ÁREA
Química Ambiental
Autores
Alves, J.F. (INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGI) ; Alves, C.M.A.C. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ) ; Oliveira, M.L.M. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ) ; Araújo, R.S. (INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGI)
RESUMO
Siloxanos são compostos organossilícicos de vasta aplicabilidade industrial por suas propriedades de hidrofobicidade e de flexibilidade, constituindo sérios problemas ambientais e energéticos quando descartados em efluentes ou presentes na composição de biogás. Assim, neste trabalho avaliou-se a remoção por adsorção dos siloxanos L5 (dodecametilpentasiloxano) e D5 (decametilciclopentasiloxano) a 25 °C sobre um aluminossilicato mesoporoso usando isooctano como solvente. O adsorvente foi sintetizado pelo método sol- gel e caracterizado segundo as técnicas de ICP-OES, XRD, FTIR e análise superficial a 77 K. Os resultados confirmaram a estrutura nanoporosa do material e mostraram capacidades máximas de adsorção de Langmuir de 195,8 mg/g para L5 e 20,53 mg/g para D5.
Palavras Chaves
Siloxano; Adsorção; Al-MCM-41
Introdução
Desde o advento da Revolução Industrial e com o incremento de urbanização das cidades é crescente a geração de poluentes e a contaminação dos cursos fluviais (AVTAR, 2019). Entre estes poluentes os siloxanos merecem destaque. Os siloxanos são compostos orgânicos de Si que contém unidades alternadas de Si-O-Si na estrutura. Os siloxanos são classificados como lineares (L) e cíclicos (D) e tem vasto uso em diferentes setores industriais, como na área farmacêutica, de cosméticos, alimentícia, entre outros (WANG, 2020). Os siloxanos ainda podem ser encontrados em aterros sanitários oriundos de resíduos urbanos contaminados e em esgotos de estações de tratamento das águas residuais (XIANG, 2021). Uma avaliação de risco no Reino Unido recomendou a classificação do decametilciclopentasiloxano (D5) como molécula como muito persistente e bioacumulável (BROOKE, 2009). Entre os vários métodos de remoção de siloxanos relatados na literatura, a adsorção tem sido bastante utilizada (ALVES, 2023). A adsorção é um fenômeno físico-químico que avalia a habilidade de transferência das espécies químicas para a superfície de uma fase sólida, possibilitando a separação (NASCIMENTO, 2014). Diante disso, o objetivo do estudo é avaliar a remoção dos siloxanos L5 e D5 em fase líquida usando o processo de adsorção a temperatura ambiente (25 °C) sobre um sólido nanoporoso.
Material e métodos
O adsorvente Al-MCM-41 (Si/Al = 10) foi sintetizado segundo o método sol- gel (ARAÚJO, 2008) e caracterizados pelas técnicas de ICP-OES (espectrometria de emissão ótica com plasma indutivamente acoplado), difração de raios-X (XRD), espectroscopia no infravermelho (FTIR) e análise superficial a 77 K. Para os estudos de adsorção foi utilizado uma massa de 50 ± 0,5 mg de adsorvente em 20 mL da solução dos siloxanos L5 e D5 em isooctano. As concentrações de siloxanos empregadas variaram entre 10 e 400 mg/L e a mistura foi agitada durante 144 h, tempo suficiente para que se atingisse o equilíbrio. As concentrações residuais de L5 e D5 foram determinadas por cromatografia gasosa usando um detector de ionização por chama (GC-FID) em coluna capilar BP-624 SGE de 30 m x 0,53 mm x 3 µm. As capacidades máximas de adsorção (qe , mg/g) foram calculadas a partir da Equação 1: qe = ((C0 -Ce ) * V) / m (Equação 1) Onde: q e (mg/g) representa a capacidade de adsorção no equilíbrio, C0 (mg/L) e Ce (mg/L) são, respectivamente, a concentração inicial e de equilíbrio do adsorvato (siloxano), m (g) é a massa do adsorvente usado e V (L) é o volume da solução. Os modelos matemáticos escolhidos para interpretar o equilíbrio de adsorção foram as isotermas clássicas de Langmuir e Dubinin−Radushkevich. A isoterma de Langmuir é utilizada para descrever equilíbrio em sistemas homogêneos e a de Dubinin−Radushkevich permite distinguir se adsorção é governada por forças físicas, de troca iônica ou difusão das partículas (MAJD, 2022).
Resultado e discussão
O rendimento de síntese do material Al-MCM-41(10) foi de 91,7% e os resultados
de caracterização por ICP-OES mostraram um teor de 4,96% de Al. O espectro de
FTIR confirmou a presença de silanois estruturais e arranjo mesoporoso a partir
das bandas principais observadas em 4000-3000 cm -1 ; 1630 cm -1 e 1000-1250 cm
-1 (HUO, 2015). A análise por XRD confirmou o pico intenso em 2θ = 2,28°,
representativo do plano (100) característico de materiais Al-MCM-41 com
estrutura mesoporosa hexagonal (Figura 1). As propriedades texturais mostraram
uma área superficial BET de 812 m²/g, diâmetro médio de poros de 29,6 Å e volume
de poros de 0,601 cm 3 /g, típicos de material MCM-41 com baixa cristalinidade
(AGUADO, 2000). A Figura 2 apresenta as isotermas de adsorção dos siloxanos
sobre o material Al-MCM-41(10) sintetizado. Em geral os valores q max a partir
dos modelos de Langmuir e Dubinin−Radushkevich se aproximaram dos valores
experimentais, justificando o bom ajuste experimental dos dados de equilíbrio a
estas isotermas. Os valores de capacidade máxima de Langmuir (q max )
encontrados foram de 195,8 mg/g e 20,53 mg/g para L5 e D5, respectivamente.
Adicionalmente, as energias da reação de adsorção encontradas foram de 3,52
kJ/mol para L5 e 6,54 kJ/mol para D5, as quais indicam que a adsorção é
governada por forças físicas (BULUT, 2008). Os resultados mostram uma diferença
significativa de adsorção entre L5 e D5, o que pode ser explicado pela diferença
estrutural entre as duas moléculas de siloxanos, visto que o composto
L5 (configuração linear) possuir maior facilidade para se adsorver a superfície
porosa do material Al-MCM-41 em comparação a molécula de D5 que é mais estável e
mais impedida estericamente (configuração cíclica) (WANG, 2020).
Difratograma de raios-X do material Al-MCM-41(10).
Isotermas de adsorção dos siloxanos L5 e D5 em \r\nisooctano a 25 °C.
Conclusões
Em geral as caracterizações químicas e texturais confirmaram a natureza nanoporosa do sólido preparado. Os valores experimentais encontrados para a capacidade máxima adsorção de: 195,8 mg/g para L5 e 20,53 mg/g mostram a maior facilidade de adsorção para a estrutura linear siloxânica nas condições experimentais estudadas, o que indica que o processo de adsorção pode se constituir em uma importante alternativa tecnológica para aplicações futuras em processos de tratamento de efluentes industriais contendo moléculas siliconadas.
Agradecimentos
Os autores agradecem à Fundação Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico (FUNCAP) e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio para a realização desta pesquisa.
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