ÁREA
Ensino de Química
Autores
Vieira, J.S.C. (IFMA-CAMPUS SÃO JOSÉ DE RIBAMAR) ; Moraes, D.S. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA) ; Rodrigues, M.R.M. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA) ; Melo, G.R. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA) ; do Ano, J.D.A. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA) ; de Carvalho, E.M.V. (IFMA-CAMPUS ZÉ DOCA) ; Muchave, G.J. (IQ-UFRJ) ; Paiva, A.E.M. (IFMA-MONTE CASTELO)
RESUMO
O carvão ativado é um material utilizado no processo de adsorção para tratamento de água de abastecimento humano. A adsorção é empregada para remoção de interferentes físicos, químicos e bacteriológicos. Na obtenção do carvão ativado existe uma série de precursores oriundos de resíduos agrícolas, foram empregados caroços provenientes do despolpamento do açaí, cuja temperatura de pirólise consistiu na carbonização a 700°C durante 30 minutos. O carvão granulado produzido foi ativado com ácido fosfórico e caracterizado em termos de BET, FTIR, análise química imediata, umidade e poder calorífico. A síntese do carvão ativado quimicamente apresentou vantagens no tocante ao baixo custo de produção, uma vez que a utilização alternativa da biomassa proveniente dos resíduos do despolpamento do açaí.
Palavras Chaves
Precursor.; Carvão ativado; Adsorção.
Introdução
O carvão ativado é muito utilizado para remoção de microrganismos presentes na água destinada para o consumo humano, seu principal foco é a retirada de substâncias que influenciam nas propriedades organolépticas. (ANSARI, 2009). No Brasil, a indústria de tratamento de água emprega o carvão ativado. O mercado interno tem elevada demanda deste insumo e a produção brasileira não é suficiente. Para atender as necessidades do setor industrial, que faz aplicação do carvão ativado para fins de abastecimento de água potável, tratamento de águas residuárias, transporte de gases, no setor alimentício e no setor farmacêutico, dentre outros reside na importação do referido material. (MACHADO et al., 2015). A água é indispensável para a sustentação da vida. Um recurso natural de caráter estratégico para o desenvolvimento político, social e econômico de uma nação. (TEIXEIRA, 2019; SOUSA FILHO, 2019). Ela está inserida no centro do tripé do desenvolvimento sustentável abarcando os pilares ambiental, econômico e social. Dentre as metas propostas pela Organização das Nações Unidas (ONU), garantir o acesso universal da água potável será o maior desafio concreto inserido nos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) até 2030. Estatísticas da Organização Mundial da Saúde (OMS) revelam que, 748 milhões de pessoas no mundo não possuem acesso à água potável e 1,8 bilhão utiliza recursos hídricos contaminados e ainda estima que até 2050, uma grande parcela da população mundial (45%) não terá a disponibilidade mínima de água necessária, que é de 110 litros de água por pessoa. A ausência de água tratada é responsável pela mortandade de milhares de crianças através de doenças hídricas como cólera e malária. (BRASIL, 2018). No Brasil, 16% da população não tem acesso à água tratada e 47% não tem acesso à rede de esgoto. Em geral, são 35 milhões de brasileiros sem recursos hídricos seguros e, 100 milhões precisando usar medidas alternativas para lidar com os dejetos, conforme especifica o Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento (SNIS), em seu diagnóstico dos serviços de água e esgoto alusivo ao ano de 2018. O Ministério da Saúde (MS) define água potável como sendo aquela destinada ao consumo humano, capaz de atender as especificações da Portaria GM/MS n. 888 de 04 de maio de 2021. (BRASIL, 2021). À luz da Química, o grande problema da qualidade da água são micro contaminantes provenientes das atividades antrópicas, que contaminam as águas subterrâneas através de esgotos industriais e sanitários in natura ou tratados lançados nos mananciais, que ocasionam riscos à saúde. Tais substâncias 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 Araguanã-MA 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). Na mesorregião do Alto Turi e Gurupi Maranhense, na qual está inserido o município de Araguanã, o potencial de mercado do açaí (Euterpe oleracea) cresceu, significativamente, nos últimos cinco anos. O estado do Maranhão (MA), em 2017, produziu 17.508 toneladas do fruto e ocupa o terceiro lugar como maior produtor do referido fruto, perdendo apenas para os estados do Amazonas (AM) e do Pará (PA). Com a crescente produção de polpa de açaí no Município de Araguanã-MA, a reutilização dos subprodutos predominantes desta atividade é indispensável. O despolpamento do fruto do açaizeiro gera uma grande quantidade de resíduos que contribuem para a degradação do meio ambiente. Neste sentido, uma alternativa viável de aproveitamento dos caroços que são destinados ao lixo consiste na produção de carvão ativado com vista a minimizar os impactos ambientais e agregar valor a um subproduto considerado lixo. (BISCOLA, 2019). Este trabalho teve como objetivos, sintetizar carvão granulado ativado quimicamente, a partir de caroços (endocarpo e amêndoas) de açaí (Euterpe oleracea) para tratamento de água potável, tratar os caroços de açaí, termicamente, pelo método de calcinação para obtenção do carvão granulado, realizar ativação química do carvão produzido com solução de ácido fosfórico (H3PO4) e investigar o perfil físico-químico, termoquímico, morfológica do carvão ativado produzido através de várias técnicas.
Material e métodos
MATERIAIS A principal matéria-prima utilizada neste trabalho foram os resíduos agroindustriais (caroços e amêndoas), oriundos do despolpamento do açaí. Os referidos resíduos (caroços mesocarpo e amêndoa) foram adquiridos junto às famílias de agricultores familiares e estabelecimentos comerciais que vendem a polpa extraída do fruto do açaizeiro, especificamente, no município de Araguanã (MA). Os resíduos foram transportados para o Laboratório de Biocombustíveis do IFMA-Campus Zé Doca, onde foram preparados para a produção do carvão granulado ativado. O agente químico ativante foi o ácido fosfórico (H3PO4). MÉTODOS 2.2.1 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. CARACTERIZAÇÃO DOS CARVÕES OBTIDOS O carvão granulado ativado quimicamente foi caracterizado em termos de análise química imediata (teor de cinzas, teor de material volátil, carbono fixo e poder calorifico) e umidade (%H2O), estrutura porosa (área superficial, volume de poros e diâmetro médio de poros) e caracterização química superficial (FTIR) conforme recomendam Adad (1982), Pinheiro (2009), Mangueira (2014), Molleta (2011), Piza (2008).
Resultado e discussão
PREPARAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA
A Figura 1 mostra os grãos de açaí transformados em carvão granulado após os
processos de carbonização e de ativação química com ácidos fosfórico. O processo
de decomposição térmica dos grãos de açaí realizado a 700 °C mostrou-se
eficiente, uma vez que resultou em um carvão com estrutura porosa e uma
quantidade de particulados finos insignificantes.
Figura 1 – Carvão granulado obtido dos caroços do açaí.
Fonte: Próprio autor (2023).
Segundo Ramos et al. (2009), o carvão ativado quimicamente resulta em uma
estrutura cristalina constituída de uma base grafítica, na qual os vértices
acomodam elementos químicos como o oxigênio (O), o hidrogênio (H) e o nitrogênio
(N), que por sua vez formam grupos funcionais. Na realidade, o carvão ativado
desempenha a função de um trocador de calor, principalmente, após a sua
ativação. Neste sentido, a superfície do carvão pode atrair íons livres em
solução ou suspensão em face de conter em sua estrutura cristalina tanto cátions
(cargas positivas) quanto ânions (cargas negativas). Quando a ativação do carvão
estiver como agente ativante, ou seja, um ácido, o carvão torna-se apto a
desempenhar a troca catiônica e, quando ativado quimicamente por uma base,
torna-se capaz de desempenhar a função de trocador aniônico (RAMOS et al., 2009;
LOPES et al., 2013).
PERFIL TERMOQUÍMICO DO CARVÃO GRANULADO DE AÇAÍ
Os resultados revelados ao longo da análise química imediata (teor de cinzas, do
teor de materiais voláteis e do teor de carbono fixo) e o teor de umidade do
carvão granulado ativado quimicamente com ácido fosfórico (H3PO4), Além disso,
foi ainda determinado por estimativa, o poder calorífico do referido carvão
granulado. Os resultados médios indicaram de 9,11% H2O, 3,0%, 49.0% ,39,0% de
carbono fixo e poder calorífico estimado em 6.017,57 Kcal/Kg de amostra.
No que tange ao teor de umidade (9,11% H2O), durante o manuseio, o carvão
ativado tende a absorver água do meio ambiente. Nas amostras contendo elevada
área superficial específica (δBET), o carvão absorve maior quantidade de água. O
resultado obtido durante a caracterização estrutural revelou que a δBET=14.093
m2. cm-3 corrobora para inferir-se que o resultado supracitado está em
consonância com as fichas técnicas de informações de carvão ativo granulado dos
fabricantes Carbone e Dipa Química, cujo valor máximo de umidade reside em 10%.
Cândido (2019) sintetizou carvões de eucalipto em diferentes temperaturas (750-
950°C), os ativou com CO2 (gás carbônico) e obteve valores médios de umidade na
faixa de 0,8 a 3,8 % de água. Por outro lado, a δBET=695 m2. cm-3 encontrado por
Candido (2019) foi bem menor do que o valor encontrado neste trabalho, indo de
acordo com Ramos et al (2013).
As cinzas reduzem a capacidade adsortiva do carvão ativado em decorrência da
capacidade de obstruir a porosidade da matriz e adsorver água devido o seu
caráter hidrofílico. Assim, a interação entre a superfície do carvão ativado e a
espécie a ser adsorvida também é reduzida. O teor médio de 3,0% de cinzas para o
carvão granulado de açaí é indicativo que na etapa de ativação química do carvão
granulado ocorreu decomposição significativa de materiais inorgânicos presentes
na composição química do referido material e, nos leva inferir, que durante o
tratamento de água destinada para consumo humano a capacidade adsortiva do
carvão será eficaz.
No Brasil, as normas técnicas NBR 3410, 12.073, 12,076, e 3414 da Associação
Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) auxiliam na caracterização de carvões
ativados pulverizados, visando atender as condições mínimas exigidas para serem
considerados propícios no tratamento de águas de abastecimento público no país.
Para carvões ativados granulados, a American Water Works Association (AWWA)
detalha, em suas normas B600/2010 e B604/2012, os parâmetros adequados para a
sua aplicabilidade no tratamento de água. (ARAÚJO, 2017). Em termos de teor de
cinzas, o carvão granulado ativado deve conter teor de cinzas ≤ 8,00%. Neste
sentido, o carvão granulado ativado quimicamente com H3PO4 atende a
especificação da AWWA.
Em 2020, Heylmann et al. fabricaram carvão a partir do caroço de pêssego para
tratamento de efluente têxtil com temperatura de carbonização a 700°C e ativaram
com cloreto de zinco (ZnCl2). A caracterização química imediata do carvão
ativado revelou 8,58% H2O e 2,73% cinzas, tais valores ficaram bem próximos dos
resultados encontrados neste trabalho para os parâmetros umidade e cinzas,
respectivamente.
Os parâmetros teor de materiais voláteis, carbono fixo e poder calorífico estão
extremante ligados ao carvão destinado para fins energéticos e à aplicabilidade
no setor siderúrgico, alimentício, doméstico, farmacológico. Daí não se tecer
comentário mais aprofundado, uma vez que o carvão granulado ativado, objeto
deste estudo visa aplicação para tratamento de água destinada ao consumo humano.
As propriedades físico-químicas dos carvões ativados estão extremamente ligadas
às suas características texturais (área superficial específica, volume de poros
e diâmetro de poros). As propriedades físicas da superfície relacionam-se com a
área superficial específica (δBET), e com a porosidade (VporosBET e DporosBJH),
já as propriedades químicas são dependentes da presença ou não de grupos ácidos
ou básicos sobre a superfície do carvão. O carvão granulado ativado, apresentou
área superficial específica, δBET:14.093 cm2.g-1, volume de poros, VpBET: 0,51x
10-1 cm3.g-1 e diâmetro de poros, DpBJH:5,44 nm. Em geral, o carvão granulado
ativado é caracterizado por volume de poros pequenos e uma elevada área
superficial específica. Tais resultados corroboram com as informações listadas
por Di Bernardo (2005).
De acordo com a IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), os
materiais são classificados de acordo com o tamanho médio de suas partículas em
macroporoso (D > 50nm) mesoporos (2 ≥ D ≥ 50nm) e microporoso (D ≤ 2 nm). Neste
sentido, o carvão granulado ativado sintetizado, neste trabalho é classificado
como mesoporoso, uma vez que possui diâmetro de poros na faixa 2 a 50 nm.
A Figura 2 ilustra os espectros de FTIR para o carvão granulado ativado de
caroços de açaí.
Figura 2 - Espectro de vibrações na região do infravermelho do carvão granulado
ativado.
Fonte: Próprio autor, 2023.
Na Figura 2, observa-se uma larga banda de absorção entre 3564 e 3256 cm-1,
centralizada em 3406 cm-1 atribuída ao estiramento vibracional de OH de grupos
hidroxilas, de ácido carboxílico, fenol ou álcool e água. A absorção em 2426 cm-
1 é referente ao estiramento simétrico e assimétrico de grupos - CH2 - e em 1633
cm-1 está relacionada ao estiramento C=O de carbonila de ácidos carboxílicos,
anidridos, ésteres, lactanas e celulose, cujas bandas são características dos
componentes dos caroços como: celulose, lignina, compostos fenólicos, entre
outros. A banda em 1388 cm-1 é referente à vibração do anel aromático da lignina
da estrutura do carbono. Também foram observadas a redução de intensidade e o
desaparecimento de diversas bandas referentes a grupos funcionais presentes no
carvão ativado, indicando a quebra de ligações fracas durante o processo de
ativação. A ausência de bandas características de estiramento C-H em,
aproximadamente, 2.900 cm-1 sugere a completa carbonização do precursor.
As vibrações do esqueleto carbônico característico em carvões ativados foram
observadas em 1633 cm-1, atribuídas ao estiramento simétrico da ligação C=C de
anéis aromáticos, típicos de material carbonáceo. Em 849 cm-1, observam-se
bandas de deformação C-H, indicando que a celulose não está completamente
degradada, concordando com os estudos de Chen et al (2012), que realizaram
pirólise de diferentes constituintes do endocarpo de macaúba a temperaturas
inferiores a 700°C.
Esta figura mostra os espectros de FTIR revelados \r\npara o carvão granualado ativado
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 o abastecimento humano. A caracterização textual do carvão granulado ativado revelou que o material tem alta área superficial específica, δBET:14,093 cm2.g-1, uma quantidade significativa de volume de poros, VpBET:0,51 x10-3 cm-3.g-1 e diâmetro de poros, DpBJH: 5,4 nm, que o caracteriza quanto à IUPAC como mesoporoso e o torna um eficiente adsorvente no tratamento de água para o consumo humano. A caracterização química imediata (teor de cinzas, materiais voláteis e carbono fixo), umidade e poder calorífico indicaram resultados condizentes aos encontrados na literatura para o teor de água e cinzas. A determinação dos parâmetros materiais voláteis, carbono fixo e poder calorífico revelaram teores ideais para aplicação, visando a geração de energia. 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 .
Agradecimentos
Os autores agradecem o apoio e suporte financeiro concedido pela Fundação de Amparo à Pesquisa e ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Maranhão (FAPEMA), ao IFMA-Campus Zé Doca, ao DMM do IFMA-Monte Castelo e à EQ-UFRJ.
Referências
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