Tratamento de Efluente Industrial Farmacêutico por Adsorção com Carvão Ativado Carla Jovania Gomes Colares 1, Ricardo Moreira de Castro 2, Karla Christina Freitas 3 Medeiros, Layla Christina Freitas Medeiros 3, Emileni Cássia Gomes Colares 4, Orlene Silva da Costa 5 1 Aluna do Mestrado em Engenharia Agrícola, Anápolis - UnUCET UEG. 2 Bacharel em Química pela Universidade Federal de Goiás (UFG). 3 Bacharel em Química Industrial pela UEG. 4 Licenciatura em Biologia Universidade Federal de Goiás (UFG). 5 Docente do Curso de Química Industrial, Anápolis - UnUCET UEG. Resumo: O presente trabalho teve como objetivo avaliar a eficiência do uso do carvão ativado no tratamento de efluente industrial farmacêutico que apresenta compostos de baixa biodegradabilidade: substâncias gelatinosas e corantes. O tratamento químico pelo processo de adsorção com carvão ativado pode conferir grandes vantagens ao processo de tratamento de efluentes, pois se trata de uma técnica viável economicamente e com bons resultados. Palavras-chave: carvão ativado, efluente industrial, adsorção. 1 INTRODUÇÃO Uma variedade de matéria-prima, inclusive madeira e carvão, podem ser usadas na fabricação de carvão ativado, tornando-o abundante, relativamente barato, e versátil. Quanto à sua forma, geralmente é fabricado como carvão ativado granular ou carvão ativado pulverizado. No caso do carvão ativado granular, este é usado como um meio filtrante, através do qual passa a água ou ar contaminados. Quando se emprega o carvão ativado pulverizado, este é misturado à solução aquosa para reagir com os contaminantes e, posteriormente, separado por processos de filtração ou sedimentação. Estas duas formas de carvão podem ser aplicadas para uma variedade de sistemas de tratamento (POPE, 2001). Altamente poroso, o carvão ativado, por meios térmicos ou por substâncias químicas, é, de longe, o mais importante dos adsorventes em uso, atualmente, no campo de 1
controle de poluição ambiental. A adsorção de um componente dissolvido pode ser dividida em três etapas. Na primeira ocorre o transporte do adsorbato para a superfície exterior do adsorvente. Na segunda, com exceção de uma pequena quantidade de adsorção que acontece na superfície exterior, acontece a difusão do adsorbato nos poros do carvão. A terceira é a adsorção de soluto nas superfícies interiores do adsorvente. Os processos de adsorção podem ser de três tipos: adsorção física, adsorção química, e adsorção eletrostática. A adsorção física resulta da condensação molecular nos microporos do carvão ativado, devido às forças de Van Der Walls, também denominadas forças de dispersão. A adsorção química resulta na formação de uma camada monomolecular, ligada quimicamente à superfície do adsorvente, através de forças residuais da valência das moléculas da superfície. A adsorção eletrostática descreve a influência de forças elétricas atrativas, responsáveis pela adsorção de solutos ao carvão. Além disso, a atração elétrica entre partículas de carvão negativamente carregadas e moléculas de adsorbato, positivamente carregadas ou íons, reduz as barreiras para a difusão e, deste modo aumenta a eficiência de adsorção (WANG, 2002). Dentre todas as formas alotrópicas de carbono citadas, o carbono elementar na forma amorfa (grafite) é a espécie geralmente presente nos carbonos ativados obtidos após o processo de pirólise de um precursor carbonáceo. Os CAs são materiais altamente porosos com elevada área superficial e se constituem nos adsorventes mais utilizados da atualidade, devido principalmente a sua elevada capacidade de adsorção e baixo custo, que é reflexo de suas propriedades estruturais e abundância de seus precursores, respectivamente. Assim, vários trabalhos empregam resíduos de atividades agrícolas como precursores na obtenção de CAs. Os CAs são utilizados como suportes catalíticos e biosensores, eletrodos para baterias, capacitores, e aplicações na engenharia biomédica. Estas últimas aplicações freqüentemente envolvem moléculas grandes ou macromoléculas, cuja adsorção na superfície do carbono requer uma estrutura com diâmetro de poros adequado, tornando-se praticamente impossível se o carbono for microporoso (LOPEZ, 2003). A preparação de carbono ativado é realizada em duas etapas: a primeira consiste na decomposição térmica do precursor para eliminar as espécies não carbônicas e obter um produto com uma massa de carbono fixa com uma estrutura porosa rudimentar, ou seja, um processo de carbonização. É nesta etapa que se formam os poros finos e fechados na estrutura do material; a segunda etapa consiste na ativação, a qual é responsável pelo alargamento dos poros e a formação de outros novos. O processo de ativação pode ser físico ou químico, ou uma combinação de ambos. Na ativação química o CA é preparado em etapa única, onde a carbonização e a ativação ocorrem simultaneamente. O precursor é 2
previamente impregnado com agentes químicos que funcionam como agentes desidratantes, e posteriormente o material é carbonizado. A ativação química reduz o custo energético em virtude de sua ocorrência em temperaturas relativamente baixas (600-800 ºC) podendo ser obtidas estruturas bem mais desenvolvidas do que na ativação física (800-1100 ºC) (TSAÍ, 1997). O preparo do CA via ativação física ocorre em etapas separadas, à carbonização e posterior ativação que envolve a gaseificação do produto da carbonização. Esta ocorre em atmosfera oxidante durante a pirólise em CO 2, vapor d água, ar ou mesmo uma mistura destes gases. Os agentes químicos chamados de agentes ativantes, mais comumente empregados são: KOH, K 2 CO 3, NaOH, Na 2 CO 3 e MgCl 2, H 3 PO4, AlCl 3 e ZnCl 2. Todos são agentes desidratantes e influenciam a pirólise do precursor, inibindo a liberação da matéria orgânica volátil através da aromatização e maior fixação do carbono, retardando a queima do material e aumentando o rendimento do produto final. Os agentes ativantes alcalinos, com exceção do Na 2 CO 3, são mais eficientes na elevação da área superficial dos carbonos, cujo valor máximo atingi 2000 m 2 /g para o carbono preparado a partir da lignina da madeira. Fato explicado pela ocorrência de voláteis acima de 600 ºC, devido aos agentes alcalinos atuarem no processo de ativação tanto em baixas quanto em elevadas temperaturas, diferentemente do ZnCl 2 cuja ação desidratante ocorre apenas numa região de temperatura abaixo de 500 ºC (WANG, 2002). Os carvões ativados podem ser preparados a partir de vários precursores como o carvão e os materiais lignocelulósicos, principalmente a biomassa descartada como resíduo a partir das atividades agrícolas, como sementes de palma, cascas de noz, casca de amêndoas, casca de damasco, casca de cereja, casca de amendoim (HU et al, 2001), sementes de uva, caroço de pêssego e sementes de oliva. O carvão ativado pode adsorver diferentes substâncias, tais como: ácidos orgânicos, bases orgânicas, anfolíticos, surfactantes aniônicos, surfactantes catiônicos, compostos orgânicos não iônicos e polímeros. (METCALF E EDDY, 1999). Uma técnica que tem sido amplamente utilizada no tratamento de despejos industriais é o processo biológico de tratamento, principalmente o processo de lodos ativados. O processo de lodos ativados pode ser operado combinado com o uso do carvão ativado em pó, o qual é adicionado diretamente ao tanque de aeração, onde a oxidação biológica e a adsorção física ocorrem simultaneamente. Este processo, chamado de PACT (POWDERED ACTIVATED CARBON TREATMENT), foi desenvolvido pela DuPont no princípio dos anos 70. Uma vantagem desse processo é que pode ser integrado ao sistema de lodos ativados já existentes, com um custo relativamente baixo (VON SPERLING, 1996). 3
A adição de carvão ativado em pó confere várias vantagens ao processo, tais como (METCALF E EDDY, 1999): Estabilidade ao sistema durante choques de carga; Redução dos poluentes refratários prioritários; Remoção de cor e amônia; Melhora a sedimentabilidade do lodo; Em algumas aplicações de rejeitos industriais onde a nitrificação é inibida por orgânicos tóxicos, a aplicação de carvão ativado em pó pode reduzir ou eliminar essa inibição biológica. Algumas razões citadas para essas vantagens apresentadas pelo processo PACT incluem a biodegradação adicional de orgânicos devido à diminuição da toxicidade ou da inibição devido à adsorção pelo carvão; A degradação de substâncias normalmente não biodegradáveis devido ao aumento do tempo de exposição à biomassa pela adsorção no carvão. 2 METODOLOGIA No Laboratório de Química Analítica da Universidade Estadual de Goiás (UEG UnUCET Anápolis) foram realizadas as medições de turbidez, condutividade, cor aparente, ph e temperatura do efluente a ser tratado., sendo que este simula um efluente característico de indústrias farmacêuticas composto de substância gelatinosa e corante tipo azo. Em seguida, adicionou-se 9,0 g de CA em pó em 1800mL do efluente a ser tratado. Após a adição CA na amostra, foi feita a agitação da solução por 10 minutos com auxílio de um agitador magnético com o objetivo de aumentar o contato e interações das substâncias presentes no efluente para melhor adsorção. A solução foi filtrada sob vácuo para separar o CA do efluente. Posteriormente foram realizadas as medições dos parâmetros de turbidez, condutividade, cor aparente, ph e temperatura do efluente agora tratado. O mesmo procedimento foi realizado, usando quantidades diferentes de carvão ativado e diferentes granulometrias. 4
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Os valores dos parâmetros determinados foram compilados nas tabelas apresentadas nos tópicos seguintes, para avaliar a influência das características do carvão ativado, quantidade adicionada e eficiência da metodologia aplicada no tratamento por adsorção do efluente em estudo. Avaliação da quantidade de carvão ativado adicionado ao efluente A tabela 1 apresenta os resultados dos parâmetros avaliados antes e após adição do carvão ativado em pó (9,0 e 4,5 g) sob o efluente a ser tratado. Tabela 1 Resultados obtidos após a adição de diferentes quantidades de carvão ativado em pó ao efluente 5
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Influência da Granulometria do carvão ativado A tabela 2 apresenta os resultados dos parâmetros avaliados antes e após da adição de 9,0 g do carvão ativado granulado e em pó sob o efluente a ser tratado. Tabela 2 Resultados obtidos após a adição de carvão ativado com diferentes granulometrias 7
O carvão ativado pode adsorver diferentes substâncias, como: ácidos e bases orgânicos, anfolíticos, surfactantes aniônicos e catiônicos, compostos orgânicos não iônicos e polímeros. Ao avaliar e comparar os resultados dos testes com carvão em pó utilizando 4,5 gramas e 9,0 gramas verificou-se o efluente obtido após adição de 9,0g de carvão ativado apresentou um menor valor de cor aparente. Em contrapartida, ao utilizar uma quantidade maior, observou-se um aumento da turbidez e temperatura do efluente. Para o ensaio de ph verificou-se queda nos valores em ambos os casos. Para o parâmetro condutividade 8
verificou-se um aumento nas duas situações, possivelmente devido a sua natureza e configuração do carvão. Ao avaliar a influência da granulometria do carvão verifica-se que o carvão em pó apresenta melhores resultados, uma vez que sua superfície de contato é bem maior, conferindo uma maior eficiência na adsorção. Portanto, a adição de carvão em pó confere várias vantagens ao processo de tratamento de efluentes como remoção de cor principalmente. 4 CONCLUSÕES Mediante resultados obtidos as seguintes considerações podem ser feitas a cerca das propriedades do carvão ativado, da sua granulometria e sobre sua aplicação no tratamento de resíduos: Devido suas propriedades adsoventes ocorre interações entre as substâncias que conferem cor ao efluente com a superfície do material, melhorando assim o aspecto visual do efluente após tratamento; O aumento do parâmetro condutividade está relacionado com a transferência dos componentes presentes no carvão ativado, como por exemplo, íons metálicos para o efluente após tratamento; O aumento da turbidez está relacionado com a possível fragmentação do carvão devido á agitação vigorosa aplicada no preparo da solução; Para o ensaio utilizando carvão ativado na forma de pó os resultados observados foram mais eficientes frente aos resultados aplicando carvão granulado, devido à maior superfície de contato do adsorvente na forma de pó. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS LÓPEZ, F. Oxidation of activated carbon: application to vinegar decolorization, Journal of Colloid and Interface Science, v.257, p.173-8, 2003. METCALF E EDDY. Wastewater Engineering Treatment. Disposal and Reuse, 3rd edition, McGraw-Hill, USA, 1999. POPE, J.P. Activaded Carbon and Some Applications for the Remediation of Soil and Groundwater Pollution, Hydrogeosciences Research at Virginia Tech, 2001. 9
TSAÍ, W.T. Preparation and Characterization of Activated Carbons from Corn Cob, Carbon, v.35, p.1198-2000, 1997. VON SPERLING. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. 2.ed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - Universidade Federal de Minas Gerais, 1996. WANG, L.K. et al. Effect of ph adjustment Upon Activates Carbon Adsorption of Dissolved Organics From Industrial Effluents, Cornell Aeronautical Laboratory Cornell University, New York, 2002. 10