Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN/CNEN-MCT. Av. Lineu Prestes Cidade Universitária - CEP: São Paulo - SP
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1 Uso das cascas de banana na biossorção de íons de urânio Milena Rodrigues Boniolo a *, Mitiko Yamaura a, Raquel Almeida Monteiro a a Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN/CNEN-MCT Centro de Química e Meio Ambiente - CQMA Av. Lineu Prestes Cidade Universitária - CEP: São Paulo - SP Brasil *Autor para a correspondência: milenaboniolo@usp.br Palavras chave: biomassa residual, remoção de urânio, biossorvente Título abreviado: Biossorção de urânio 1
2 ABSTRACT Banana pith was characterized by Infrared Spectroscopy and Scanning Electron Microscopy, and investigated as a low cost biosorbent for the removal of uranium ions from nitric solutions. Influences of the following parameters were studied: adsorbent particle size and contact time. The Langmuir and Freundlich linear isotherm models were applied to describe the adsorption equilibrium. The adsorption process was described better by the Freundlich equation. The adsorption capacity at equilibrium of uranium ions was determined from the Langmuir equation, and it was found mg.g-1 at 25 ± 2ºC. This study showed the potential application of the banana pith as biosorbent of uranium ions. RESUMO Cascas de banana foram caracterizadas por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier e microscopia eletrônica de varredura, e investigadas como biossorvente de baixo custo para a remoção de íons de urânio provenientes de soluções nítricas. A influência dos seguintes parâmetros foi estudada: tamanho das partículas do adsorvente e tempo de contato. Os modelos de isotermas lineares de Langmuir e Freundlich foram aplicados para descrever o equilíbrio de adsorção. O processo de adsorção foi melhor descrito pela equação de Freundlich. A capacidade de adsorção no equilíbrio foi determinada pela equação de Langmuir, e o valor encontrado foi mg.g -1 a 25 ± 2ºC. Este estudo mostrou o potencial de aplicação das cascas de banana como biossorvente de íons de urânio. 2
3 1. INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, têm sido observadas inúmeras situações que colocam em risco a biodiversidade do planeta. Além disso, ocorrem alertas a respeito da escassez qualitativa e quantitativa da água potável no mundo, assunto estes que deixaram de ser apenas de interesse da comunidade cientifica (Moraes & Jordão, 2002; Junior & Malheiros, 2005). Já é estabelecido que diversas descargas industriais contêm substâncias que podem não ter efeito agudo, mas que são capazes de reduzir, a médio e longo prazo, a sobrevida de um organismo via danos no genoma de células somáticas e germinativas (Tiburtis & Zamora, 2004). O crescente desenvolvimento da energia nuclear leva à expansão dos setores do ciclo de combustível nuclear, no entanto, conduz a problemas de segurança e surge a necessidade de controle dos despejos e tratamentos dos efluentes radioativos (Rubens et al. 1998). Outro aspecto pertinente são as rochas fosfatadas, que por possuírem concentrações significativas de urânio, tório e rádio e serem utilizadas como matéria prima de fertilizantes justificam um estudo para sua melhor disposição do fosfogesso, um subproduto que permanece estocado nas minas e além de provocar drenagem ácida e possível contaminação de lençóis freáticos, apresenta radioatividade, causada pela presença do elemento rádio, produto de decaimento do urânio (U-238) e do tório (Th- 232) (Bragança et al. 2003; Lapido 2002). Para serem viáveis, as tecnologias de tratamento de águas residuárias devem apresentar baixo custo operacional e eficiência na capacidade de remoção dos poluentes. É principalmente por este motivo que estudos envolvendo a biomassa residual para 3
4 tratar efluentes têm despertado grande interesse nos últimos anos (Kadirvelu & Namasivayam 2003a; Yamaura et al. 2004). Trata-se de um material natural praticamente sem custo, abundante e que apresenta capacidades adsortivas por metais (Sekar et al. 2004; Boniolo et al. 2008), e compostos orgânicos (Kadirvelu 2003b). O Brasil destaca-se como um dos três maiores produtores e consumidores mundiais de banana, com uma produção anual de cerca de seis milhões de toneladas. No entanto, também é o país com o maior índice de desperdício. As perdas anuais variam de 20% a 40% da produção nacional, o que equivale a mais de dois bilhões de dólares (Silva et al. 2003). O uso da casca de banana como adsorvente reduz o impacto ambiental de duas formas, ou seja, a biomassa residual que muitas vezes torna-se um poluente pelo acúmulo é retirada do local onde é gerada ou depositada e as águas residuárias podem ser tratados com esta biomassa. Um outro aspecto importante é a reutilização tanto da biomassa quanto dos poluentes metálicos adsorvidos que podem ser recuperados por processos de dessorção. Neste trabalho verificou-se a viabilidade da casca da banana como adsorvente de íons de urânio, UO 2+ 2, de soluções sintéticas. Foi realizada caracterização do biossorvente por espectroscopia de infravermelho e microscopia eletrônica de varredura. Estudaram-se as influências da granulometria do adsorvente na eficiência de remoção de urânio, a cinética de adsorção e as isotermas de equilíbrio segundo os modelos de Freundlich e Langmuir. 2. METODOLOGIA Preparo das cascas de banana para uso como biossorvente 4
5 As cascas da banana foram picadas em pequenos pedaços e secas sob ação do sol. Após moagem em um processador (Max Chopper), o material obtido foi separado em diferentes frações com auxílio de peneiras granulométricas (Bertel): 0.074, 0.18, 0.42, 2.5 e 6.0 mm. As porções obtidas foram armazenadas para estudos posteriores. Caracterização As cascas de banana foram caracterizadas com relação à morfologia e à estrutura química por microscopia eletrônica de varredura (modelo LEO 44oi) e espectroscopia na região de infravermelho com transformada de Fourier (Nicolet, Nesus 670), respectivamente. Ensaio em batelada Os experimentos de adsorção dos íons de urânio, UO 2+ 2, foram realizados por ensaios em batelada à temperatura ambiente 25 ± 2 ºC. Agitaram-se mecanicamente (mod. AD8850, Donner, 400 rpm) 50 mg da casca de banana com 2 ml de diferentes concentrações de soluções nítricas de urânio, durante um intervalo de tempo prédeterminado. Separou-se o sobrenadante com auxílio de micropipetas automáticas e determinou-se a concentração de íons de urânio (VI) remanescente por espectrofotometria. Espectrofotometria O controle analítico de íons de urânio foi realizado (UV-visível, mod. B-582, Micronal), através do método de Arsenazo III (Savvin, 1961). Uma alíquota de amostra 2+ contendo íons UO 2 foi colocada em um balão de 5 ml. Adicionaram-se 1.5 ml de arsenazo III a 0,06% e alíquotas de ácido nítrico 0.5 mol.l -1 para ajustar o ph final no intervalo de 1 a 2 (Yamaura et al. 2002). Completou-se com água destilada. Preparou-se o branco nas mesmas condições, entretanto, sem a alíquota de amostra. Realizou-se a leitura de absorbância do complexo UO arsenazo-iii no comprimento de onda igual a 5
6 650nm. Os resultados obtidos são a média das análises realizadas em triplicata de cada amostra. Através da curva de calibração para o urânio, foram obtidos os valores do metal em massa remanescentes na alíquota. Porcentagem de remoção (% rem) Neste trabalho, as influências da granulometria do biossorvente e do tempo de equilíbrio no processo de adsorção de UO 2+ 2 pelas cascas de banana foram avaliadas pelos valores de percentual de remoção obtidos, calculados de acordo com a equação 1: % rem = (Ci Cf) / Ci x 100 (1), na qual Ci = concentração de urânio (mg;l -1 ) na fase aquosa antes do equilíbrio e Cf = concentração de urânio (mg;l -1 ) na fase aquosa no equilíbrio Isotermas: Freundlich e Langmuir A isoterma de Freundlich supõe um número quase infinito de sítios de adsorção em relação ao número de moléculas de soluto e baseia-se no conceito que os íons são infinitamente acumulados na superfície do adsorvente, como descrito pela equação 2 em sua forma linear. log q eq = log K F + 1/n log C eq (2), onde q eq é a quantidade de soluto adsorvido no adsorvente (mg.g -1 ), C eq é a concentração de equilíbrio do soluto na fase líquida (mg.l -1 ) e K F e 1/n são constantes de Freundlich e são indicadores de capacidade de adsorção e intensidade de adsorção, respectivamente. Um valor de 1/n menor do que 1 indica que a adsorção é favorável. No modelo de Langmuir, a adsorção aumenta linearmente com o aumento de concentração do soluto e aproxima-se de um valor constante devido ao número limitado de sítios de adsorção. O modelo é descrito pela equação 3. C eq / q eq = 1/Q K L + C eq / Q (3), na qual Q é a capacidade máxima de adsorção (mg.g -1 ) e K L é a constante de Langmuir relacionada a energia de adsorção. 6
7 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização A Figura 1 exibe a micrografia eletrônica de varredura do biossorvente estudado, observa-se a natureza fibrosa do material que favorece a adsorção física, como o ancoramento dos íons UO 2+ 2 nestas superfícies. Figura 1 Micrografia da casca de banana. Na Figura 2 podem ser observadas as freqüências das bandas de alguns grupos funcionais presentes nas cascas de banana, as quais foram interpretadas, comparadas em literatura científica e identificadas. As bandas de absorção em 3439 cm -1 e 1628 cm -1 correspondem ao grupo hidroxil (OH) pertencente à estrutura da banana e/ou de moléculas de água adsorvida, 2933 cm -1 e 2847 cm -1 correspondem ao C-H das fibras de carboidrato, de alcanos, 1741 cm -1 provém do grupo carbonil C=O e 1053 cm -1 é característica dos álcoois OH transmitância % núm ero de onda (cm -1 )
8 Figura 2 - Espectro de infravermelho da casca de banana. Tamanho da partícula adsorvente Os tamanhos estudados foram: 0.074, 0.18, 0.42, 2.5 e 6.0 mm. As frações obtidas foram colocadas em contato com 2 ml de uma solução nítrica de urânio (0.1 gu.l -1 ) ph 3, e agitadas por 30 minutos segundo o ensaio em batelada descrito. Os resultados de % rem para as diferentes frações estudadas mostram que quanto menor o tamanho do adsorvente maior a área de superfície e melhor o percentual de remoção, este aumentou de 13 para 57% quando o tamanho da partícula diminuiu de 6.0 para mm. Optou-se trabalhar com a fração de 0.18 mm por esta possibilitar otimização do tempo na rotina laboratorial. Tempo de equilíbrio Fixou-se o tamanho da partícula adsorvente em 0.18 mm e variou-se o tempo de contato no intervalo de 10 a 120 minutos. Os resultados obtidos mostram que a cinética de adsorção é relativamente rápida, a partir de 40 minutos atingiu-se o equilíbrio para 0.1 gu.l -1 da solução nítrica de urânio. Para os estudos das isotermas, fixou-se o tempo de contato da casca de banana com solução de urânio em 40 minutos. Isotermas O intervalo de concentração de urânio estudado foi g.l -1 e doses do adsorvente igual a 25 g.l -1, os valores foram aplicados aos modelos de isotermas de equilíbrio de Freundlich e Langmuir. O ph das soluções variou de no intervalo de concentração estudado. A isoterma de adsorção para o UO 2+ 2 exibiu um aumento proporcional da quantidade UO 2+ 2 adsorvido com a concentração de urânio da solução inicial colocada 8
9 em contato com a casca de banana. No intervalo estudado não se observou o início da saturação de sítios ativos da casca de banana. Os dados da isoterma de adsorção foram analisados segundo os modelos de Freundlich e Langmuir e estão ilustrados nas Figuras 3 e 4. 2 log qeq log ceq FIGURA 3 Modelo de isoterma de Freundlich para UO 2 2+ a 25 ± 2 ºC. A análise dos resultados indicou que no intervalo de concentração estudado a adsorção é melhor descrita pelo modelo de Freundlich. O coeficiente de correlação linear obtido foi igual a para o modelo de Langmuir e igual a para o modelo de Freundlich. 80 Ceq/Qeq (g/l) Ceq (mg/l) 9
10 FIGURA 4 - Modelo de isoterma de Langmuir para UO 2 2+ a 25 ± 2 ºC. Através da análise do parâmetro 1/n do modelo de isoterma linear de Freundlich, de valor obtido igual a 0.489, pode-se ter uma indicação de que o processo de adsorção é favorável visto que o valor encontrado foi menor que 1. O valor da capacidade máxima de adsorção (Q), estimado pelo modelo de isoterma de Langmuir foi igual a 67.1 mg de urânio por g de casca de banana. 4. CONCLUSÕES No intervalo de concentração estudado, 0.1 até 3.8 g.l -1, a adsorção de UO 2+ 2 na casca de banana correlacionou-se melhor com o modelo de isoterma de Freundlich. Na remoção de íons de urânio de efluentes radioativos aquosos, a casca de banana mostrou-se um adsorvente eficaz com grandes perspectivas de aplicação, já que em um único estágio de equilíbrio de 40 minutos e utilizando a relação solução de 2+ urânio / casca de banana de 2 : 0.05 (ml:g) removeu mais de 65% de UO 2 da solução de 0.1 g U.L -1 de solução nítrica de urânio. Trata-se de um processo inovador, além de apresentar baixíssimo custo, ser natural, abundante e biodegradável. A casca de banana sendo uma biomassa residual abundante torna-se uma opção alternativa de baixo custo e que respeita o desenvolvimento sustentável. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 10
11 BONIOLO MR, YAMAURA M Banana Pith for the treatment of uranium ions. En: Safety, Health and Environmental World Congress - SHEWC Rio de Janeiro. Proceedings of the Safety, Health and Environmental World Congress, BRAGANÇA MJCS Minerais fosfatados para serem utilizados como materiais de referência radioativos. Encontro da Sociedade Brasileira de Metrologia (SBM): JUNIOR AP, MALHEIROS TF Águas residuárias industriais: Visão de saúde pública e ambiental. En: Saneamento, Saúde e Ambiente; São Paulo, p KADIRVELU K, NAMASIVAYAM C Activated carbon from coconut coirpith as metal adsorvent: adsorption of Cd(II) from aqueous solution, Advances in Environmental Research, 7, a. KADIRVELU K. et al Utilization of various agricultural wastes for activated carbon preparation and application for the removal of dyes and metal ions from aqueous solutions. Bioresource Technology, 87, b. LAPIDO-LOUREIRO FE Problemática da produção de ácido fosfórico seguindo as rotas clorídrica e nítrica, com recuperação de subprodutos: Estado de arte`. MORAES DSL, JORDÂO BQ Water resources deterioration and its impact on human health. Revista de Saúde Pública, 36,
12 RUBENS CL, FIGUEIRA E, CUNHA IL A contaminação dos oceanos por radionuclídeos antropogênicos. Química Nova, 21, SAVVIN S.B Analytical use of Arsenazo III. Determination of thorium, zirconium, uranium and rare earth elements. Talanta, 8, SEKAR M et al Kinetics and equilibrium adsorption study of lead (II) onto activated carbon prepared from coconut shell. Colloid and Interface Science, 279, SILVA CS et al Avaliação econômica das perdas de banana no mercado varejista: um estudo de caso. Revista Brasileira de Fruticultura, 25, TIBURTIUS ERL, ZAMORA PP Contaminação de águas por Btxs e processos utilizados na remediação de sítios contaminados. Química Nova, 27: YAMAURA M, BONIOLO MR, MONTEIRO RA Características de adsorção de íons radiotóxicos por um resíduo natural. Anais do Congresso de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável. YAMAURA M, WADA LY, RIBEIRO FC Determinação espectrofotométrica de urânio (VI) com arsenazo III em meio nítrico. Revista brasileira de pesquisa e desenvolvimento, 4,
13 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq. 13
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