REMOÇÃO DE FERRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS POR ADSORÇÃO EM BAGAÇO DE CANA TRATADO COM PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO

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1 REMOÇÃO DE FERRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS POR ADSORÇÃO EM BAGAÇO DE CANA TRATADO COM PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO M. N. Carvalho 1 ; C. A. M. Abru 1 ; M. G. Ghislandi 3 ; D. C. S. Sals 2 ; M. Bnachour 1 ; M. A. da Motta 1 1- Dpartamnto d Engnharia Química Univrsidad Fdral d Prnambuco. Av. Prof. Moras Rgo, 1235 CEP: Rcif PE Brasil. Tlfon PABX: (81) marildacarv@gmail.com 2- Associação Caruaruns d Ensino Suprior Técnico Av. Portugal, 584 CEP: Caruaru PE Brasil. 3- Cntro d Tcnologias Estratégicas do Nordst - CETENE Av. Prof. Luiz Frir, 01 CEP: Rcif PE Brasil. RESUMO: A prsnça d mtais psados m altos nívis m águas suprficiais ou subtrrânas rprsnta um risco à saúd humana ao mio ambint. Visando a rdução dos tors dsss mtais, indica-s a adsorção por rjitos d biomassas, tais como o bagaço d cana. No prsnt trabalho, o bagaço d cana tratado foi usado para rmoção d frro d amostras d água. Foram conduzidas avaliaçõs m batlada para rmoção d frro, ond foram invstigadas a cinética o quilíbrio d adsorção. Os rsultados indicaram rmoção máxima d frro d 80% na concntração d 5,0 mg/l com 1,0 g d adsorvnt, com capacidad máxima d adsorção do bagaço d 0,45 mg/g. Os ajusts dos modlos aos dados d quilíbrio (modlo d Langmuir) cinético (taxa d adsorção d psudo-primira ordm) foram satisfatórios, com coficints d corrlação supriors a 0,97. PALAVRAS-CHAVE: adsorção; frro; bagaço d cana. ABSTRACT: Th prsnc of havy mtals at high lvls in surfac watr or groundwatr poss a risk to human halth and th nvironmnt. In ordr to rduc th lvls of ths mtals indicats th adsorption by biomass wasts such as sugarcan bagass. In th prsnt work, th tratd bagass was usd to rmov iron from watr sampls. Evaluations wr prformd in batch to rmoval of iron which wr invstigatd th kintic and quilibrium adsorption. Th rsults indicatd maximum iron rmoval of 80% at th concntration 5.0 mg/l and 1.0 g of adsorbnt with maximum adsorption capacity of 0.45 mg/g. Th fit of modls to th quilibrium data (Langmuir modl) and kintic data (psudo-first ordr adsorption rat) wr satisfactory with corrlations cofficints gratr than KEYWORDS: adsorption; iron; sugarcan bagass. 1. INTRODUÇÃO Os mtais psados ocorrm nas águas naturalmnt ou podm sr introduzidos através d inúmras atividads industriais (WANG; CHEN, 2009). A prsnça dsss mtais m nívis acima dos stablcidos pla rsolução 357/2005 do CONAMA (ARMAS t al., 2007), m águas suprficiais ou subtrrânas, rprsnta um dos maiors riscos à saúd humana ao mio ambint (MORAES; JORDÃO, 2002). Dntr os procssos indicados para rmoção d mtais psados, dstacam-s aquls qu rcorrm à adsorção (ALBARELLI t al., 2011; LO t al., 2012; TREVIÑO-CORDERO t al., 2013). Nos procssos adsortivos, matriais adsorvnts com caractrísticas spcíficas d suprfíci srvm à rmoção d compostos m tapas d purificação

2 (PEREIRA t al., 2008). Como adsorvnts, divrsas matérias-primas são largamnt usadas, tais como minrais, microrganismos, algas, biomassas divrsas difrnts subprodutos rsíduos d procssos industriais (COSTA; SCHNEIDER; RUBIO, 2000). O uso d biomassas como matriais adsorvnts vm ganhando dstaqu dvido às divrsas vantagns d uso, dntr as quais s podm dstacar sua grand ára suprficial (dcorrnt da alta porosidad intrconctada) (ROCHA t al., 2006). Essas caractrísticas implicam m lvadas taxas d adsorção (LESMANA t al., 2009), com dstaqu para a afinidad ntr a biomassa uma vasta quantidad d polunts na rmoção, como os íons mtálicos (WANG; LIN; JUANG, 2003). Essa biomassa usada como adsorvnt gralmnt s caractriza por sr um rsíduo agrícola ou um rjito industrial, rprsntando baixo custo d utilização m rlação aos adsorvnts sintéticos (DA SILVA; AMARAL, 2005; MELO NETO t al., 2013). A adsorção via biomassas tm sido mprgada para a rmoção d mtais psados d soluçõs aquosas com rlativo sucsso (CALFA; TOREM, 2007). Biomassas, tais como os subprodutos agrícolas, bagaço d cana, lignina modificada, matrial clulósico modificado, dntr outras, foram mprgadas com adsorvnt d mtais psados podm sr ncontrados nos trabalhos d Ghosh Saha (2012); Komy, Abdlrahm Ismail (2013); Lin t al. (2012) Png t al. (2012). No gral, os rsultados vêm mostrando qu a rmoção d mtais psados por adsorção através d biomassas é ficaz. A prsnça lvada d frro m águas é indsjávl dvido ao msmo confrir cor avrmlhada a msma quando xposta ao ar pla oxidação do F 2+ a F 3+, dixar gosto mtálico amargo, provocar incrustaçõs nas tubulaçõs rsrvatórios favorcr o crscimnto d bactérias d frro, tais como a Spyrophylum frruginum a Gallionlla frrigina (CARVALHO, 2005). No prsnt trabalho foi invstigada a adsorção do íon frro abundant nas águas subtrrânas da rgião nordst d Prnambuco PE usando bagaço d cana. A biomassa foi prparada através d oxidação com próxido d hidrogênio para rmoção da matéria orgânica (a prsnça dificulta a adsorção d mtais psados; a rmoção promov o aumnto suprficial disponibilidad d grupos funcionais como sítios para adsorção). Avaliaçõs d quilíbrio cinética d adsorção do frro foram conduzidas m batlada a ficiência d rmoção, parâmtros cinéticos d quilíbrio foram quantificados. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Prparação do Adsorvnt As amostras do bagaço d cana-d-açúcar prcursoras dos adsorvnts foram coltadas na cidad d Araçoiaba localizada na rgião nordst do Brasil. Inicialmnt, o bagaço in natura foi cortado m pdaços, lavado com água dstilada sco m stufa mantida a 60 C por 24 h. Na squência, o matrial foi triturado m moinho d facas classificado m pniras ABNT n 100 (# 0,150 mm). Para garantir a oxidação da matéria orgânica ncssária para uso do bagaço como adsorvnt, foi ralizado o tratamnto via adição d próxido d hidrogênio (100 v/v; 250 ml/100 g d bagaço) sgundo o método proposto por Gupta Ali (2000) Caractrização Quantificação do tor inicial d frro no prcursor: Dvido à possibilidad do prcursor utilizado já aprsntar tors significativos d frro m sua composição, foi dtrminado inicialmnt sua quantidad nss matrial. Essa quantificação srviu à corrção dos valors dtrminados para rmoção d frro plos adsorvnts m contato com as águas subtrrânas. As análiss dos tors d frro foram ralizadas por spctrofotomtria d absorção atômica (CG AA 7000 BC Atomic Absorption Spctromtr) m triplicata Quantificação do tor inicial d frro na água: Amostras foram rtiradas d águas subtrrânas coltadas d poços artsianos da cidad do Rcif, localizada na Rgião nordst do Brasil. As análiss m duplicata para dtrminação do tor inicial d frro foram ralizadas por spctrofotomtria d absorção atômica, sgundo a mtodologia aprsntada por Anaissi t al., (2009). As análiss aprsntaram rsultados d tors d frro variando na faixa ntr 0,68 3,40 mg/l. Com bas nsss rsultados, foram prparadas soluçõs modlo d frro partindo do padrão TritisolR frro 1000 mg (Mrck), m concntraçõs na faixa ntr 5,0 40,0 mg/l Anális txtural: A caratrização txtural das amostras d bagaço d cana foram

3 conduzidas via anális d BET com N 2 a 77 K, usando o microporosímtro ASAP 2010 Micromritics Anális morfológica: A morfologia das amostras tratadas d bagaço d cana foi vrificada através d microscopia ótica, rcorrndo-s ao Microscópio Óptico WiTc Alpha 300s com lnts Nikon d 20x/0,4 Nikon 10x/0, Equilíbrio d adsorção Em rlnmyrs slados d 250 ml foram adicionados volums d 25,0 ml das soluçõs d frro prparadas: 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 30,0; 35,0; 40,0 mg/l 1,0 g d adsorvnt. As misturas foram colocadas sob agitação (300 RPM) à tmpratura ambint por 120 min. Na squência, as amostras foram filtradas analisadas por spctrofotomtria d absorção atômica. A Equação (1) prmit d quantificar a massa d adsorvato adsorvido por massa unidad d massa d adsorvnt no stado d quilíbrio C C V m q (01) 0 L na qual C 0 é a concntração inicial do mtal, C é concntração d frro na solução, V L é volum da fas líquida m é a massa do adsorvnt Cinética d Adsorção A cinética d adsorção foi avaliada m batlada nas sguints condiçõs: 25,0 ml d solução; 10,0 mg/l d concntração d frro; tmpratura ambint (27 C); 300 RPM; 1,0 g d adsorvnt. Amostras foram tomadas m intrvalos d 10 min durant 100 min, sndo filtradas analisadas por spctrofotomtria d absorção atômica. Cada amostra foi rtirada d um rlnmyr individual, totalizando 10 rcipints. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Efito do tratamnto do bagaço por próxido d hidrogênio O fito do tratamnto do bagaço d cana por próxido foi avaliado m comparação ao prcursor sm tratamnto na rmoção d frro. Ensaios d avaliação da adsorção foram conduzidos nas condiçõs: 20,0 mg/l; 27 C; 300 RPM; ph 6; 1,0 g d adsorvnt. Quantificaram-s capacidads d adsorção d 0,06 mg/g 0,32 mg/g para adsorvnts tratados sm tratamnto, rspctivamnt. Esss rsultados indicaram qu a prsnça d matéria orgânica, principalmnt a lignina, diminui a disponibilidad d sítios ativos para adsorção d outros componnts. Em comparação pós-tratamnto com o matrial in natura, obsrvou-s um crscimnto d cinco vzs na capacidad d adsorção do matrial Tor d frro nos prcursors Com bas nas análiss via absorção atômica os rsultados indicaram qu as concntraçõs d frro iniciais nas amostras d bagaço usadas não foram significativas m rlação àqulas adotadas para avaliação da adsorção, aprsntando valor médio d 0,01 mg/l. Ess rsultado garantiu qu todo o frro rsidual quantificado na solução rstou do qu foi adsorvido plo bagaço sm intrfrência prévia d frro já contido no adsorvnt Anális txtural As áras suprficiais obtidas para o bagaço d cana in natura tratado foram d 1,09 m²/g 1,75 m 2 /g, rspctivamnt. Esss rsultados indicaram qu o tratamnto com próxido d hidrogênio implicou m um aumnto d 58% na ára suprficial do bagaço, promovndo a adsorção. O valor obtido pós-tratamnto s mostrou suprior aos obtidos por Gusmão t al. (2013), qu usando matrial método d anális smlhants obsrvou uma ára d suprfíci d 1,458 m 2 /g para o tratamnto com EDTA. Zhang t al. (2013) obtivram um aumnto d até 1,8 m 2 /g na ára suprficial d um bagaço d cana moído smlhant, para uso na adsorção d corants catiônicos Anális Morfológica Os rsultados da anális morfológica das amostras tratadas d bagaço d cana stão aprsntados na Figura 1. As imagns indicaram qu as amostram aprsntavam partículas d tamanhos variados, distribuídas na faixa d micro a macropartículas, já visívis com aumntos d 10x (Figura 1a). O bagaço d cana possuía partículas bastant htrogênas, com fibras qu aprsntaram tamanhos supriors a 100 μm (Figura 1b) partículas mnors disprsas (Figura 1c), formadas possivlmnt durant o procsso d moagm. A suprfíci das partículas s

4 aprsntou rlativamnt rugosa, struturada sobr fibras alinhadas no sntido longitudinal. q q m K L 1 K C L C (02) ond q é a capacidad adsortiva no quilíbrio, q m é a capacidad adsortiva na saturação, K L é a constant d quilíbrio d adsorção C é a concntração final d frro m solução no quilíbrio. 0,5 (a) Capacidad adsortiva (mg/g) 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Concntração final (mg/l) (b) Figura 2. Equilíbrio d adsorção frro-bagaço d cana. O ajust dos dados xprimntais ao modlo d Langmuir rsultou nos valors 0,45 mg/g 0,26 L/mg para a capacidad adsortiva na saturação constant d quilíbrio d adsorção, rspctivamnt, com coficint d corrlação d 0,97. A avaliação cinética rcorru ao balanço matrial (Equação 03) considrando uma taxa d adsorção d psudo-primira ordm, rprsntada na Equação 04 (GUSMÃO, 2011). dc dq V L m (03) dt dt (c) Figura 1. Microscopia ótica do bagaço d cana Cinética Equilíbrio d Adsorção Os valors das capacidads adsortivas obtidos na avaliação do quilíbrio d adsorção frro-bagaço d cana stão aprsntados na Figura 2. O modlo d Langmuir (SRIVASTAVA; MALL; MISHRA, 2006), Equação 02, foi usada na dtrminação dos parâmtros d quilíbrio. dq dt k q q (04) nas quais t é o tmpo k é a constant d vlocidad d psudo-primira ordm. Na Figura 3 stão aprsntadas as voluçõs rspctivos ajusts aos modlos propostos para a concntração final do frro m solução da capacidad adsortiva. Durant a avaliação cinética d adsorção foi considrada a transfrência d massa xtrna como tapa controladora, portanto, tndo-s adotado o modlo da força motriz linar

5 (Equação 04) para a rprsntação do comportamnto do procsso. Os ajusts indicaram boa corrlação (coficint d R 2 = 0,98) ntr os dados xprimntais os modlos propostos, com valor d 0,1973 s -1 para o parâmtro d transfrência (k). A partir das voluçõs foi possívl obsrvar qu a vlocidad d adsorção foi maior até os primiros 20 min dcorridos do início do procsso, ond na squência a adsorção s procssou lntamnt. Obsrvaçõs smlhants foram fitas por SRIVASTAVA; MALL; MISHRA (2006) ao studarm a adsorção d cádmio níqul por bagaço d cana. Os autors dstacaram qu a adsorção ocorru d forma muito rápida durant os primiros 20 min d contato ntr as fass. Concntração final (mg/l) , Tmpo (min) Figura 3. Evolução da concntração final do frro m solução da capacidad adsortiva. Condiçõs: ph 6,0; 27 C. 4. CONCLUSÃO A rmoção d frro d amostras d água foi ralizada por adsorção m bagaço d cana prparado por tratamnto térmico. As avaliaçõs cinéticas d quilíbrio foram conduzidas m batlada, ond foi obtida rmoção máxima d 80% oprando com 5,0 mg/l d concntração d frro m solução 1,0 g d adsorvnt. Os dados do quilíbrio foram ajustados ao modlo d Langmuir, rsultando nos valors 0,45 mg/g 0,26 L/mg para a capacidad adsortiva na saturação constant d quilíbrio d adsorção, rspctivamnt, com coficint d corrlação d 0,97. O acompanhamnto cinético do procsso indicou maior vlocidad d adsorção nos primiros 20 minutos dcorridos do início do procsso. O ajust da cinética d adsorção ao modlo d taxa d 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Capacidad adsortiva (mg/g) adsorção d psudo-primira ordm aprsntou boa corrlação, com valor d 0,1973 s -1 para a constant d vlocidad d psudo-primira ordm. 4. REFERÊNCIAS ALBARELLI, J. Q. t al. Effcts of suprcritical carbon dioxid on wast banana pls for havy mtal rmoval. Th Journal of Suprcritical Fluids, v. 58, n. 3, p , ANAISSI, F. J. t al. Caractrização propridads do matrial coloidal nanostruturado β-fooh/bntonita. Quím. Nova, p , ARMAS, E. D. DE t al. Diagnóstico spaçotmporal da ocorrência d hrbicidas nas águas suprficiais sdimntos do rio Corumbataí principais aflunts. Química Nova, v. 30, n. 05, p , CALFA, B. A.; TOREM, M. L. Biorragnts - aplicaçõs na rmoção d mtais psados contidos m flunts líquidos por biossorção/bioflotação. REM-Rvista Escola d Minas, v. 60, n. 3, p , CARVALHO, M. DO N. Avaliação do procsso d rmoção d frro m água d origm subtrrâna por adsorção com matriais naturais. Dissrtação d Mstrado Rcif: Dpartamnto d Engnharia Química, Univrsidad Fdral d Prnambuco, COSTA, C. A.; SCHNEIDER, I. A. H.; RUBIO, J. Plantas aquáticas scas: uma altrnativa modrna para rmoção d mtais psados d flunts industriais. Rvista Engnharia Sanitária Ambintal, v. 5, n. 1, p , DA SILVA, F. R. A.; AMARAL, S. P. Avaliação d procssos d adsorção d mtais psados: um studo xprimntal com propostas d utilização d subprodutos. Boltim Técnico Organização & Estratégia, v. 2, n. 3, p , GHOSH, A.; SAHA, P. D. Optimization of coppr adsorption by chmically modifid fly ash using rspons surfac mthodology modling. Dsalination and Watr Tratmnt, v. 49, n. 1-3, p , 2012.

6 GUPTA, V. K.; ALI, I. Utilisation of bagass fly ash (a sugar industry wast) for th rmoval of coppr and zinc from wastwatr. Sparation and Purification Tchnology, v. 18, n. 2, p , GUSMÃO, K. A. G. Estudo d adsorção m solução aquosa d dois corants catiônicos d uma tramina usando bagaços d cana modificados quimicamnt. Dissrtação d Mstrado m Engnharia Ambintal [s.l.] Pós- Graduação m Engnharia Ambintal, Univrsidad Fdral d Ouro Prto, KOMY, Z. R.; ABDELRAHEEM, W. H.; ISMAIL, N. M. Biosorption of Cu 2+ by Eichhornia crassips: Physicochmical charactrization, biosorption modling and mchanism. Journal of King Saud Univrsity - Scinc, v. 25, n. 1, p , LESMANA, S. O. t al. Studis on potntial applications of biomass for th sparation of havy mtals from watr and wastwatr. Invitd Rviw Issu 2009, v. 44, n. 1, p , LIN, S. t al. Long-root Eichhornia crassips as a biodgradabl adsorbnt for aquous As(III) and As(V). Chmical Enginring Journal, v. 183, p , LO, S.-F. t al. Adsorption capacity and rmoval fficincy of havy mtal ions by Moso and Ma bamboo activatd carbons. Chmical Enginring Rsarch and Dsign, v. 90, n. 9, p , MELO NETO, R. R. t al. Rmoção d nitrato da água utilizando bagaço d caju quimicamnt modificado. Rvista Vrd d Agrocologia Dsnvolvimnto Sustntávl, v. 8, n. 4, p , PEREIRA, E. t al. Prparação d carvão ativado m baixas tmpraturas d carbonização a partir d rjitos d café: utilização d FCl3 como agnt ativant. Quím. Nova, p , ROCHA, W. D. DA t al. Adsorção d cobr por carvõs ativados d ndocarpo d noz macadâmia d smnt d goiaba. Rm: Rv. Esc. Minas, p , SRIVASTAVA, V. C.; MALL, I. D.; MISHRA, I. M. Equilibrium modlling of singl and binary adsorption of cadmium and nickl onto bagass fly ash. Chmical Enginring Journal, v. 117, n. 1, p , TREVIÑO-CORDERO, H. t al. Synthsis and adsorption proprtis of activatd carbons from biomass of Prunus domstica and Jacaranda mimosifolia for th rmoval of havy mtals and dys from watr. Industrial Crops and Products, v. 42, p , WANG, J.; CHEN, C. Biosorbnts for havy mtals rmoval and thir futur. Biotchnology Advancs, v. 27, n. 2, p , WANG, Y.-H.; LIN, S.-H.; JUANG, R.-S. Rmoval of havy mtal ions from aquous solutions using various low-cost adsorbnts. Journal of Hazardous Matrials, v. 102, n. 2 3, p , ZHANG, Z. t al. Comparativ study on adsorption of two cationic dys by milld sugarcan bagass. Industrial Crops and Products, v. 42, n. 0, p , MORAES, D. S. DE L.; JORDÃO, B. Q. Dgradaçãoão d rcursos hídricos sus fitos sobr a saúd humana. Rv Saúd Pública, v. 36, n. 3, p , PENG, X.-W. t al. Highly ffctiv adsorption of havy mtal ions from aquous solutions by macroporous xylan-rich hmiclluloss-basd hydrogl. Journal of Agricultural and Food Chmistry, v. 60, n. 15, p , 2012.