Biorreagentes Aplicações na Remoção de Metais Pesados Contidos em Efluentes Líquidos por Biossorção/Bioflotação

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1 Biorragns Aplicaçõs na Rmoção d Mais Psados Conidos m Efluns Líuidos por Biossorção/Biofloação Bruno Abru Calfa Aluno d graduação do curso d Engnharia Química Dparamno d Química Ponifícia Univrsidad Caólica do Rio d Janiro brunocalfa@ui.puc-rio.br Maurício Lonardo Torm Profssor Associado Dparamno d Ciência dos Mariais Malurgia Ponifícia Univrsidad Caólica do Rio d Janiro orm@dcmm.puc-rio.br Rsumo Es rabalho m o objivo d aprsnar uma anális dos principais aspcos sobr o uso d biomassas como biorragns na rmoção d mais psados conidos m fluns líuidos. As vanagns d s uilizar biossorvns ao invés d sorvns convncionais são noadamn na rlação cuso-bnfício inrn a sa cnologia conmporâna. Algas, bacérias, fungos mariais biológicos m gral (casca d coco, madira, urfa c.) êm rvlado avidz na capura d íons málicos m ambins auosos, sndo u sua ubiüidad diminui o cuso oal d sismas d raamno. Exmplos d psuisas pans são discuidos, dmonsrando o sucsso dssa cnologia mrgn. Palavras-chav: Biorragns, biossorção, biofloação, fluns líuidos, biomassa, mais psados, radionuclídos Absrac Th objciv of his work is o prsn a rviw concrning h us of biomasss as bioragns in h rmoval of havy mals in h liuid ffluns ramn. Th advanags of using hs biosorbns insad of convnional sorbns li on h cos bnfi rlaions inhrn in his rcn chnology. Alga, bacria, fungi and biological marials (coconus shlls, wood, pa c.) hav shown avidiy of mal ions upaking in auous nvironmns and which hir ubiuiy dcrass h ramn sysms ovrall cos. Rsarch and pans xampls ar discussd, showing h succss of his mrgn chnology. Kywords: Bioragns, biosorpion, liuid ffluns, biomass, havy mals, radionuclids, pans.

2 . Inrodução Aravés dos anos, os avanços na cnologia êm prmiido u as áras d psuisa da indúsria nndam cada vz mais os fnômnos físicos uímicos. Es mlhor nndimno pod sr uilizado para oimizar écnicas, procssos uipamnos. Ao s ralizar progrssos, inviávis danos ambinais são criados ou innsificados, m paricular, os fluns líuidos conndo mais psados/óxicos. Porano, ornou-s xrmamn imporan, nos anos rcns, a psuisa d méodos para diminuir os nívis d poluição/conaminação causados pla prsnça d, principalmn, mais psados radionuclídos m fluns líuidos, andndo a lgislação ambinal vign. Alguns dos procssos adoados para o raamno d fluns conaminados por mais são: prcipiação; oxidação/rdução; sparação sólido/líuido, ais como sdimnação ou floação; cnologia d mmbrana, roca iônica adsorção. O raamno pod sr oprado ano m balada ou m procsso conínuo. A slção do procsso d raamno do flun líuido m usão dpndrá dos mais sua rspciva físico-uímica m soluçõs auosas (Was al., 997). Por biorragns, nndm-s biomassas vgais (planas), microrganismos, cascas rsos d marial biológico m gral, d prfrência não paogênicos a fim d viar a ransmissão d donças no su manusio. Ess biorragns podm sr mprgados vivos ou moros. Dfin-s biossorção como a rmoção d spécis, composos ou pariculados málicos m solução por biomassa sm auação do su mabolismo. Caso a rmoção dpndr do mabolismo, dnominas bioacumulação, u somn ocorr s o biorragn sivr vivo. O uso d biorragns moros orna-s uma vanagm, já u ls não sofrm limiaçõs dvido à oxicidad do mio não rurm rnovação do mio d culura (Kiran al., 005). Es rabalho m como objivo rvisar o sudo d biorragns capazs d rmovr íons d mais psados radionuclídos d soluçõs auosas ambém dsacar sismas comrciais u produzm uilizam biomassa para o raamno d fluns líuidos.. Aspcos Fundamnais da Capação d Mais por Biorragns Grand par do sudo cinífico volado para o sudo da sorção d mais por biorragns m buscado nndr mais claramn os mcanismos rsponsávis pla capação. Esa busca é ncssária, pois m o inuio d xplorar o poncial dos biorragns como sorvns d divrsos ipos d mais. Em gral, as variávis mais rprsnaivas são: ph, obnção d isormas d capação, sudos cinéicos, microscopia lrônica d varrdura (MEV) d ransmissão (MET), mdiçõs do poncial za obnção d spcros d infravrmlho (IV). O sudo da influência do ph do mio na rmoção d mais m o objivo d drminar a faixa d ph na ual ocorru maior rmoção. Parallamn, ralizam-s mdiçõs do poncial za da biomassa na prsnça na ausência dos mais sudados. Ambos os nsaios podm forncr dados sobr a carga gral da pard clular do biorragn, m solução auosa, m difrns valors d ph. A composição da camada xrna da biomassa, ond ocorrrá a biossorção, varia dnr os divrsos biorragns sudados. Tszos al. (996) dsacam rês classs d biopolímros microbianos u srvm d síios para capação d mais: proínas, ácidos nucléicos polissacarídos. Tais componns possum, m sua sruura, as spécis uímicas amina, carboxila, hidroxila, fosfao, sulfao ouros u podm s ligar aos íons málicos. A obnção d isormas d capação é úil para s modlar a biossorção, ou sja, drminar como a capacidad d biossorção do biorragn varia d acordo com a concnração d mal no

3 uilíbrio (Zouboulis al., 999). Os modlos d isormas d capação mais uilizados são o d Langmuir o d Frundlich (Tabla.). Tabla. Modlos d Isormas d Capação Modlo d Langmuir Modlo d Frundlich QmK LC = + K C L n = KC Linarização: Linarização: C = Q K m L C + Q m ln = lnk + n lnc - capura d mal no uilíbrio (mg.g - ) C - concnração da spéci málica m solução no uilíbrio (mg.l - ) Q m - consan: capação máxima d mal pla biomassa (mg.g - ) K - consan: afinidad nr o biossorvn L o mal (g.mg - ) - capura d mal no uilíbrio (mg.g - ) C - concnração da spéci málica m solução no uilíbrio (mg.l - ) K - consan: capacidad do adsorvn (mg -/n.l /n.g - ) - innsidad da adsorção (adimnsional) n As análiss da cinéica da biossorção informam as xprssõs da axa d variação d capação d mal pla biomassa no mpo. Os dados cinéicos auxiliam na idnificação do mcanismo da biossorção são indispnsávis para o projo d raors d uma plana d raamno. Os modlos cinéicos mais usados são o d psudo-primira ordm o d psudosgunda ordm (Tabla.) (Ho McKay, 998). Tabla. Modlos Cinéicos Modlo d Psudo-primira Ordm Modlo d Psudo-sgunda Ordm d d = k ( ) d d = k ( ) Solução Linarização: Solução Linarização: k log,303 ( ) = log( ) = k + k - consan d vlocidad (min - ) - uanidad d mal sorvido no uilíbrio (mg.g - ) - uanidad d mal sorvido no mpo (mg.g - ) k - consan d vlocidad (g.mg -.min - ) - uanidad d mal sorvido no uilíbrio (mg.g - ) - uanidad d mal sorvido no mpo (mg.g - )

4 O uso do MEV do MET auxilia na lucidação dos mcanismos nvolvidos na biossorção, bm como as caracrísicas uímicas lmnars do biorragn. O MEV pod sr acoplado ao uipamno EDS ( Enrgy Disprsiv Sysm ) o ual possibilia a drminação da composição ualiaiva smi-ualiaiva das amosras a parir da missão d raios-x caracrísicos. Tano o MEV/EDS o MET possibiliam uma visualização da morfologia da biomassa ans após o conao com a spéci málica sudada informam a dnsidad lrônica nas células microbianas, indicando s houv adsorção, absorção, prcipiação (Srivasava Thakur, 006; Torm al., 006). Os spcros d IV forncm dados sobr a naurza da inração célula-mal na biossorção, ou sja, podm-s vrificar uais grupamnos funcionais (carbonila, hidroxila, amino) são nvolvidos na biossorção ao s avaliar alraçõs nos picos obidos no spcro d IV da biomassa ans após o conao com o biossorvn (Akar Tunali, 005; Pan al., 006). Gadd al. (995) analisaram xausivamn os possívis mcanismos da rmoção d mais, malóids radionuclídos por biorragns. Para biomassas moras sus drivados, alguns mcanismos aponados foram adsorção, roca iônica süsro do sorbao m usão, ao passo u para biomassas vivas, ouros mcanismos, dssa vz dpndns do mabolismo, são possívis, ais como prcipiação como sulfos, complxação por sidróforos ouros mabólios, süsro por proínas por ppídos ligans d mais ouros. 3. Esudo d Casos Muios rabalhos rvlam, ssncialmn, xprimnos ralizados m balada, m scala laboraorial, para avaliar o poncial da biomassa na biossorção d mais. Porém, m aumnado o númro d psuisas u indicam a aplicação dos biorragns m sismas d sparação sólido/líuido como floação ambém m colunas d lio fluidizado, mpacoado ou fixo. Essa ransição da scala d bancada para a indusrial é imporan pod sr vrificada m algumas pans d sismas d biossorção já xisns. Vlan al. (005) uilizaram a alga marinha Ulva riculaa para sudar sua biossorção d cobr, cobalo níul numa coluna d lio mpacoado d fluxo ascndn. Os rsulados mosraram u, na alura do lio d 5 cm, a capacidad d capura do mal foi d 56,3 ± 0,4, 46, ± 0,07 46,5 ± 0,08 mg.g - d cobr, cobalo níul, rspcivamn. A fim d rusar o biossorvn, sudos d rgnração da alga foram ralizados uilizando-s CaCl rês ciclos d sorção-dssorção. A Figura 3. mosra a curva d rupura para a biossorção d cobr. O comporamno d um sisma composo por um sorvn um polun numa coluna é rprsnado, graficamn, pla curva d rupura sa anális é fundamnal para o projo d uma coluna d biossorção. Figura 3. Curva d rupura para biossorção d cobr por U. riculaa m difrns aluras d lio: (u ) 5 cm, (n ) 0 cm ( ) 5 cm. Taxa d fluxo 5 ml.min -, concnração inicial d cobr d 00 mg.l - ph da solução d cobr d nrada 5,5.

5 Já a alga marrom Sargassum sp., sudada por Silva al. (003), foi submida a ss d sorção m balada d íons Cr 3+ Cu + m ph fixo igual a 3,5. Isormas d Langmuir (capacidad máxima d capação d,30,08 mmol.g - para cromo cobr, rspcivamn) d Frundlich (capacidad do biossorvn d, 0,86 mmol.g - para cromo cobr, rspcivamn) foram obidas. Os auors ambém saram a cinéica da biossorção para os dois mais, concomianmn, m difrns concnraçõs iniciais (C 0 ) (Figura 3.), vrificando u o uilíbrio dmorou 48h para sr aingido. Figura 3. Cinéica da biossorção d cromo cobr por Sargassum sp. (C 0 Cr(III) =,0 mmol/l C 0 Cu(II) = 0,93 mmol/l) (Silva al., 003) A lvdura Saccharomycs crvisia foi sudada por Lin al. (005) na biossorção d íons Au 3+. Os auors vrificaram u a capação máxima d mal pla biomassa alcançou 53 mg.g - d mal uando g.l - da biomassa foram misurados com mm d Au 3+ por hora a 30 o C ph igual a 3,0. O objivo cnral do rabalho foi sudar a biossorção aravés d méodos spcroscópicos, ais como spcroscopia d IV, difração d raios-x spcroscopia foolrônica d raios-x. A Figura 3.3 xib o rsulado da spcroscopia d IV. Os auors concluíram u as bandas d absorção rprsnaram a prsnça d grupos amino carboxílicos, ípicos d sacarídos ppídos, u rvsm a pard clular da lvdura. Figura 3.3 Espcro d IV d () S. crvisia na ausência () na prsnça d Au 3+ por 48h (Lin al. (005)) Uma écnica u m dsprado o inrss d vários cinisas no campo da biossorção é a floação, u combinada com a biossorção rcb o nom d biofloação. Alguns microrganismos possum alo grau d hidrofobicidad dvido à composição d sua pard clular, ornando dsncssária a adição d um surfaan no sisma d floação. Alguns ipos d floação, ais como floação por ar disprso por ar dissolvido, êm sido mprgados nos sudos. Zouboulis al. (999) sudaram a biossorção m balada d íons cádmio por duas linhagns d acinomicos

6 (AK6 JL3) sguida pla floação por ar disprso das bacérias carrgadas do mal numa coluna. O surfaan caiônico uilizado foi bromo d cil-riil-amônio (CTMA-Br), a fim d aumnar a hidrofobicidad do biorragn. Na biofloação, dnr ouros parâmros, avaliou-s a influência do mpo d floação das biomassas m conao com o mal (Figura 3.4) foi concluído u a biofloação rsulou num procsso basan rápido, aingindo uas 00% d rmoção das biomassas carrgadas d mal m minuo. Figura 3.4 Influência do mpo d floação das biomassas carrgadas d mal sm com o surfaan CTMA-Br (Zouboulis al. (999)) Sar al. (004) psuisaram a biossorção d radionuclídos (U Th) por uma linhagm da bacéria Psudomonas. Dnr ouros parâmros sudados, avaliou-s a influência do ph na biossorção dos radionuclídos pla biomassa liofilizada. O rsulado sá xibido na Figura 3.5. Concluiu-s u condiçõs xrmamn ácidas dsfavorcram a biossorção, à mdida u os valors d ph fossm aumnando, a biossorção das duas spécis ambém aumnou, porém sabilizou após aingir condiçõs próximas da nuralidad. Figura 3.5 Efio do ph na biossorção d U Th (Sar al., (004)) Além d psuisas m scala d bancada, há vidências d sismas comrciais d biossorção u são disponívis. Was al. (997) ciam alguns sismas basados m algas. A companhia Bio-rcovry Sysms Inc. produz o biossorvn AlgaSORB TM, u é basado m Chlorlla imobilizada m géis d sílica ou poliacrilamida. Es biorragn é capaz d rmovr concnraçõs d mal d 00 mg.l - aé abaixo d mg.l - pod sr uilizado m mais d 00 ciclos d sorção/dssorção. Ouro xmplo d biossorvn dsnvolvido para sismas indusriais é chamado d Bio-fix, criado no anigo U.S. Burau of Mins. Traa-s d um biossorvn granulado composo por uma varidad d biomassas, incluindo algas imobilizadas m sfras d polipropilno. Es biorragn pod sr mprgado na rmoção d mais alcalino-rrosos m sido usado no raamno d drnagm ácida d minas. Os auors ambém dsacam o procsso AMT-Bioclaim TM dsnvolvido pla Advancd Minral Tchnologis Inc., o ual uiliza a bacéria Bacillus subilis como subproduo d um procsso d frmnação. Es biossorvn mosrou sr ficin na rmoção d Ag, Cd, Cu, Pb Zn. Ouros xmplos d sismas comrciais d

7 biossorção podm sr nconrados na msma rfrência no wbsi hp:// u mosra pans nor-amricanas. Basa insrir palavras-chav, ais como Biosorpion, Biofloaion, Waswar Tramn Biomass ouras do msmo gênro na lacuna Sarch Pans. 4. Considraçõs Finais Es rabalho abordou alguns xmplos do uso d biorragns na rmoção d mais d fluns líuidos, ano m scala d bancada como m sismas comrciais. A imporância dssa nova cnologia é vidn dvido ao baixo cuso d sismas à bas d biomassas à ala ficiência dos biorragns para capurarm mais m baixas concnraçõs d soluçõs auosas. Apsar do grand avanço ralizado para uma mlhor comprnsão dos mcanismos da capação d mais por biomassas, ainda xism muias invsigaçõs a srm fias à crca da biossorção dos biorragns, ano no nívl molcular (mcanismo) uano na sua implmnação m planas indusriais a fim d raarm fluns líuidos diramn. Agradcimnos Os auors ds rabalho gosariam d agradcr ao CNP, CAPES FAPERJ plo su apoio financiro. Rfrências Bibliográficas AKAR, T., TUNALI, S. Biosorpion prformanc of Boryis cinra fungal by-producs for rmoval of Cd(II) and Cu(II) ions from auous soluions. Minrals Enginring. v. 8, n., p , 005. AXTELL, N. R., STERNBERG, S. P. K., CLAUSSEN, K. Lad and nickl rmoval using Microspora and Lmna minor. Biorsourc Tchnology. v. 89, n., p. 4-48, 003. CIRELLI, A. F., MIRETZKY, P., SARALEGUI, A. Simulanous havy mal rmoval mchanism by dad macrophys. Chmosphr. v. 6, p , 005. FORSTER, C. F., KESKINKAN, O. al. Havy mal adsorpion propris of a submrgd auaic plan (Craophyllum dmrsum). Biorsourc Tchnology. v. 9, n., p , 004. GADD, G. M., WHITE, C., WILKINSON, S.C. Th Rol of Microorganisms in Biosorpion of Toxic Mals and Radionuclids. Inrnaional Biodrioraion & Biodgradaion. v. 35, n. -3, p. 7-40, 995. GUIBAL, E., ROULPH, C., LECLOIREC, P. Infrard Spcroscopic Sudy of Uranyl Biosorpion by Fungal Biomass and Marials of Biological Origin. Environmnal Scinc & Tchnology. v. 9, n. 0, p , 995. HO, Y. S., McKAY, G. Psudo-scond ordr modl for sorpion procsss. Procss Biochmisry. v. 34, n. 5, p , 999. KIRAN, I., AKAR, T., TUNALI, S. Biosorpion of Pb(II) and Cu(II) from auous soluions by prrad biomass of Nurospora crassa. Procss Biochmisry. v. 40, n., p , 005. KRATOCHVIL, D., VOLESKY, B. Advancs in h biosorpion of havy mals. Trnds In Biochnology. v. 6, n. 7, p , 998. LIN, Z., WU, J., XUE, R., YANG, Y. Spcrochimica Aca Par A - Molcular And Biomolcular Spcroscopy. v. 6, n. 4, p , 005.

8 LOVLEY, D. R., COATES, J.D. Biormdiaion of mal conaminaion. Currn Opinion In Biochnology. v. 8, n. 3, p , 997. MATIS, K. A., ZOUBOULIS, A. I. al. Euilibrium and kinic modling of chromium(vi) biosorpion by Aromonas cavia. Colloids and Surfacs A: Physicochmical And Enginring Aspcs. v. 4, n. -3, p , 004. MATIS, K. A., ZOUBOULIS, A. I., GRIGORIADOU, A. A. al. Mal biosorpion floaion. Applicaion o cadmium rmoval. Applid Microbiology Biochnology. v. 45, p MATIS, K. A., ZOUBOULIS, A. I., HANCOCK, I. C. Biosorpiv floaion in mal ions rcovry. Sparaion Scinc And Tchnology. v. 9, n. 8, p , 994. MURALEEDHARAN, T. R., PHILIP, L., IYENGAR, L., VENKOBACHAR, C. Applicaion Sudis of Biosorpion for Monazi Procssing Indusry Effluns. Biorsourc Tchnology. v. 49, n., p , 994. OZDEMIR, G., CEYHAN, N., OZTURK, T. al. Biosorpion of chromium(vi), cadmium(ii) and coppr(ii) by Panoa sp. TEM8. Chmical Enginring Journal. v. 0, n. 3, p , 004. PAGNANELLI, F., PAPINI, M. P., TORO, L. al. Biosorpion of Mal Ions on Arhrobacr sp.: Biomass Characrizaion and Biosorpion Modling. Environmnal Scinc & Tchnology. v. 34, n. 3, p , 000. PAN, J., GE, X., LIU, R., TANG, H. Characrisic faurs of Bacillus crus cll surfacs wih biosorpion of Pb(II) ions by AFM and FT-IR. Colloids and Surfacs B: Bioinrfacs. v. 5, n., p , 006. PRISCIANDARO, M., VEGLIO, F., BEOLCHINI, F. Sorpion of coppr by oliv mill rsidus. War Rsarch. v. 37, n. 0, p , 003. SAR, P., KAZY, S. K., D'SOUZA, S. F. Radionuclid rmdiaion using a bacrial biosorbn. Inrnaional Biodrioraion & Biodgradaion. v. 54, n. -3, p. 93-0, 004. SCHNEEGURT, M. A., JAIN, J. C., MENICUCCI, J. A. al. Biomass Byproducs for h Rmdiaion of Waswars Conaminad wih Toxic Mals. Environmnal Scinc & Tchnology. v. 35, n. 8, p , 00. SILVA, E. A., COSSICH, E. S., TAVARES, C. G., FILHO, L. C., GUIRARDELLO, R. Biosorpion of binary mixurs of Cr(III) and Cu(II) ions by Sargassum sp. Brazilian Journal Of Chmical Enginring. v. 0, n. 3, p. 3-7, 003. SMITH, R. W., SCHNEIDER, I. A. H., RUBIO, J. Biosorpion of mals ono plan biomass: xchang adsorpion or surfac prcipiaion? Inrnaional Journal Of Minral Procssing. v. 6, n. -4, p. -0, 00. SRIVASTAVA, S., THAKUR, I. S. Biosorpion Poncy of Asprgillus nigr for Rmoval of Chromium (VI). Currn Microbiology. v. 53, n. 3, p. 3-37, 006. TOREM, M. L., PINO, G. H., MESQUITA, L. M. S., PINTO, G. A. S. Biosorpion of cadmium by grn coconu shll powdr. Minrals Enginring. v. 9, n. 5, p , 006. TSEZOS, M., REMOUDAKI, E., ANGELATOU, V. A Sudy of h Effcs of Comping Ions on h Biosorpion of Mals. Inrnaional Biodrioraion & Biodgradaion. v. 38, n., p. 9-9, 996. TÜZÜN, I., BAYRAMOĞLU, G., YALÇIN, E. al. Euilibrium and kinic sudis on biosorpion of Hg(II), Cd(II) and Pb(II) ions ono microalga Chlamydomonas rinhardii. Journal of Environmnal Managmn. v. 77, n., p. 85-9, 005. VELAN, M., VIJAYARAGHAVAN, K., JEGAN, J., PALANIVELU, K. Biosorpion of coppr, cobal and nickl by marin grn alga Ulva riculaa in a packd column. Chmosphr. v. 60, n. 3, p , 005. VOLESKY, B. Advancs in biosorpion of mals: Slcion of biomass yps. FEMS Microbiology Rviws. v. 4, n. 4, p. 9-30, 994. VOLESKY, B. Biosorbns for mal rcovry. Trnds in Biochnology. v. 5, n. 4, p. 96-0, 987.

9 VOLESKY, B., FIGUEIRA, M. M., CIMINELLI, V. S. T. al. Biosorpion of mals in brown sawd biomass. War Rsarch. v. 34, n., p , 000. VOLESKY. B., VIEIRA, R. H. S. F. Biosorpion: a soluion o polluion? Inrnaional Microbiology. v. 3, p. 7-4, 000. WASE, J., FORSTER, C. alli. Biosorbns for mal ions. Grã Branha: Taylor & Francis Lda, p. ZHANG, L., ZHOU, D., GUO, S. L. Mchanisms of lad biosorpion on cllulos chiin bads. War Rsarch. v. 39, n. 6, p , 005. ZOUBOULIS, A. I., KEFALA, M. I., MATIS, K.A. Biosorpion of cadmium ions by Acinomycs and sparaion by floaion. Environmnal Polluion. v. 04, n., p , 999. ZOUBOULIS, A. I., LOUKIDOU, M. X., MATIS, K. A. Biosorpion of oxic mals from auous soluions by bacria srains isolad from mal-pollud soils. Procss Biochmisry. v. 39, n. 8, p , 004. Bruno Abru Calfa Aluno d graduação do curso d Engnharia Química Dparamno d Química Ponifícia Univrsidad Caólica do Rio d Janiro Rua Maruês d São Vicn, 5 Gáva Rio d Janiro RJ CEP: brunocalfa@ui.puc-rio.br Maurício Lonardo Torm Profssor Associado Dparamno d Ciência dos Mariais Malurgia Ponifícia Univrsidad Caólica do Rio d Janiro Rua Maruês d São Vicn, 5 Gáva Rio d Janiro RJ CEP: orm@dcmm.puc-rio.br