1; 2; 3; 4; 8; 12 g·L-1. Com os dados obtidos, foi construído um gráfico da relação m/V versus capacidade adsortiva e percentual de remoção, sendo selecionada a m/V mais próxima ao ponto de interseção das curvas. Por fim, o efeito da velocidade de agitação foi avaliado a partir de ensaios nas seguintes velocidades: 100, 200, 300, 400 e 500 rpm, também foram realizados ensaios sem agitação. Sendo selecionada a que apresentou maior eficiência, com base nos valores de capacidade adsortiva e percentual de remoção.
Resultado e discussão
Com objetivo de obter uma maior eficiência para a adsorção do AR pelo CA, foram
investigados a influência da granulometria, relação massa de adsorvente por
volume de solução (m/V) e velocidade de agitação (V.A.) sobre processo
adsortivo. Os resultados dos ensaios para avaliação da granulometria sobre o
processo adsortivo estão apresentados na Tabela 1. A partir da Tabela 1,
constata-se que a medida que a granulometria aumenta a capacidade adsortiva e a
percentual de remoção diminuem. Este comportamento pode ser devido à área
superficial do adsorvente, de modo que, à medida que o tamanho da partícula do
adsorvente aumenta (considerando a mesma massa) essa área diminui. Segundo
Nascimento et al. (2020), em partículas maiores, é comum que grande parte
da superfície interna da partícula não seja disponibilizada para adsorção,
desfavorecendo o processo. Sendo assim, a granulometria <0,090 mm foi
selecionada para os demais estudos. Um comportamento semelhante foi observado
por Wekoye et al. (2020), que usaram o pó de repolho para remover o
corante vermelho congo. Além da granulometria, a relação massa do adsorvente e
volume da solução e a velocidade de agitação podem afeta diretamente a adsorção.
Desta forma, foram realizados ensaios visando avaliar seus efeitos sobre o
processo adsortivo do AR pelo CA. Os resultados destes ensaios estão
apresentados na Figura 1. Observando a Figura 1A) e 1B), nota-se que a variação
de relação m/V de 0,4 para 8 g.L-1 ocorre um aumento no percentual de
remoção de 17,3 para 97,6% em 313 nm e de 16,6 para 99,32% em 602 nm. Este
comportamento está associado ao fato que quanto mais massa no meio, maior será a
quantidade de sítios ativos disponíveis para interação entre adsorvente e
adsorvato, favorecendo assim um maior percentual de remoção do corante. Em
contrapartida, também se pode observar a diminuição da capacidade adsortiva de
18,85 para 3,57 mg·g-1 e de 16,56 a 3,62 mg·g-1 em 313 e
602 nm, respectivamente. Por se tratar da relação entre a quantidade que é
adsorvida de uma determinada espécie química por unidade de massa do adsorvente,
uma vez que a quantidade de adsorvato disponível não se altera, o aumento da
massa resulta na diminuição da capacidade adsortiva. Devido a importância tanto
da capacidade adsortiva quanto do percentual de remoção, é necessário definir o
melhor desempenho desses dois parâmetros simultaneamente. Dessa forma, foi
selecionada a relação m/V mais próxima a intercessão das duas curvas que ocorreu
em 2 g·L-1 para ambos os comprimentos de ondas avaliados. Analisando
a Figura 1C) constata-se que o aumento da velocidade de agitação, de 0 até 200
rpm, teve influência positiva na eficiência de remoção do corante, visto que a
adsorção depende diretamente de mecanismos de transferência de massa. Este
fenômeno ocorre, pois, a agitação é responsável por distribuir o adsorvato no
meio líquido, além de promover uma diminuição da camada limite em torno do
adsorvente, aumentando assim o coeficiente de transferência de massa. Porém,
também pode ser observado que a partir de 300 rpm o aumento da velocidade tem
efeito negativo. Esse decréscimo pode estar relacionado ao acúmulo de adsorvente
aderida as paredes do recipiente devido a força centrífuga gerada, que resultou
na diminuição a área de contato entre o adsorvente e o adsorvato. Sendo assim,
por apresentar uma maior capacidade adsortiva e percentual de remoção em ambos
os comprimentos de onda a velocidade de agitação igual a 200 rpm foi
selecionada. A partir destas condições operacionais definidas, serão realizados
em trabalhos futuros a avaliação da evolução cinética e o equilíbrio de
adsorção. Bem como, será avaliada a possibilidade de regeneração do adsorvente.
Avaliação do efeito da granulometria no processo \r\nadsortivo do corante AR pelo CA.
Influência da relação massa do CA e volume da \r\nsolução (A e B) e da velocidade de agitação (C) \r\nsobre o processo adsortivo do AR pelo CA.
Conclusões
Por se tratar de um fenômeno regido pela transferência de massa, a escolha das condições de trabalho pode contribuir ou prejudicar a adsorção, como a granulometria, no qual foi observado que uma partícula de adsorvente menor proporciona uma melhor remoção do corante, considerando que não há mudança de massa, devido a uma maior disponibilidade de área superficial para participar do processo adsortivo. A remoção do corante também é favorecida por um aumento na relação m/V, porém em relações muito elevadas, parte dos sítios ativos não participam, diminuindo a assim a eficiência da adsorção. Para que não haja desperdício de adsorvente, é crucial a busca por um equilíbrio entre a capacidade adsortiva e o percentual de remoção que, no caso da remoção do corante azul reativo BF-5G ocorreu em 2 g·L-1 para ambos os comprimentos de ondas avaliados. No que diz respeito a influência da velocidade de agitação, apesar do aumento da agitação (como ocorrido de 0 a 200 rpm) promover uma melhor distribuição do adsorvato e adsorvente, bem como a diminuição da espessura da camada limite, foi observado que velocidades elevadas podem ocasionar no acúmulo de adsorvente próximo as paredes do frasco, diminuindo a área superficial e o desempenho do processo. Diante do exposto, é possível constatar que existem fatores que influenciam diretamente na adsorção, como a área de contato entre as fases. Dessa forma, para obtenção de um processo adsortivo mais eficiente torna-se importante o estudo das condições operacionais.
Agradecimentos
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), FADE/UFPE e Núcleo de Química Analítica Avançada de Pernambuco - NUQAAPE (FACEPE, processo APQ-0346-1.06/14).
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