AGENTE ATIVANTE OBTAINING THE COAL ACTIVATED FROM THE AGAPE BY USING

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1 OBTENÇÃO DO CARVÃO ATIVADO A PARTIR DO AGUAPÉ UTILIZANDO FeCl 3 COMO AGENTE ATIVANTE OBTAINING THE COAL ACTIVATED FROM THE AGAPE BY USING FeCl 3 AS AN ACTIVE AGENT Ariane de Quadros Ferreira arianequadros@outlook.com Graduada em Processos Químicos - UNILINS Prof. Dr. Cássio Luís Fernandes de Oliveira - UNILINS cassio.oliveira@unilins.edu.br RESUMO Este projeto tem como objetivo a obtenção do carvão ativado a partir de um material vegetal, devido sua alta capacidade adsorvente a gases e eficiência econômica. Para a obtenção do carvão ativado foi selecionado material de fácil acesso e que possui alto teor de carbono: o Aguapé. A amostra deste material orgânico foi preparada, carbonizada e depois sofreu processo de ativação pela adição do cloreto férrico. O carvão foi separado em quatro tipos diferentes, segunda sua condição de ativação e submetidos a testes de adsorção para determinar a isoterma e cinética de adsorção. Foi avaliado através das isotermas que o carvão produzido sem a adição do sal de cloreto férrico e apenas da carbonização térmica do material (carvão tipo 3), obteve maior q max (mg de absorbato máximo que pode ser absorvido por grama do adsorvente) e R L (relação entre o adsorvente e o absorbato), no valor de 150 mg g -1 e 0,0025, respectivamente. Neste trabalho, observou-se um ótimo comportamento do aguapé por si só, já que o carvão que obteve melhor desempenho é constituído apenas do material orgânico. Palavras-chave: COV s; carvão ativado; adsorventes; aguapé. ABSTRACT This project aims to obtain activated carbon from a plant material, due to its high adsorbent capacity to gases and economic efficiency. To obtain the activated carbon was selected material that is easy to access and has a high carbon content: the Aguapé. The sample of this organic material was prepared, charred and then underwent activation by the addition of ferric chloride. The charcoal was separated into four different types, second its activation condition and subjected to adsorption tests to determine the isotherm and adsorption kinetics. It was evaluated through the isotherms that the coal produced without the addition of the ferric chloride salt and only the thermal carbonization of the material (charcoal type 3) obtained higher qmax (mg of absorbable maximum per gram of the adsorbent) and RL ( Relation between the adsorbent and the absorbance), in the amount of 150 mg g-1 and , respectively. In this work, it was observed an excellent behavior of the aguapé by itself, since the carbon that obtained better performance consists only of the organic material. Keywords: COV's; activated charcoal; Adsorbents; Water bottle. 449

2 INTRODUÇÃO Devido aos grandes impactos ambientais, proveniente do desenfreado crescimento econômico e exploração de recursos naturais, a poluição tornou-se uma preocupação mundial. A poluição atmosférica, causadas por emissões gasosas odoríferas, é gerada pelas diversas atividades industriais e converteu-se num preocupante problema, sendo cada vez mais frequentes as queixas e o desconforto ambiental. Segundo Instituto Estadual do Meio Ambiente (INEA), a poluição do ar pode ser definida como o resultado da alteração das características físicas, químicas e biológicas normais da atmosfera, de forma a causar danos ao ser humano, à fauna, à flora, aos materiais, ou restringir o pleno uso e gozo da propriedade, ou afetar negativamente o bem-estar da população. O nível de referência para a poluição atmosférica está descrito na Resolução do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) nº 03 de 28/06/1990. São várias as buscas para encontrar maneiras de amenizar os efeitos causados por ela, dentre estas buscas está o uso de materiais de baixo custo que possam servir como adsorventes para a eliminação de contaminantes do ar, tendo em vista a dificuldade de adsorver tais compostos. O material comumente utilizado para tal fim é o carvão ativado com ótimas propriedades adsorventes. O custo elevado das matérias-primas utilizadas na produção de carvões ativados tem limitado o uso extensivo destes adsorventes. Nesse sentido, existe um crescente interesse na busca de materiais alternativos de baixo custo que possam ser utilizados na produção de carvão ativado. Para contribuir a esta problemática se faz necessário o estudo para obtenção do carvão ativado a partir do aguapé utilizando o cloreto férrico como ativante, ambos os materiais (agente ativante e material ativado) de baixo custo. Este carvão derivado de um material vegetal deverá ser submetido a métodos que avaliem a adsorção aos compostos orgânicos, o desempenho do agente ativante, além de sua eficiência econômica e ambiental. O trabalho teve como principais objetivos a preparação e obtenção do carvão ativado a partir do aguapé, utilizando cloreto férrico como agente ativante, avaliação do desempenho e viabilidade de sua adsorção a compostos orgânicos voláteis 450

3 presentes na atmosfera, avaliação da eficiência do agente ativante; e aperfeiçoamento de métodos de melhoria para este tipo de amostragem de gases. Para a obtenção do carvão ativado foi selecionado material de fácil acesso, baixo custo e que possui alto teor de carbono: o Aguapé, sua coleta foi realizada no dia 28 de junho de 2015, no rio Dourado, localizado em Rodovia David Eid, SP-381, na estrada Lins-Sabino. As amostras deste material orgânico foram submetidas aos seguintes passos: a) preparação da amostra: com o objetivo de aumentar a área de contato, após a desidratação, o material seco foi triturado usando liquidificador. Após a trituração o material foi classificado usando peneiras. O material obtido a partir da trituração das folhas de aguapé foi peneirado para haja separação dos grãos menores. A amostra foi peneirada em tamanho até 0,5 mm; b) carbonização e ativação: após o preparo da amostra foi realizado o tratamento químico com a adição de Cloreto Férrico (FeCl 3.6H 2 O) na proporção de 1:1 (amostra: reagente). As amostras foram pesadas e enumeradas de 1 a 4 conforme o peso e condição de ativação; c) remoção do excesso de cloreto férrico: as amostras de carvão carbonizadas foram lavadas com uma solução de HCl 0,5M (preparado na hora do procedimento) das amostras ativadas. Para cada amostra foram utilizados 100 ml da solução de HCl; d) curva de calibração: para avaliar a capacidade de adsorção dos carvões, escolheu-se uma molécula de prova, o azul de metileno (AM), em solução aquosa. A diminuição na concentração AM em solução, após a adição do carvão ativado, é um indicativo do quanto foi adsorvido pelo carvão ativado. Para quantificar esta adsorção, foi necessária a construção de uma curva de calibração usando soluções de AM de concentrações conhecidas; e) testes de adsorção: A eficiência da adsorção de cada um dos carvões foi determinada por meio da adição de 50 mg de carvão ativado em 50 ml de solução contendo azul de metileno de diferentes concentrações. Este procedimento permitiu construir isoterma de adsorção que foi usada na referida avaliação. A quantidade de azul de metileno adsorvida nos 451

4 carvões foi avaliada mediante diminuição da intensidade da cor da solução de azul de metileno, ou seja, da descoloração. 1 REVISÃO DA LITERATURA Segundo Guarieiro; Vasconcellos e Solci (2011), em áreas urbanas, grandes quantidades de compostos químicos são emitidas para a atmosfera pelas indústrias, veículos e decorrentes de outras atividades humanas. Perto de diferentes compostos provenientes da ação humana já foram identificados na atmosfera, sendo a maior parte deles orgânicos. Essa mistura complexa de poluentes causa preocupação devido ao impacto que pode causar à saúde e ao ambiente. 1.1 COV s Os compostos orgânicos voláteis (COV s) contêm pelo menos um átomo de carbono e um de hidrogênio na sua estrutura molecular e que têm baixo ponto de ebulição, por isso, voláteis. Existem em várias formas estruturais, incluindo álcoois, cetonas, ésteres e aldeídos. Benzeno, tolueno e xilenos são COV s com grande potencial tóxico. O benzeno, por exemplo, é colocado na gasolina para melhorar a sua qualidade e também aparece na fumaça do cigarro. 1.2 Carvão ativado O carvão ativado é uma forma de carbono puro de grande porosidade, apresenta notáveis propriedades atribuídas à sua área superficial, entre elas, a remoção de impurezas dissolvidas em solução. Pode ser empregado em pó ou granulado, conforme a utilização. O carvão ativado é obtido a partir da queima controlada de certos tipos de madeiras (pirólise). O carvão ativado tem a capacidade de coletar seletivamente gases, líquidos e impurezas no interior dos seus poros, sendo por isso vastamente utilizado em sistemas de filtragem. Segundo Barbosa et al. (2014), algumas biomassas, tais como resíduos florestais, agrícolas, sólidos urbanos e plantas, que podem ser utilizados como precursores de carvão ativado, vêm se destacando na literatura. A escolha do material a ser ativado depende, sobretudo, da sua pureza, preço, disponibilidade e potencial de ativação. 452

5 1.3 A escolha do aguapé A escolha do aguapé do material deve-se as suas características, além de ser um material de baixo custo, é um composto considerado daninho ao meio ambiente. O Aguapé (Eichhornia crassipes) é uma planta aquática flutuante e rizomatosa, abundante em rios, lagoas e áreas alagadas. Seu tamanho varia de 15 a 80 centímetros de altura. É considerada uma espécie invasora (planta daninha). 1.4 Processo de ativação O processo de ativação do carvão ocorre quando o material é submetido a reações químicas para aumentar a sua área superficial (aumento dos poros), aumentando assim a sua capacidade de adsorção. Em um processo de adsorção, as moléculas, átomos ou íons em um gás ou líquido difundem para a superfície sólida, onde se ligam quimicamente com a superfície sólida ou são mantidos lá por fracas forças intermoleculares. Figura 1: Diferença entre carvão comum e carvão ativado. Fonte: RONCONI; ALMEIDA, DISCUSSÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS Após o preparo das amostras, a carbonização e a ativação dos quatro tipos de carvões ativados produzidos, conforme tabela abaixo; foram feitos os testes de adsorção através dos seguintes passos: construção da curva de calibração do azul de metileno, ensaios para determinação das isotermas de adsorção e ensaio para determinação da cinética de adsorção. 453

6 Tabela 1: Rendimento após carbonização. Amostra Massa do material após a carbonização [g] Rendimento [%] 1 6,116 60,57 2 5,795 57,68 3 2,585g 51,57 4 6,035g. 59,91 Fonte: Elaborado pelos autores, Construção da curva de calibração do azul de metileno A construção da curva de calibração do azul de metileno foi feita para verificar a diminuição de concentração do azul de metileno. Através da construção do espetro (absorbância x concentração). Para isso, foram feitas soluções de AM de diversas concentrações a partir de uma solução estoque de concentração de 500 mg.l -1. As absorbâncias das soluções foram obtidas em cubeta de plástico, com caminho óptico de 1cm, e no comprimento de onda 645nm. Figura 2 Curva de calibração do AM no comprimento de onda 645nm obtido em cubeta de caminho óptico de 10 mm. 454

7 2.2 Determinação das isotermas de adsorção Para obtenção das isotermas de adsorção, 50 mg do carvão ativado foi adicionado em 50 ml de soluções de azul de metileno de várias concentrações (500 mg.l -1, 250 mg.l -1, 100 mg.l -1, 50 mg.l -1, 25 mg.l -1 e 10 mg.l -1 ) e mantidas sob agitação por 24h à temperatura ambiente (25 C). Em seguida, o material foi centrifugado e a concentração remanescente de azul de metileno foi obtida por meio de uma curva de calibração mostrada na figura 1. Foram testadas duas isotermas de adsorção: Frunkin e Langmuir. A isoterma de Langmuir foi a que melhor se ajustou aos resultados, indicando que se trata de uma adsorção onde o adsorvente não interage com o seu vizinho. A quantidade de corante adsorvida (q eq ) foi calculada, em cada uma das soluções utilizando-se a equação abaixo: Em que: C 0 e C eq são as concentrações iniciais e de equilíbrio em mg.l -1, V é o volume da solução de corante nos frascos em litros e m é a massa do adsorvente (massa seca) em gramas. Para o ajuste dos dados de equilíbrio experimentais, utilizou-se o modelo de isoterma de Langmuir, que é representada pela equação abaixo: Onde, q é a massa de soluto adsorvido/massa de adsorvente (mg g -1 ); b um parâmetro (conhecido como constante de adsorção de Langmuir ; C eq a concentração de equilíbrio do soluto na fase fluida, (mg L -1 ) e q max a constante que representa a monocamada depositada por g de adsorvente (mg de adsorvato g -1 de adsorvente), ou seja, a máxima adsorção possível. A figura 2 mostra a isoterma de adsorção (q eq vs. C eq ) com os resultados experimentais para o carvão tipo 3 e a curva contínua é o ajuste do modelo de 455

8 q eq [ mg mg -1 ] isoterma seguindo Langmuir. Pode-se observar que o q max, que significa a quantidade de adsorbato (azul de metileno) máxima (em mg) que pode ser adsorvida por grama de adsorvente de 150 mg/g, resultado excelente para materiais adsorventes. O valor de b indica que a energia de adsorção entre o adsorbato e adsorvente é favorável. Na isoterma de Langmuir, determina-se a quantidade RL, pela equação: Onde C 0 é a concentração mais alta do adsorbato. No caso da concentração mais elevada 500 mg.l -1 o resultado para RL é 0,0025, o que indica boa relação entre o adsorbato e adsorvente. Figura 3 Isoterma de adsorção e ajuste da isoterma usando modelo de adsorção de Langmuir para o carvão ativado tipo 3 produzido a partir do aguapé. 0,16 0,12 0,08 0, C eq [mg L -1 ] Para fins comparativos e para obtenção de um melhor parâmetro dos resultados experimentais, foi analisado também um carvão ativado convencional a partir de material vegetal babaçu, este é comercializado e utilizado em escala industrial. A figura 3 mostra a isoterma de adsorção (q eq vs. C eq ) com os resultados experimentais para o carvão comercial, também no modelo Langmuir. Pode-se observar o q max de 160 mg.g

9 Concentração [mg/l] q eq [mg mg -1 ] Figura 4 Isoterma de adsorção e ajuste da isoterma usando modelo de adsorção de Langmuir para o carvão comercial. 0,18 0,12 0, C eq [mg L -1 ] 2.3 Determinação da cinética de adsorção A construção da cinética de adsorção foi feita para verificar a diminuição de concentração do azul de metileno em função do tempo. Foram verificadas as cinéticas do carvão tipo 3 em comparativo com o carvão comercial. Pode ser avaliada a eficiência de adsorção de ambos pelo tempo. Figura 5 Gráfico da cinética de adsorção do comparativo do carvão tipo 3 e carvão comercial Carvão 1 com concentração inicial 33,26 mg/l Tempo [minutos] 457

10 CONCLUSÃO Através da revisão da literatura e toda a fase experimental deste trabalho pôde ser observado a relevância desta problemática ambiental para a sociedade, e sua influência direta para o meio. Foi avaliado através das isotermas que o carvão produzido sem a adição do sal de cloreto férrico e apenas da carbonização térmica do material (carvão tipo 3), possui q max igual a 150 mg g-1 (mg de absorbato máximo que pode ser absorvido por grama do adsorvente) e RL (relação entre o adsorvente e o absorbato) igual a 0,0025; sendo ambos o de maior valor quando comparados aos demais. Já o carvão padrão comercial avaliado obteve q max = 160 mg g-1 e RL igual a 0, Na cinética de adsorção para a mesma concentração inicial (33,26 mg L-1), no carvão tipo 3 foi observado 33,04 mg de azul de metileno adsorvido por grama de carvão ativado para um tempo de contato de 24 horas; já para o carvão padrão comercial foi observado 33,13 mg de azul de metileno adsorvido por grama de carvão ativado para o mesmo período. No comparativo dos resultados das isotermas do carvão tipo 3 e o carvão padrão comercial, obteve-se valores de q max muito próximos, e também para os valores da cinética. Isto mostra um ótimo desempenho do material por si só, já que o carvão que obteve melhor desempenho é constituído apenas do material orgânico. Pode ser considerado que neste trabalho o sal agiu como um interferente para a ativação. Comprova-se assim, a ótima eficiência de materiais orgânicos adsorventes, e situa o aguapé como uma alternativa inovadora, sustentável e econômica. REFERÊNCIAS BARBOSA, Charles S. et al. Remoção de compostos fenólicos de soluções aquosas utilizando carvão ativado preparado a partir do aguapé (Eichhornia crassipes): estudo cinético e de equilíbrio termodinâmico. Quim. Nova, v. 37, n. 3, p , GUARIEIRO, Lilian Lefol Nani; VASCONCELLOS, Pérola Castro; SOLCI, Maria Cristina. Poluentes atmosféricos provenientes da queima de combustíveis fósseis e biocombustíveis: uma breve revisão. Revista Virtual de Química, v. 3, n. 5, p ,

11 INSTITUTO ESTADUAL DO AMBIENTE INEA. Qualidade do ar. Disponível em : < PEREIRA, Elaine et al. Preparação de carvão ativado em baixas temperaturas de carbonização a partir de rejeitos de café: Utilização de FeCl3 como agente ativante. Quim. Nova, v. 31, n. 6, p , RONCONI, Gabriela do Nascimento; ALMEIDA, Tayná Gabrielle. Obtenção do carvão ativado a partir de materiais vegetais. Trabalho de conclusão de curso (Graduação),