OBTENÇÃO E APLICAÇÃO DE CARVÃO ATIVADO DE JATOBÁ (HYMENAEA COURBARIL) COM BIOFILME PARA REMOÇÃO DE CORANTES DE EFLUENTES TÊXTEIS

Transcrição

1 OBTENÇÃO E APLICAÇÃO DE CARVÃO ATIVADO DE JATOBÁ (HYMENAEA COURBARIL) COM BIOFILME PARA REMOÇÃO DE CORANTES DE EFLUENTES TÊXTEIS A. R. Vasques Mendonça 1 ; C. M. M. Cardoso 2, G. B. Zanardi 3, S. S. Brum 4, T. A. de Campos 5 1, 2, 3, 4 - Instituto de Química Universidade de Brasília. Laboratório de Materiais e Combustíveis (LMC) Campus Darcy Ribeiro CEP: Asa Norte Brasília DF Brasil. 5 - Instituto de Ciências Biológicas Universidade de Brasília. Laboratório de Análises Moleculares de Patógenos (L.A.M.P.) Campus Darcy Ribeiro CEP: Asa Norte Brasília DF Brasil. Telefones: (61) ; (61) s: andressa_vasques@hotmail.com; carlosmagno.quimico@gmail.com; sarahsbrum@yahoo.com.br; tamabiledecampos@gmail.com RESUMO: O jatobá (Hymenaea courbaril) é uma árvore nativa da região do cerrado, e seus insumos, como madeira e fruto, possuem várias aplicações, mas as cascas ainda são consideradas como resíduo. Visando a redução de resíduos agroindustriais e eliminação de contaminantes de efluentes líquidos, esse trabalho teve como objetivo reutilizar essas cascas na forma de um biofiltro de carvão ativado. Para isso, as cascas foram pirolisadas a 700 C por uma hora, para a produção do carvão, em seguida testes de adsorção foram realizados. Para melhorar o processo de remoção de corante da solução, foi cultivado um biofilme na superfície desse carvão. Os microrganismos auxiliam na remoção, degradando o corante presente no meio. Os resultados de remoção foram comparados utilizando-se duas colunas, uma preenchida com o material adsorvente e outra com o bioadsorvente. A coluna com bioadsorvente apresentou uma capacidade de remoção de corante de 2,39 % a 20,51 % a mais quando comparada à coluna contendo somente carvão ativado sem a presença do biofilme. PALAVRAS-CHAVE: Carvão ativado, biofilme, bioadsorção, adsorção em leito fixo. ABSTRACT: Jatobá (Hymenaea courbaril) is a tree native to the Cerrado region, and its inputs, such as wood and fruit, have several applications, but the bark is still considered as residue. Aiming at sustainability and waste reduction, this work aimed to reuse these barks in the form of an activated carbon biofilter. For this, the shells were pyrolyzed at 700 C for one hour, for the production of the carbon, then adsorption tests were performed. To improve the dye removal process of the solution, a biofilm was grown on the surface of that carbon. The microorganisms aid in the removal, degrading the dye present in the medium. Removal results were compared using two columns, one filled with the adsorbent material and the other with the bioadsorbent. The bioadsorption column showed a dye removal capacity of 2.39 % to % more when compared to the column containing only activated carbon without the presence of the biofilm. KEYWORDS: Activated carbon, biofilm, bioadsorption, adsorption in fixed bed. 1. INTRODUÇÃO. A indústria têxtil do Brasil figura hoje entre as dez maiores do mundo, com um crescimento de 90% na última década para competir com o contínuo aumento das indústrias internacionais no país, mas essa indústria também merece atenção devido à grande quantidade de efluentes gerados e a consequente contaminação ambiental, devido à grande quantidade de corantes presentes nesses efluentes. A resolução n 430 de 2011 do Conselho

2 Nacional de Meio Ambiente (Brasil, 2011) define que os efluentes não podem causar efeitos tóxicos a organismos aquáticos e, dependendo da classe do corpo receptor, não pode conferir toxicidade ao mesmo. Mas esses corantes não só causam poluição visual, como também existem alguns que podem causar efeitos carcinogênicos e mutagênicos (Soler, 2013); (Vasques et al., 2009ª); (Vasques et al., 2009b); (Vasques et al., 2011). Logo, esses efluentes devem ser tratados, e os tratamentos físico-químicos convencionais já foram provados pouco eficientes na remoção de moléculas de baixo peso molecular, então métodos biológicos vêm sendo estudados para que combinados com os métodos físico-químicos, apresentem resultados mais satisfatórios, como a formação de biofilmes em superfícies adsorventes, onde os corantes adsorvidos são decompostos pelos microrganismos do biofilme em produtos mais simples e não tóxicos (Soler, 2013); (Melo et al., 2010); (Ulson de Souza et al., 2011); (Brandão et al., 2008), (Natividade, 2009). Biofilme são microrganismos aderidos à uma superfície. A formação de biofilme é um processo natural, onde microrganismos se aderem a superfícies sólidas que estejam em contato com a água, e se formam devido à segurança e estabilidade, pois esses biofilmes tem alta resistência às forças físicas e a mudanças de ph e temperatura. Os seres vivos presentes nessa estrutura vivem em comunidade, como um único ser, compartilhando nutrientes (Melo et al., 2010); (Ulson de Souza et al., 2011); (Brandão et al., 2008); (Vasques, 2012); (Natividade, 2009). Em meio a efluentes, como o citado anteriormente da indústria têxtil, essa colônia de microrganismos pode se alimentar de produtos tóxicos presentes no meio e são ideais para tratamento desses efluentes, pois é um método barato e menos danoso ao meio ambiente (Vasques, 2012); (Brandão et al., 2008); (Meller, 2009). Então, dentro contexto, o objetivo principal do trabalho foi utilizar a matéria-prima do cerrado como material precursor para criar uma superfície adsorvente ativada e cultivar microrganismos para promover a degradação em leito fixo de matéria orgânica para utilização em filtragem. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Esse trabalho visou a criação de microrganismos em uma matriz adsorvente de leito fixo para bioadsorção de corantes têxteis. Para isso, foi realizada uma pirolise parcial de nosso produto inicial, onde as cascas do fruto de jatobá foram pirolisadas, em diferentes temperaturas, para obter o adsorvente, e em seguida, o adsorvente com melhor potencial de remoção foi adicionado em um meio contendo nutrientes e microrganismos, para que fosse iniciado o crescimento do biofilme. Para verificar a eficiência do processo, duas colunas de leito fixo, uma com o carvão ativado e outra com carvão ativado com biofilme foram montadas e curvas de ruptura foram obtidas. Os resultados foram então comparados em termos de remoção de cor e remoção de carbono orgânico dissolvido. Um resumo do procedimento experimental realizado é apresentado na Figura 1. Figura 1. Fluxograma metodológico.

3 3. RESULTADOS 3.1. Teor de umidade O teor médio de umidade das cascas utilizadas foi de 7,93 % em base úmida Análise granulométrica As cascas moídas foram separadas de acordo com o diâmetro de partícula por peneiras de 400 µm, 600 µm, 800 µm, 1 mm, 2 mm e 3 mm. Nesse trabalho, foi utilizada a granulometria entre 1 mm e 2 mm, ou seja, partículas que passaram pela peneira de 2 mm de diâmetro, mas não passaram pela de 1 mm. Esse tamanho foi escolhido, pois partículas muito pequenas causam perda de carga no sistema Pirólise Foram realizadas diversas pirólises, com alguns ensaios preliminares, para encontrar uma metodologia que proporcionasse as melhores propriedades adsortivas, começando com uma queima a 400 C, com uma rampa de aquecimento rápida por 1h e cadinhos abertos. No final, a melhor metodologia encontrada foi a pirólise a 700 C por 1 h, com rampa de aquecimento de 15 C/min, com cadinhos tampados para minimizar o contato com o ar Área superficial A área superficial obtida por ajuste BET foi de 731,18 m 2 /g e o raio de poro medido foi de 16,94 Å, classificando esse material como microporoso Pirólise Foram realizadas diversas pirólises, com alguns ensaios preliminares, para encontrar uma metodologia que proporcionasse as melhores propriedades adsortivas, começando com uma queima a 400 C, com uma rampa de aquecimento rápida por 1h e cadinhos abertos. No final, a melhor metodologia encontrada foi a pirólise a 700 C por 1 h, com rampa de aquecimento de 15 C/min, com cadinhos tampados para minimizar o contato com o ar Cinética de adsorção A Figura 2 apresenta a curva cinética do processo de adsorção do corante RR2 pelo carvão ativado. Por meio dos dados apresentados é possível observar que o processo adsortivo atingiu o equilíbrio em aproximadamente 120 min indicando a grande afinidade do adsorbato pelo adsorvente em estudo principalmente nos 20 primeiros minutos do processo, removendo 66,44 % do corante presente na solução. Ct (mg/l) 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0, tempo (min) Figura 2. Cinética de adsorção Isoterma A Figura 3 apresenta os dados experimentais e o ajuste por Langmuir aos dados obtidos. A isoterma de Langmuir apresentou um bom ajuste aos dados experimentais e o valor da quantidade máxima de corante removida por grama de adsorvente (q máx) foi de 4,068 mg/g. qe (mg/g) Dados experimentais Ajuste Langmuir Ce (mg/l) Figura 3. Ajuste da isoterma de Langmuir aos dados experimentais de equilíbrio. O aumento da quantidade de corante removida por grama de adsorvente se eleva com o

4 aumento da concentração de corante no meio conforme é possível observar na Figura 3. O aumento da concentração do corante provoca um acréscimo de remoção devido o aumento da força motriz do sistema que gera a transferência de massa por difusão. Esse comportamento também é verificado em trabalhos de adsorção de corantes reativos têxteis abordado por Vasques et al. (2009a) e Vasques et al. (2011). Segundo Oscik (1982), essa isoterma pode ser classificada como isoterma do tipo L que mostra que quanto mais sítios de sólido são preenchidos, maior é a dificuldade de se preencher sítios vagos por outras moléculas de soluto. Isso quer dizer que as moléculas do soluto não são orientadas verticalmente, ou que não exista interação com o solvente. As moléculas são adsorvidas em camadas e há uma pequena competição da superfície pelo solvente Formação do biofilme Os reatores biológicos foram montados conforme mostrado na Figura 4 e o crescimento do biofilme foi acompanhado por 28 dias. Figura 4. Reatores biológicos em um misturador com banho térmico a 30 C. A caracterização do lodo biológico coletado do reator aeróbio da CAESB (ETE Norte) utilizado como inoculo para a formação dos microrganismos na superfície do adsorvente não foi fornecida pela CAESB-DF (Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal) Microscopia eletrônica de varredura A microscopia eletrônica de varredura foi realizada para que fosse verificada a existência de microrganismos na superfície do carvão. As micrografias são apresentadas na Figura 5. (A) (B) Figura 5. (A) Superfície do carvão ativado sem biofilme (Ampliação 1000x), (B) Biofilme formado após 18 dias de cultura (Ampliação 500x). Na Figura 5 (A) é possível verificar a presença de poros, fendas e cavidades as quais favorecem o processo adsortivo. Essa estrutura porosa foi obtida mediante o processo de ativação química, pois durante formação da estrutura do carvão ativado a partir da pirólise de matéria orgânica, o K 2CO 3 se dissocia, deixando átomos de potássio em mistura no sistema, de maneira que o carvão se forma em volta desses átomos. O carbonato de potássio também promove a desidratação do carvão durante a ativação. O K 2CO 3 dissocia para K 2O e CO 2 e promove uma dehidrogenação de moléculas de água coordenadas, formando KOH. Depois, volta a reagir com o CO 2, liberando oxigênio e gás hidrogênio. A etapa seguinte da ativação, a lavagem ácida, remove os átomos de potássio, deixando interstícios na estrutura e provocando um maior desenvolvimento dos poros (Viswanathan et al., 2009). Já a Figura 5 (B) indica a presença de microrganismos aderidos à superfície do carvão Colunas de adsorção em leito fixo Durante a filtração nas colunas, foram retiradas alíquotas a cada 5 minutos, essas amostras foram analisadas por espectrofotometria UV-Vis e COD Curva de ruptura: As amostras coletadas passaram por uma análise de UV, sendo medida a absorbância. Por meio do uso de uma curva de calibração, foi possível calcular a concentração de corante na saída da coluna. As curvas de ruptura são apresentadas na Figura 6.

5 C/Co 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Carvão ativado com biofilme Carvão ativado Tempo (min) Figura 6. Curvas de ruptura das colunas empacotadas com carvão com biofilme e somente com carvão ativado. Neste trabalho, utilizou-se o último ponto da curva em que a concentração é menor que 1 ppm (Valor máximo aceito pelo CONAMA) (Brasil, 2011) como ponto de quebra da coluna. Comparando os valores de quantidade de corante removida por grama de adsorvente para um tempo de operação em contínuo de 80 minutos, encontra-se para a coluna contendo carvão ativado com biofilme a capacidade adsortiva de 12,52 mg/g e para a coluna contendo somente carvão ativado, de 12,22 mg/g, havendo, portanto, uma diferença de 2,39 % na capacidade adsortiva entre as colunas no tempo de 80 minutos. No entanto quando o tempo de operação em continuo passa para 95 minutos a capacidade adsortiva para coluna com carvão ativado e biofilme passa a ser de 14,38 mg/g e para a coluna contendo somente carvão ativado é apenas de 11,43 mg/g aumentando a diferença entre as colunas em 20,51% em sua capacidade adsortiva Carbono orgânico dissolvido: Para medir a remoção de matéria orgânica por degradação biológica, foi feita uma análise de carbono orgânico total (COT). Como todas as amostras passaram por um filtro com porosidade de 0,45 µm, para remover partículas que poderiam ter ficado em solução, como pó de carvão e microrganismos que podem vir a se desprender da superfície adsorvente, a análise mediu apenas o carbono orgânico dissolvido (COD). Os resultados são exibidos em forma de gráfico na Figura 7. COD (mg/l) tempo (min) Figura 7. Gráfico de remoção de COD. Pelas análises de COD, verifica-se que a quantidade de carbono dissolvido no efluente diminui, o que indica uma atividade microbiana, degradando a sacarose e o corante do meio. O mesmo aconteceu no trabalho apresentado por (Vasques, 2012), a qual avaliou a eficiência na remoção de COD de biorreatores utilizando lodo biológico+adsorvente proveniente de lodo de efluente têxtil pirolisado com biofilme e um biorreator contendo somente lodo biológico. Esses reatores foram comparados quanto a remoção de COD de efluente sintético têxtil. Vasques (2012) identificou uma remoção de 83,72% de COD do efluente tratado pelo reator contendo lodo biológico+adsorvente obtido por pirólise a vácuo e de 74,98% de remoção de COD do efluente tratado pelo reator contendo somente lodo biológico. Já neste trabalho a remoção de COD pelo biofiltro foi de 94,08%, indicando uma ótima eficiência na remoção de COD. 4. CONCLUSÃO Esse estudo apresentou a utilização de um resíduo agroindustrial, a casca do fruto do Jatobá, o qual atualmente não possui destino, para a produção de carvão ativado. O carvão ativado obtido pode ser comparado a carvões comerciais, podendo ser utilizado nas indústrias têxteis e em outros tipos de indústria para o tratamento de seus efluentes. Foi verificado o aumento relevante da eficiência de remoção da carga orgânica quando o processo de digestão biológica de corantes é realizado com biofilmes suportados pelo adsorvente produzidos a partir da casca do fruto do Jatobá.

6 A formação de biofilme em superfícies adsorventes também se mostrou muito eficiente, aumentando o tempo de permanência do adsorvente em uma coluna, antes que o mesmo deva ser trocado ou restaurado, o que pode ser observado pelo aumento do tempo até o ponto de quebra na curva de ruptura. Os microrganismos se mostraram bem adaptáveis com a metodologia empregada, e sua presença pode ser notada em micrografia por MEV e pela diminuição do COD. 5. REFERÊNCIAS BRANDÃO, H. L.; ZAMPORLINI, I; SOUZA, A. A. U.; SOARES, H. M.; GUELLI U. DE SOUZA, S. M. A. (2008). Application of a Fluidized Bed Bioreactor for COD Reduction in the Textile Industry Effluents. Resources, Conservation and Recycling, v. 52, p BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Conselho Nacional do Meio Ambiente. (2011). Resolução Conama nº 430. Dispõe sobre as condições e padrões de lançamento de efluentes, complementa e altera a Resolução nº 357, de 17 de março de 2005, do Conama. Brasília. Diário oficial da União, 16 de maio de MELLER, H. S. (2009). Avaliação de um Filtro Biológico Percolado com Meio de Suporte Plástico Corrugado. Trabalho de Conclusão de Curso. Universidade do Extremo Sul Catarinense (UNESC), Criciúma. MELLO, J. M. M. de; BRANDÃO, H. de L.; ULSON de SOUZA, A. A.; SILVA, A. da; GUELLI U. de SOUZA, S. M. de A. (2010). Biodegradation of BTEX compounds in a biofilm reactor Modeling and simulation. Journal of Petroleum Science and Engineering. v. 70, p NATIVIDADE, G. H. (2009). Obtenção de Material Cerâmico Poroso como Suporte para Adsorvente e Formação de Biofilme. Trabalho de Conclusão de Curso. Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Florianópolis. OSCIK, J. Adsorption. Ellis Horwood Series in Physical Chemistry. Halsted Pr SOLER, C. R. (2013). Tratamento de Efluentes de Indústria Têxtil por Reator Biológico com Leito Móvel. Dissertação de Mestrado. Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Curitiba. ULSON DE SOUZA, A. A.; MELLO, J. M. M.; BRANDÃO, H. L.; SILVA, A.; GUELLI U. DE SOUZA, S. M. A. (2011). Chapter 10 - Application of Biofilm in the Degradation of Contaminants in Industrial Effluents. In: Nova Science Publishers. (Org.). Biofilms: Formation, Development and Properties. 1ed.Hauppauge, NY: Nova Science Publishers, v. 1, p VASQUES MENDONÇA, A. R.; GUELLI U. DE SOUZA, SELENE M. A.; VALLE, JOSÉ A. B.; DE SOUZA, ANTÔNIO A. ULSON. (2015). Thermogravimetric analysis and kinetic study of pyrolysis and combustion of residual textile sludge.

7 Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. v. 121, p VASQUES, A. R. (2012). Caracterização de adsorventes obtidos por combustão e pirólise de lodo residual e aplicação no tratamento de efluentes têxteis. Tese de doutorado. Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis. materials. Chennai: Indian Institute of Technology Madras. Edition: E book, Publisher: NCCR IIT Madras. VASQUES, A. R.; GUELLI U. DE SOUZA, S. M. A.; VALLE, José Alexandre Borges; SOUZA, A. A. U. (2009b). Removal of Dyes from the Textile Industry by Adsorption in Fixed Bed Columns: A Sustainable Process. Chemical Product and Process Modeling. v.4, p VASQUES, A. R.; GUELLI U. DE SOUZA, S. M. A.; VALLE, R. de C. S. C.; SOUZA, A. A. U. (2009a). Application of ecological adsorbent in the removal of reactive dyes from textile effluents. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, v.1. VASQUES, A. R.; GUELLI U. DE SOUZA, S. M. A.; WEISSENBERG, L.; SOUZA, A. A. U.; VALLE, J. A. B. (2011). Adsorção dos corantes RO16, RR2 e RR141 utilizando lodo residual da indústria têxtil. Engenharia Sanitária e Ambiental. v.16, p VISWANATHAN, B.; INDRA, P.; VARADARAJAN, T. K. (2009). Methods of activation and specific application of carbon