DESENVOLVIMENTO DE CARVÃO ATIVADO POR CASCA DE CAFÉ E ESTUDO DE SUA ADSORÇÃO COM CORANTE ALIMENTÍCIO

Área

Gestão de resíduos sólidos

Autores

Matheus, L.R. (UFPR - JANDAIA DO SUL) ; Castro, L.E.N. (UFPR - JANDAIA DO SUL) ; Battocchio, D.A.J. (UFPR - JANDAIA DO SUL) ; Ribeiro, L.F. (UFPR - JANDAIA DO SUL) ; Mançano, R.R. (UFPR - JANDAIA DO SUL) ; Colpini, L.M.S. (UFPR - JANDAIA DO SUL)

Resumo

O trabalho teve como principal objetivo avaliar a aplicação da casca de café como carvão ativado, no tratamento de soluções do corante Ponceau 4R. O material apresentou morfologia porosa e alta área superficial. No estudo cinético, o tempo de equilíbrio foi de 60 minutos e a dispersão dos dados foi apresentada de acordo com a cinética de Elovich. A capacidade adsortiva, apresentou o melhor resultado em 90 minutos de processo na concentração de 2 g L-1 de material adsorvente. Com base na análise de equilíbrio, foi observado que a temperatura teve influência na adsorção do corante e os dados se ajustaram ao modelo isotérmico de Langmuir. A utilização do carvão ativado de casca de café no processo de adsorção do corante Ponceau 4R foi termodinamicamente favorável às temperaturas empregadas.

Palavras chaves

adsorvente; cinética; caracterização

Introdução

A indústria cafeeira gera elevadas quantidades de resíduos com o processo de beneficiamento do café, sendo a casca o principal (BONDESSON, 2015; DAL-BÓ et al, 2015). Comumente este resíduo é utilizado como adubo, mas os altos níveis de compostos como a cafeína, polifenóis e taninos presentes em sua composição o torna tóxico para este fim (PANDEY et al,2000). Ainda assim, a casca de café, é rica em demais nutrientes orgânicos, compostos por moléculas de carbono e por isso podem ter potencial para recuperação de moléculas orgânicas, podendo ser utilizado como adsorvente no tratamento de efluentes industriais (CHERUIYOT et al, 2019). Em diversas indústrias alimentícias, nos efluentes há a presença de corantes alimentícios. Dentre os mais aplicados está o corante vermelho Ponceau (Ponceau 4R). Este é considerado um aditivo alimentar sintético aniônico, utilizado para pigmentar sucos, sorvetes, iogurtes, bebidas, entre outros (ZHANG et al, 2017; SALAHUDDIN et al, 2018). Um dos processos utilizados para o tratamento de efluentes e com isso a remoção de corantes, é a adsorção. No processo de adsorção ocorre a transferência de compostos de uma fase líquida ou gasosa (adsorvato) para a superfície de um sólido (adsorvente) por meio de interações moleculares (RUTHVEN, 1984). O principal adsorvente empregado é o carvão ativado, devido sua estrutura porosa possibilitar a adsorção de diversos compostos para sua superfície, podendo ser formada por micro, meso e macroporos e por apresentar grande eficiência (DIAS et al,2007). O presente trabalho teve como objetivo estudar a morfologia e a estrutura do carvão ativado proveniente da casca de café. Além disso, verificar o potencial de adsorção do corante industrial alimentício Ponceau 4R, bem como o comportamento cinético e termodinâmico.

Material e métodos

Para ativar os adsorventes de casca de café, utilizou-se ácido fosfórico (H3PO4) na proporção de 1:2 (m/v) da casca de café/solvente puro. As medidas de fisissorção de nitrogênio (N2) foram obtidas usando um Quantachrome Instruments (Nova 2000e). As medidas de área superficial usando a análise de multiponto de Brunauer-Emmett-Teller (B.E.T). As características morfológicas da superfície da casca e do adsorvente foram obtidas através de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) (modelo TESCAN VEGA3). Para o ponto de carga zero (PCZ), o método dos 11 pontos em incubadora shaker (TE-4200 Tecnal) foi realizado. O estudo cinético de adsorção do corante Ponceau 4R na concentração de 10 mg L-1 foi realizado em 11 tempos reacionais, variaram de 1 a 90 minutos, e o ajuste dos dados foi de acordo com os modelos de primeira ordem, segunda ordem, Elovich e difusão intrapartícula. Os ensaios de adsorção foram realizados de acordo com o planejamento fatorial 2² com triplicata do ponto central, onde variou-se a concentração de adsorvente e o tempo reacional, e a capacidade adsortiva foi estudada. A influência da temperatura no processo em três temperaturas (25, 35 e 45 ºC) também foi estudada. Para os ajustes dos dados das isotermas de adsorção foram aplicados os modelos de Langmuir e o de Freundlich. O estudo termodinâmico foi avaliado em relação à entalpia, entropia e energia livre Gibbs a fim de avaliar a espontaneidade do processo.

Resultado e discussão

O adsorvente tratado com H3PO4 apresentou área superficial em torno de 430 m2g-1, enquanto a casca um valor de grandeza menor (5 m2g-1). Esta combinação, entre alta área superficial e a presença de microporos, caracteriza como bom material adsorvente (HIRATA et al, 2002; REFFAS et al, 2010; CASTRO et al, 2019). Pela Figura 1, pode-se observar que o material bruto apresentou estrutura com partículas irregulares e com pouquíssima presença de poros. Já na 1 (b) a superfície do material tratado com H3PO4 apresentou alta distribuição de poros, importante fator para o processo de adsorção (CHERUIYOT, et al, 2018; CASTRO et al, 2019; OTHMAN et al 2019). O valor do pHPCZ para a solução de corante Ponceau 4R foi de aproximadamente 5,6. Na superfície do adsorvente o pH se encontra abaixo do pH da solução, pHPCZ = 2.75, assim a superfície do adsorvente se encontra carregada positivamente. Sabe se que moléculas de corante apresentam elétrons livres na sua estrutura (LEE et al, 2019), auxiliando no processo de adsorção pela tendência de ter cargas negativas. Os dados experimentais cinéticos de adsorção do corante Ponceau 4R se ajustou melhor ao modelo de Elovich (R2 = 0,96 e RMSE < 0,24). Na Figura 2, observa-se o ajuste ideal, fixando a concentração de adsorvente no nível mais alto (2 g L-1), sendo em um qe de aproximadamente 19,87 mg g- 1. Os valores negativos de ∆G mostram que a adsorção do corante sobre o adsorvente foi um processo espontâneo e termodinamicamente favorável. Os valores negativos de ∆H provam natureza exotérmica do processo de adsorção, também observado na literatura quando utilizado casca de café para remoção de corantes de soluções (CHERUIYOT et al, 2019; FASFOUS et al, 2012).

Figura 1. Micrografias eletrônicas de varredura dos materiais, ampliação de 500x: a) Casca de café b) Carvão ativado.


Figura 2. Modelo de primeira ordem dos ensaios do adsorvente: a) Curvas de nível; b) Superfície de Resposta.

Conclusões

A partir deste estudo, foi possível confirmar que a ativação do adsorvente, produzido a partir da casca de café, com ácido fosfórico (H3PO4) apresentou eficiência no processo de adsorção do corante Ponceau 4R. Baseado no estudo de equilíbrio, o modelo com melhor ajuste aos dados experimentais foi o de Langmuir, onde a influência da temperatura no processo de adsorção foi verificada. Além disso, foi possível constatar que o processo é espontâneo e termodinamicamente favorável, sendo considerado de natureza exotérmica.

Agradecimentos

Os autores agradecem à CNPQ e a UFPR.

Referências

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