PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE MATERIAIS RELATÓRIO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA - PIBIC

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1 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE MATERIAIS RELATÓRIO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA - PIBIC CAROLINE DIAS GROSSI CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO COMPARATIVO DA BIOSSORÇÃO DE NIQUEL E COBALTO UTILIZANDO A BACTÉRIA R.ERYTHROPOLIS E CASCA DE BANANA COM DIFERENTES TIPOS DE ATIVAÇÃO PROFESSOR ORIENTADOR: MAURÍCIO LEONARDO TOREM RIO DE JANEIRO RJ 2017

2 RESUMO Os avanços tecnológicos e as novas leis ambientais vigentes, que são mais rigorosas, estimulam cada vez mais o surgimento de tecnologias limpas para o tratamento de efluentes industriais. Nesse contexto, a busca por biorreagentes se torna cada vez mais relevante, não só do ponto de vista ambiental, mas também como forma de melhorias do ponto de vista econômico, diminuindo custos de produção e manutenção de processos de tratamento. O uso de biomassa no tratamento de fluentes tem se tornado bastante atrativo, pelo baixo custo associado e boa capacidade de remoção. Sendo assim, o objetivo deste projeto é avaliar a utilização do microrganismo R. erythropolis e de biomassa produzida a partir da casca de banana prata como biossorvente de níquel e cobalto em águas residuais de processos de mineração. A biomassa foi preparada e posteriormente ativada de seis formas diferentes. Foram realizados ensaios de biossorção, tanto para a biomassa quanto para o microrganismo, variando ph, temperatura, concentração de metal e tempo de biossorção. Os resultados encontrados foram satisfatórios, mostrando que tanto a bactéria quanto a biomassa são capazes de realizar a captação de metais. Em relação a biomassa, a remoção chegou a 70% no caso da ativação com NaOH 0,05M a temperatura ambiente, enquanto que a bactéria teve, em seu melhor desempenho, uma remoção de cerca de 30% de metal.

3 1 INTRODUÇÃO As industrias, de modo geral, geram diversos resíduos ao transformar a matéria prima em produto final, além de consumir energia, água e recursos naturais. Assim, causam um impacto considerável ao meio ambiente, que vem sendo cada vez mais controlado pelas normas ambientais da legislação vigente. A Organização dos Estados Americanos, OEA, evidenciou que as indústrias minero-metalúrgicas são as que mais contribuem para a contaminação do meio ambiente (RUBIO, 1998). O Brasil possui muitas reservas naturais exploráveis, assim como uma fonte abundante de recursos hídricos, portanto, deve ficar atento ao quesito contaminação de águas, principalmente subterrâneas. Uma das estratégias no controle de poluição é a implementação, por parte das empresas, de um sistema de gestão ambiental, utilizando como parâmetro as normas internacionais da série ISO (NICOLELLA el al., 2004). De maneira geral, os efluentes de indústrias extrativas contribuem significativamente para o aumento da poluição por contaminação de metais pesados, que em meio aquático, são altamente bioacumulativos e prejudiciais a saúde dos organismos vivos dependentes daquele recurso: microrganismos, peixes, vegetais e até mesmo o homem. (ARLI e CANLI, 2010). Pineda (2005) e Jerry (1997) ilustraram, em seus trabalhos, algumas técnicas de remoção desses metais dos efluentes, e dentre as mais utilizadas estão a floculação/precipitação, troca iônica, adsorção e extração por solvente. O método mais empregado pela indústria é o da precipitação química seguido de etapas de sedimentação e filtração, porém, essa técnica se torna um pouco inviável para o caso do tratamento de grandes volumes de efluente com baixas concentrações de metal, devido à baixa eficiência operacional e aos elevados custos associados (VOLESKY, 2001; COSTA, 1995). Além da baixa eficiência, a precipitação química ainda pode deixar resíduos contaminantes, que mesmo não sendo tão nocivos quanto os metais pesados, podem modificar o ecossistema em que estão sendo despejados. Sendo assim, a procura por biorreagentes para serem empregados nesse

4 processo se torna bastante relevante, e vem sendo estudada por diversos grupos de pesquisa. Neste trabalho foram estudadas as capacidades de adsorção de metais da bactéria R. erythropolis e do farelo de casca de banana tipo prata. Microrganismos em geral possuem afinidades por metais, que são utilizados como cofatores, e essa afinidade contribuiu para o desenvolvimento do processo de biossorção o (VOLESKY, 1990; VOLESKY, 2003, VEGLIO 1997; WASE, 1997), muito estudado nos últimos anos pode seu desempenho promissor e baixo custo associado. A parede celular é a principal responsável pela biossorção, uma vez que possui grupos funcionais que possuem grande afinidade por esses metais. O processo de biossorção pode ser dado através de complexação, coordenação, a adsorção física, formação de quelatos, troca iônica, precipitação inorgânica e/ou combinação destes processos (ABDEL-GHANI, 2014; AHN,2009). Além dos grupos funcionais, há também surfactantes biológicos, produzidos pelo próprio microrganismo, que modificam o comportamento da solubilização de substratos, catálise, e também interferem na aderência dos metais, podendo acelerar o processo de biossorção (AHN, 2009; LI, 2011; JING, 2011; LIU, 2012). O desempenho da biossorção depende diretamente do material adsorvente, e diversos estudos evidenciam as cascas de frutas como eficientes no processo. Cruz (2009), estudou a casca de banana, Montanher (2014), o bagaço de laranjas, Pino (2005), a casca de coco verde, Barros (2014), cascas de abacaxi e tangerina, e muitos outros. Cruz (2009), em seu estudo, constatou que a casca de banana pode remover cobre, zinco, chumbo e cadmio com uma eficiência de 98,7%. Outro estudo com a casca de banana foi o de Buske (2012), que indicou uma boa remoção de ferro, alumínio, cromo e manganês de efluentes industriais, com capacidades que variavam de 13mg/g até 21mg/g de adsorvente. A banana é largamente produzida no Brasil, se destacando em relação a quantidade produzida, área colhida, e valores de produção (BORGES;SOUZA 2004), apresentando então um grande potencial de utilização como biossorvente.

5 2 JUSTIFICATIVA O volume de efluentes líquidos gerado pelas indústrias minerometalúrgicas é grande, e tem grande contribuição no impacto ambiental, principalmente de recursos hídricos. Os processos mais utilizados na indústria são processos de remoção química, que além de baixa eficiência, possuem elevadas produção de subprodutos e custos de instalação e manutenção. O processo proposto utilizando bactérias e casca de banana possui desempenho bom, como visto em estudos anteriores, e é melhor que os processos químicos empregados porque não geram subprodutos tóxicos ao meio ambiente, e seus custos de produção e manutenção são baixos, comparados aos processos químicos.

6 3 OBJETIVOS 3.1 Objetivo Geral O projeto tem como objetivo avaliar o uso da bactéria R. erythropolis e da casca de banana como biossorvente de níquel e cobalto no tratamento de águas residuais da indústria mineral. 3.2 Objetivos Específicos Preparar a biomassa a partir da casca de banana; Testar sua capacidade de adsorção in natura; Comparar valores de adsorção da bactéria e da casca de banana; Avaliar possibilidades de aumento de desempenho na biossorção através de diferentes procedimentos de ativação; Definir o melhor método de ativação para biossorção.

7 4 METODOLOGIA 4.1 Preparo das Biomassas Preparação do concentrado bacteriano Esta cepa bacteriana foi propagada, primeiramente, num meio de cultura sólido (TSB), para estoque e posteriormente cultivada num meio de cultura liquido (Composições nas tabelas 1). A cultura foi realizada em balões de Erlenmeyer de 250 ml num shaker rotatório (CIENTEC CT-712) a 28 ºC durante 72 horas. Após o crescimento, a suspensão celular foi centrifugada a 4500 RPM durante 8 minutos. O concentrado da centrifugação, constituído pelas células da bactéria, foi lavado três vezes com água deionizada e posteriormente resuspenso numa solução de 10-3 M de NaCl. Finalmente a suspensão concentrada obtida foi esterilizada e refrigerada até o seu uso. A concentração celular da suspensão bacteriana foi determinada por meio da densidade ótica num espectrofotômetro UV/Vis (UV- Spectrophotometer, UV-1800, Shimadsu) em comprimentos de onda específica para a bactéria (λ=620nm) Tabela 1 - Meio de cultivo TSB (Tryptone Soy Broth TSB) COMPONENTE Triptona Enzima digestora NaCl Agar ph SÓLIDO (G/L) ,0 LÍQUIDO (G/L) ,0 Preparação da casca de banana. Para o preparo da biomassa removeu-se toda a água da casca da banana por dois métodos: secagem em estufa a 50ºC e forno micro-ondas. Inicialmente o tempo de secagem foi de 20h, e depois, a biomassa foi submetida a novo aquecimento com monitoramento da massa, até que fosse constante. Depois de seca, a biomassa foi triturada e peneirada, para ajustar a granulometria.

8 4.2 Ativação da Biomassa de Banana Foram realizadas ativações com quatro reagentes diferentes, conforme a tabela 2 abaixo. Tabela 2 Reagentes utilizados na ativação da biomassa Reagente Concentração Tempo de Ativação NaOH 1 M 3 horas NaOH 0,1 M 3 horas NaOH 0,05 M 5 horas H2O2 0,1 M 3 horas H2SO4 0,1 M 3 horas HNO3 0,1 M 3 horas A ativação consistiu em deixar a biomassa seca em contato com o reagente, na concentração e tempo especificados, a uma rotação de 250rpm. Após esse procedimento, a biomassa foi filtrada e lavada com água destilada até ph neutro, próximo de 7. Depois de neutralizada, a biomassa foi levada a estufa, a uma temperatura de 50ºC, por 24h, para secagem, e depois, deu-se início aos testes de biossorção. Foram realizados dois ensaios adicionais de ativação, um com NaOH 0,1M, 3 horas, mas a 45ºC, 4.3 Ensaios de Biossorção Foram realizados ensaios de biossorção, tanto para a bactéria quanto para biomassa de banana, com valores de ph, concentração de metal, temperatura e tempo de biossorção anteriormente pré-determinados, conforme a tabela 3. Tabela 3 Condições dos ensaios de biossorção ph 7 Concentração de Biomassa 0.5 mg/l Concentração de Metal 20 mg/l Temperatura 25 C Tempo de Biossorção 30 minutos

9 Todos os ensaios foram submetidos a uma análise de absorbância, para verificar a eficiência da biossorção, comparando valores da solução antes (branco) e depois do ensaio.

10 % 5 RESULTADOS Os resultados dos ensaios de biossorção estão apresentados na tabela 4 e no gráfico 1 a seguir: Tabela 4 Resultados dos ensaios de biossorção Biossorvente Preparo Ativação % de metal absorvido Amostra 1 Amostra 2 Média Erro (%) Bactéria x x x Microondas NaOH 0,1 M NaOH 0,05 M H2SO4 0,1 M Casca de Banana Estufa x NaOH 0,05 M NaOH 0,1 M H2SO4 0,1 M NaOH 0,1 M (finos) NaOH 0,1 M - 45 C Eficiência da Biossorção Ensaios Bactéria Casca de Banana - Microondas - Sem ativação Casca de Banana - Microondas - Ativação NaOH 0,1M Casca de Banana - Microondas - Ativação NaOH 0,05M Casca de Banana - Estufa - Sem ativação Casca de Banana - Estufa - Ativação NaOH 0,1M Casca de Banana - Estufa - Ativação NaOH 0,05M Casca de Banana - Estufa - Ativação NaOH 0,1M Casca de Banana - Estufa - Ativação H2SO4 0,1M Casca de Banana - Estufa - Ativação NaOH 0,1M (com finos) Casca de Banana - Estufa - Ativação NaOH 0,1M (45ºC) Gráfico 1 Resultados dos ensaios de biossorção Os melhores resultados encontrados, com adsorção de praticamente 70% de metal, foram para a casca de banana que foi seca em estufa e ativada com solução de NaOH diluída.

11 Em relação ao método de secagem, não foi observada uma mudança muito grande de um método para o outro ao comparar o mesmo tipo de ativação, o que é bom, uma vez que a secagem não deve modificar a estrutura da casca da banana, composta em sua maioria por celulose, hemicelulose e pectina, e somente retirar a água presente. Em relação a casca de banana não ativada, a secagem no micro-ondas forneceu uma maior adsorção que a secagem em estufa, e isso pode ter acontecido porque a biomassa pode não ter ficado tempo suficiente na estufa, não perdendo completamente sua água. Isso pode ser observado no erro de análise, onde as duas amostras coletadas apresentam valores de remoção diferentes. Isso não acontece com os procedimentos ativados porque logo após a ativação a biomassa ativada passa por outro procedimento de secagem, que retira a água residual. O procedimento de ativação é um artifício utilizado para disponibilizar os grupos funcionais presentes na celulose, hemicelulose e pectina, fazendo com que estejam mais reativos, e consigam capturar o metal presente em solução. A partir daí, pode-se dizer que o reagente que melhor interagiu com esses grupos funcionais, modificando-os, foi o NaOH. É importante observar que para as duas concentrações testadas a porcentagem de remoção é a mesma, e o que muda é somente o tempo de ativação. Apesar do NaOH 0,1M possuir um menor tempo de ativação, de três horas, ele requer mais esforço para a lavagem e neutralização da biomassa, que não utiliza reagentes para não reverter o processo de disponibilização dos grupos funcionais, utilizando somente água deionizada. Ao avaliar a ativação com NaOH 0,1M para mais dois casos, a uma temperatura mais alta e usando partículas menores, não se observa um aumento nos valores de remoção de metal, que são maiores que nos outros casos, mas ainda não superam o caso do NaOH a temperatura ambiente e granulometria ajustada. Sendo assim, o melhor procedimento de ativação, dentre os realizados, para a casca de banana é o que utiliza NaOH 0,05M, por cinco horas.

12 6 CONCLUSAO Pode-se concluir, de acordo com o estudo realizado, que a casca de banana é capaz de realizar a biossorção de metais de forma mais eficiente que a bactéria R. erythopolis, com uma porcentagem de adsorção em torno de 45%, enquanto que a bactéria tem seu máximo de adsorção em torno de 30% do metal. Outro ponto importante a se concluir é que a biomassa preparada de casca de banana pode ter seu potencial de biossorção aumentado a partir da ativação, disponibilização dos sítios ativos. Dentre os métodos de ativação estudados, o que demonstrou melhor desempenho foi o que utiliza NaOH 0,05M, durante cinco horas, e a temperatura ambiente, com potencial de biossorção em torno de 70%, maior que o da biomassa in natura, e também maior que a bactéria. Em quase todas as análises realizadas, exceto para a casca de banana seca em estufa sem ativação e com ativação de NaOH 0,1M utilizando finos, pode-se observar um erro menor do que 10%, mostrando boa repetitividade. Para o caso da utilização de finos, o erro foi de 12%, que apesar de um pouco além do erro desejado, ainda pode ser considerado bom, porém, o erro encontrado para a casca de banana seca em estufa e sem ativação é de quase 45%, considerado muito alto, que pode ser devido a falhas no procedimento de secagem, deixando parte da biomassa ainda úmida ao realizar a biossorção.

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