CARACTERIZAÇÃO DE PARTÍCULAS DE SERICINA-ALGINATO PRÉ E PÓS-PROCESSO DE ADSORÇÃO DE CROMO TRIVALENTE

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1 CARACTERIZAÇÃO DE PARTÍCULAS DE SERICINA-ALGINATO PRÉ E PÓS-PROCESSO DE ADSORÇÃO DE CROMO TRIVALENTE J. A. de ANDRADE 1, M. G. C. DA SILVA 2, M. L. GIMENES 1, M. G. A. VIEIRA 2 1 Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Engenharia Química 2 Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química, Departamento de Desenvolvimento de Processos e Produtos para contato: melissagav@feq.unicamp.br RESUMO A técnica de adsorção é reconhecida como eficaz e econômica no tratamento de efluentes contendo metais tóxicos. Devido ao baixo custo e à alta disponibilidade, o emprego de bioadsorventes tem se mostrado promissor e vantajoso, dentre eles têm-se as partículas de sericina-alginato. Este trabalho investiga o uso destas partículas como bioadsorvente de íons de cromo trivalente. As partículas foram caracterizadas pré e pósprocesso a fim de avaliar o efeito da adsorção na sua estrutura. Foram empregadas as seguintes técnicas: fisissorção de nitrogênio, difração de raios X, picnometria a gás hélio, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de raios X por energia dispersiva (MEV/EDS), análises termogravimétricas e termodiferenciais e espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier. Os resultados obtidos confirmam a bioadsorção de Cr(III) pelas partículas de sericina-alginato e demonstraram que este processo não acarreta grandes mudanças nas propriedades estruturais das partículas. 1. INTRODUÇÃO As indústrias, especialmente as de galvanoplastia e de curtimento de couro, lançam grandes quantidades de cromo em corpos receptores. O cromo no estado oxidativo trivalente [Cr(III)], apesar de ser elemento traço essencial para o organismo humano, é prejudicial se presente em excesso (Tan et al., 2015). O Conselho Nacional de Meio Ambiente (CONAMA) propõe o padrão de lançamento de efluentes de Cr(III) como sendo 1,0 mg/l (Brasil, 2011). A adsorção é reconhecida como uma técnica eficaz e econômica no tratamento de efluentes contendo metais tóxicos e que oferece flexibilidade no projeto e operação (Fu e Wang, 2011). Nos últimos anos, tem se intensificado o interesse por adsorventes alternativos de baixo custo e com alta disponibilidade. A sericina é uma proteína macromolecular e hidrofílica, consistindo de 18 tipos de aminoácidos e com massa molecular variando entre 10 e 300 kda. A sericina constitui de % da massa total dos casulos do bicho-da-seda Bombyx mori e é, em sua maior parte, removida e descartada durante o processamento de fios de seda. Estima-se que este descarte seja de toneladas de sericina ao

2 ano (Zhang, 2002). Recentemente, tem-se avaliado a afinidade da sericina por íons metálicos. Da Silva et al. (2015) investigaram a produção e o emprego de partículas de sericina-alginato como bioadsorvente de íons cobre e zinco, tendo obtido capacidades de adsorção de 75 % e 65 %, respectivamente. Similarmente, Lima et al. (2015) testaram as afinidades metálicas de partículas de sericina-alginato e encontrou maiores capacidades de adsorção para o cádmio e o cromo trivalente, sendo de 85,2 % e 76,2 %, respectivamente. A alta afinidade do Cr(III) pelas partículas de sericina-alginato somada ao interesse ambiental em remover este metal de efluentes, incentivam a investigação da bioadsorção de Cr(III). Neste processo, é imprescindível a etapa de caracterização do bioadsorvente para identificar as propriedades do material e avaliar os efeitos do processo na sua estrutura. O presente trabalho apresenta a caracterização das partículas de sericina-alginato pré e pós-processo de bioadsorção de Cr(III), por fisissorção de nitrogênio, difração de raios X, picnometria a gás hélio, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de raios X por energia dispersiva, análises termogravimétricas e termodiferenciais, e espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier. 2. METODOLOGIA 2.1. Preparo das partículas de sericina-alginato Usando casulos do bicho-da-seda B. mori cedidos pela Fiação de Seda Bratac S/A, as partículas de sericina-alginato (S-A) empregadas no presente estudo foram preparadas segundo metodologia de Lima et al. (2015): 1) Casulos foram limpos e cortados. 2) Os pedaços foram lavados com água corrente, enxaguados com água deionizada e secos em estufa a 50 C. 3) Na proporção de 1 L de água deionizada para 40 g de casulos secos, extraiu-se a solução de sericina (SS) em autoclave (Phoenix Luterco, AV-18) a 120 C por 40 min. 4) Com papel filtro, separou-se as fibras da SS. 5) Armazenouse a SS em recipiente fechado, a temperatura ambiente por no mínimo 12 h. 6) A SS de maior massa molecular foi obtida por congelamento/ descongelamento, e sua concentração foi ajustada por diluição para 25 g/l. 8) Incorporou-se alginato de sódio (Sigma-Aldrich, Reino Unido) à SS na proporção de 20 g/l usando Ultra Turrax (IKA, T18). 9) A blenda foi gotejada em solução aquosa de CaCl2 (30 g/l) sob agitação magnética, produzindo as partículas por reticulação iônica. 10) Mantevese as partículas sob agitação em solução de CaCl2 a 60 rpm por 12 h em Jar Test (Milan JT-230). 11) As partículas foram lavadas com água deionizada, secas em estufa a 50 C. 12) As partículas foram submetidas à reticulação térmica a 100 C em estufa por 24 h Caracterização das partículas pré e pós-processo de bioadsorção As partículas S-A foram caracterizadas no seu estado in natura e após processo de bioadsorção de Cr(III). A contaminação do material se deu em sistema em batelada, contendo 5 g de partículas em 500 ml de solução de concentração de 2 mmol/l de Cr(III), mantido sob agitação constante por 24 h. Fisissorção de nitrogênio: A superfície específica e a estrutura porosa das partículas S-A foram obtidas por fisissorção de N2 em seu ponto de ebulição (77 K). As isotermas de adsorção e dessorção foram ajustadas pelo modelo de Brunauer, Emmett e Teller BET. Foi utilizado o equipamento

3 Quantachrome, modelo NOVA1200e (Alemanha), com desgaseificação prévia das amostras em condições de vácuo, a 90 C, por 18 horas. Picnometria a gás hélio: Picnômetros a gás medem o volume real de um sólido, ou seja, o volume medido excluindo tanto poros abertos quanto fechados. Dessa forma, a densidade real das partículas S-A foi calculada por picnometria no equipamento da Micromeritics, modelo AccuPyc II 1340, utilizando gás hélio, à temperatura média de 26 C e taxa de equilíbrio de 0,05 psig/min. Microscopia ótica: Avaliou-se o diâmetro médio das partículas por microscopia ótica (MO), usando o microscópio estéreo National, DC4-456H (Schertz, EUA) com ampliações de 10x. Fez-se a média dos maiores diâmetros de 500 partículas estimados pelo software ImageJ. Microscopia eletrônica de varredura: A microscopia eletrônica de varredura (MEV) possibilita a interpretação da morfologia das partículas e o espectrômetro de raios X por energia dispersiva (EDS), acoplado ao MEV, possibilita o mapeamento de elementos químicos. Para a análise de MEV/EDS foi utilizando o equipamento LEO Electron Microscopy (Oxford, Inglaterra), com MEV modelo LEO 440i e EDS As análises foram realizadas com corrente de 50 pa, voltagem de 10 kv, e ampliações da superfície em 150 e vezes. Previamente, as partículas foram submetidas a recobrimento com ouro pelo equipamento Sputter Coater EMITECH, modelo K450 (Reino Unido). Espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier: A identificação de grupos funcionais e interações moleculares foi feita por espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR). Usou-se o equipamento Thermo Scientific, modelo Nicolet 6700 (Madison, Estados Unidos), no modo transmitância, faixa cm -1, resolução 4 cm -1, SCAN 32. Previamente, formou-se pastilhas das amostras com KBr, usando o SNAP-IN Baseplate. Difração de raios X: O método de difração de raios X (DRX) foi usado para avaliar a estrutura cristalina das partículas S-A, com o emprego do equipamento da Philips Analytical X Ray, modelo X Pert-MPD com radiação K-α do cobre λ=1,54056 Å (Almelo, Holanda). A faixa de varredura foi de 5-90, passo de 0,02, velocidade de 0,02 /s, voltagem de 40 kv e corrente de 40 ma. Análises térmicas: As mudanças nas propriedades físico-químicas do material em função do aumento da temperatura foram caracterizadas por análises termogravimétricas (TG e DTG) e termodiferencial (DTA). Utilizou-se o equipamento Shimadzu, modelo DTG-60 (Japão) em atmosfera de N2, vazão de 50 ml/min, faixa de temperatura de C. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Porosidade, Superfície Específica e Densidade Real Pela técnica de fisissorção de N2, aplicando o método BET, as superfícies específicas das partículas S-A obtidas foram de: 2,361 e 3,188 m²/g, para as partículas in natura e contaminadas, respectivamente. A Figura 1 apresenta as isotermas de fisissorção de N2 das partículas S-A no estado in natura e contaminadas com Cr(III). Observa-se que em ambos os casos, as isotermas de dessorção

4 praticamente se sobrepõem às de adsorção, com ausência de histerese. Isto implica em taxas quase iguais de adsorção e dessorção, típico de materiais não porosos. De acordo com a classificação da IUPAC, as isotermas são do Tipo II, característica de adsorventes não porosos ou macroporosos. Entretanto, aqui as isotermas apresentam linearidade, não havendo o ponto de inflexão, correspondente à formação da monocamada molecular (Sing et al., 1985). (a) 0,8 In natura 1,2 1,0 Contaminada 0,6 0,8 V (c³/g) 0,4 V (c³/g) 0,6 0,4 0,2 Adsorção Dessorção 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,2 Adsorção Dessorção 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 P/P o P/P o Figura 1 Isotermas de fisissorção de nitrogênio para partículas de sericina-alginato (a) in natura, contaminadas com Cr(III). As densidades reais determinadas por picnometria a gás hélio foram de: 1,3337 g/m³ e 1,4867 g/m³, para as partículas S-A in natura e contaminadas, respectivamente. O aumento no valor da densidade real pode ser relacionado ao preenchimento de poros com Cr(III), causando a diminuição do volume real, e à solubilidade do adsorvente. De acordo com da Silva et al. (2014), a solubilidade das partículas S-A em água é de aproximadamente 18,47 %. Sendo assim, o contato das partículas com a solução aquosas contendo os íons metálicos pode ocasionar a sua solubilização e, consequentemente, a diminuição de seu volume Diâmetro Médio e Análise Microestrutural Os diâmetros médios das partículas S-A, determinados por MO, foram de: 1,21 e 1,15 mm para as partículas in natura e contaminadas, respectivamente. A redução no tamanho das partículas pode ser relacionada à solubilização destas durante o processo de adsorção, como citado acima. Na Figura 2, têm-se as micrografias de MEV das partículas S-A in natura e contaminadas. A Figura 2a mostra a forma aproximadamente esférica, morfologia compacta e pouco porosa da partícula S-A, características que não modificadas após a adsorção de Cr(III) (Figura 2b). Conforme Figura 2b, o procedimento adotado de preparo da blenda de sericina e alginato, levou à formação de partículas S-A de composição homogênea, como já havia sido comprovado por da Silva et al. (2014) na produção de partículas semelhantes. Comparando a Figura 2b e 2d, tem-se um aumento da rugosidade das partículas S-A após a contaminação com Cr(III). A maior rugosidade superficial pode contribuir para o aumento da superfície específica após a adsorção, constado pelo método BET.

5 (a) (c) (d) Figura 2 Micrografias eletrônicas de varredura das partículas S-A in natura (parte superior) e contaminadas com Cr(III) (parte inferior). Ampliações de (a) 150x; 5.000x; (c) 150x; (d) 5.000x. Em conjunto com a técnica de MEV, foram obtidos espectros de EDS para identificação de elementos químicos da superfície, apresentados na Figura 3. (a) Contagem Counts C 2000 O Cl Au Ca Au Au Au Ca Au Cl Ca Au Au Au Au Energia (kev) Energy (kev) Au Cr Au Ca Cr Ca Au Ca Cr Au Au Au Au Au Au Energia (kev) Energy (kev) Figura 3 Espectroscopia de raios X por energia dispersiva das partículas S-A (a) in natura e contaminadas com Cr(III). Pela Figura 3a, nas partículas S-A in natura tem-se a presença de cálcio, proveniente da etapa de reticulação iônica, na qual as partículas são formadas pela troca de íons sódio do alginato de sódio pelo íon cálcio da solução de CaCl2. Dessa solução também provém o cloro observado, apesar da Contagem Counts C O

6 lavagem das partículas S-A na sua etapa final de preparo. Nas partículas S-A contaminadas (Figura 3b), a adsorção de cromo (destacado) é comprovada, o cloro residual não é mais observado e os picos de cálcio tiveram suas alturas diminuídas, devido possivelmente ao mecanismo de troca iônica envolvido no processo de adsorção. Neste mecanismo, os íons cálcio das partículas são trocados pelos íons de cromo da solução metálica Identificação de Grupos Funcionais e Cristalinidade A Figura 4a exibe os espectros de FT-IR das partículas S-A in natura e contaminadas, sendo que a similaridade entre seus picos de vibração indica que a bioadsorção de Cr(III) não introduz mudanças significativas nos grupos funcionais e interações moleculares das partículas. A conformação das moléculas de proteínas é determinada pelas frequências de vibração especificas de ligações de amida, responsáveis pela formação esqueleto dos polipeptídios (Dash et al., 2009). Os picos nas proximidades de 3400, 2996, 1650, 1560 cm -1 correspondem às ligações de amida A, B, I e II, respectivamente. Os demais picos encontrados na região entre 1500 e 400 cm -1, são associados às bandas de amida III e V. As amidas A e B derivam das vibrações do estiramento N H e a amida I às vibrações dos estiramentos C O (70-85%) e C N (10-20%) (Gulrajani et al., 2008). Usa-se a amida I na identificação da estrutura secundária de proteínas e, segundo Pelton e McLean (2000), quando próxima a 1645 cm -1 caracteriza estruturas aleatórias. A amida II deriva principalmente das flexões N H no plano e as amidas III e V das vibrações do estiramento C N e C C (Gulrajani et al., 2008). (a) contaminada , Transmitância in natura Intensidade 19,2 43 contaminada 1650 in natura Comprimento de onda (cm -1 ) Figura 4 Espectros das partículas S-A in natura e contaminadas com Cr(III), obtidos por: (a) Espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier e Difração de raios X. Da Figura 4b, os espectros de DRX das partículas S-A, tanto in natura quanto contaminadas, não exibem picos bem definidos, indicativo de que são amorfas. Adicionalmente, a semelhança entre estes espectros sugere que o processo de adsorção de Cr(III) pouco modifica a estrutura do bioadsorvente. Geralmente, a proteína da seda sericina exibe picos de difração característicos em 2θ = 19,2 e 23,2, relacionados à sua estrutura cristalina em folhas-β (Nagura et al., 2001). O pico de 19,2 pode ser observado nos espectros de difração das partículas, além de um pico em torno de 43, 2

7 Perda de massa (mg) ou m/ t (mg/s) Perda de massa (mg) ou m/ t (mg/s) que também foi identificado por Miyake et al. (2003) em filmes de sericina de alta massa molecular Análises Térmicas A Figura 5 expõe as análises térmicas das partículas A-G in natura e contaminadas. A análise termogravimétrica (TG) e sua derivada (DTG) medem, respectivamente, a perda de massa e a taxa de perda de massa em função do aumento de temperatura. As curvas de TG e DTG das partículas S-A in natura (Figura 5a) e contaminadas (Figura 5b) apresentam comportamento térmico semelhante. As curvas de TG podem ser divididas em três regiões, caracterizadas por diferentes taxas de perda de massa. A perda de massa inicial abaixo de aproximadamente 200 C se refere à evaporação da água. Na faixa de 200 a 314 C, o decaimento brusco da massa pode ser associado à degradação dos grupos de cadeias laterais de resíduos de aminoácidos e à clivagem de ligações peptídicas da sericina (Zhang et al., 2012). A terceira região de perda de massa se estende até 400 C e se deve à continuação da degradação das partículas S-A. Os picos das curvas de DTG evidenciam as temperaturas máximas de degradação de cada uma dessas regiões, e foram identificados para as partículas in natura e contaminadas, como sendo respectivamente: 90 e 100 C; 270 e 260 C; 329 e 333 C. Ao final da análise, a 400 C, a perda de massa para ambas as amostras foi de aproximadamente 52,4 %. A análise termodiferencial (DTA) identifica mudanças endotérmicas (pico para baixo) e exotérmicas (pico para cima). Podem-se observar picos endotérmicos causados pela perda de umidade a 111 C e 120 C nas partículas S-A in natura e contaminadas, respectivamente. Para as partículas S-A in natura tem-se ainda picos exotérmicos proeminentes a 287 e 378 C, atribuídos à degradação térmica. No caso das partículas contaminadas, picos endotérmicos podem ser identificados a 220 C e 390 C. (a) T ( V) , Figura 5 Análises TG/DTG e DTA das partículas S-A (a) in natura e contaminadas com Cr(III). 4. CONCLUSÕES Temperatura ( C) DTA TG DTG ,005-0,010-0,015-0,020 DTA -0,02-60 TG DTG -0, A caracterização das partículas S-A comprovou a bioadsorção de Cr(III), possivelmente envolvendo o mecanismo de troca iônica com íons Ca(II). Constatou-se também a baixa porosidade e composição homogênea das partículas S-A produzidas. Adicionalmente, as alterações na densidade real e no diâmetro médio das partículas S-A após a bioadsorção foram associadas à solubilização durante o contato com a solução metálica. Por fim, as partículas S-A indicaram predominância de estruturas aleatórias, apresentando características amorfas, e demonstraram estabilidade térmica. T ( V) Temperatura ( C) ,01

8 5. REFERÊNCIAS TAN, C. et al. Adsorption behavior comparison of trivalent and hexavalent chromium on biochar derived from municipal sludge. Bioresour. Technol., v. 190, p , BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Conselho Nacional do Meio Ambiente. Resolução nº 430, de 13 de maio de Diário Oficial da União, Brasília, DF, 16 maio nº 87. p. 89. FU, F.; WANG, Q. Removal of heavy metal ions from wastewaters: A review. J. Environ. Manage., v. 92, p , ZHANG, Y. Applications of Natural Silk Protein Sericin in Biomaterials. Biotechnol. Adv., v. 20, p , DA SILVA, T. L. et al. Biosorption study of copper and zinc by particles produced from silk sericin alginate blend: evaluation of blend proportion and thermal cross-linking process in particles production. J. Cleaner Prod., LIMA, J. O. et al. Afinidade metálica e estudo cinético da adsorção de íons de cádmio em partículas de sericina/alginato. In: Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados, 37., 2015, São Carlos. Anais eletrônicos... São Carlos: UFSCar, SING, K. S. W. et al. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity (Recommendations 1984). Pure Appl. Chem., v. 57, n. 4, p , DA SILVA, T. L. et al. Production and physicochemical characterization of microspheres made from sericin and alginate blend. Chem. Eng. Trans., v. 38, p , DASH, B. et al. Silk gland sericin protein membranes: Fabrication and characterization for potential biotechnological applications. J. Biotechnol., v. 144, n. 4, p , GULRAJANI, M. L.; BRAHMA, K. P.; KUMAR, P. S.; PURWAR, R. Application of silk sericin to polyester fabric. J. Appl. Polym. Sci., v. 109, p , PELTON, J. T.; MCLEAN, L. R. Spectroscopic methods for analysis of protein secondary structure. Anal. Biochem., v. 277, p , NAGURA, M. et al. Structures and physical properties of cross-linked sericin membranes. J. Insect Biotechnol. and Sericology, v. 70. P , MIYAKE, H. et al. Moisture characteristic and structure of high molecular weight sericin film. Polym. J., v. 35, p , ZHANG, X. et al. Fabrication of silk sericin nanofibers from a silk sericin-hope cocoon with electrospinning method. Int. J. Biol. Macromol., v. 50, p , AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Bratac pelos casulos cedidos e à CAPES, CNPq (Proc /2013-3) e FAPESP (Proc. 2011/ ) pelo apoio financeiro.