Orientadores: Meuris Gurgel Carlos da Silva, Melissa Gurgel Adeodato Vieira

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: O cobre e a prata são dois metais tóxicos encontrados geralmente em efluentes de indústrias de minério e de galvanoplastia. Por causarem vários efeitos negativos, órgãos ambientais têm elaborado legislações rigorosas que limitam a concentração desses dois metais em efluentes antes de serem...

Resumo: O cobre e a prata são dois metais tóxicos encontrados geralmente em efluentes de indústrias de minério e de galvanoplastia. Por causarem vários efeitos negativos, órgãos ambientais têm elaborado legislações rigorosas que limitam a concentração desses dois metais em efluentes antes de serem despejados em corpos hídricos receptores. Nesse aspecto, a bioadsorção surge como alternativa de baixo custo e de alta eficiência no tratamento de águas residuais contaminadas por metais tóxicos em baixas concentrações, mas ainda acima do valor estabelecido pelas legislações ambientais. A utilização de bioadsorventes de baixo ou nenhum valor comercial, como rejeitos industriais, é essencial para que a bioadsorção seja economicamente atrativa. No processo de extração sólido-líquido de alginato de algas marinhas um resíduo é produzido, mas que ainda mantém propriedades que possibilitam a captura de metais tóxicos. Assim, este trabalho visa avaliar a aplicabilidade do resíduo deste processo obtido a partir da alga marrom Sargassum filipendula como bioadsorvente na remoção de íons de cobre e de prata em soluções aquosas diluídas. O estudo da bioadsorção em condição monocomposto desses dois metais foi desenvolvido em sistemas em batelada e em coluna de leito fixo. O rendimento da obtenção do alginato e do resíduo foi de 25% e 46%, respectivamente. Após extração do alginato, o bioadsorvente passou por pré-tratamento utilizando ácido nítrico, nessa etapa ocorreu uma perda de massa próxima de 20%. Experimentos cinéticos mostraram que houve uma pequena redução na capacidade de bioadsorção de cobre após a acidificação, enquanto para a prata, a capacidade de bioadsorção aumentou. Foi necessário um tempo médio de 60 e 300 minutos para a bioadsorção de cobre e de prata atingir o equilíbrio, respectivamente. Modelos cinéticos indicaram que a bioadsorção pode ser descrita por uma cinética de pseudossegunda ordem e que a resistência em filme externo é a resistência dominante no processo. Experimentos de isotermas utilizando o bioadsorvente acidificado resultaram em uma maior capacidade de bioadsorção do cobre (3,580 mmol.g-1) na maior temperatura de estudo (40 ºC), enquanto para prata, essa capacidade foi maior na temperatura de 20 ºC (2,916 mmol.g-1). O modelo D-R foi o mais preditivo dentre os modelos de isoterma utilizados. Análise termodinâmica do processo indicou que a bioadsorção de cobre apresentou uma variação de entalpia (22,91 kJ.mol-1) e entropia (114,98 J.mol-1.K-1) positivas, sugerindo natureza endotérmica com mecanismos dissociativos, enquanto na bioadsorção de prata, a variação de entalpia (-21,35 kJ.mol-1) e de entropia (-48,94 J.mol-1.K-1) foram negativas, sugerindo natureza exotérmica com mecanismos associativos. Experimentos de avaliação da troca iônica mostraram que os íons sódio e cálcio são os íons de metais leves mais liberados na bioadsorção de cobre e prata. Experimentos de leito fixo na menor vazão (0,5 mL.min-1) e na menor concentração inicial (1,0 mmol.L-1) resultaram em uma maior porcentagem de remoção tanto do cobre como da prata. O modelo de Yan et al. (2001) foi o mais preditivo dentre os de curva de ruptura utilizados. Espectros de FTIR indicaram que os principais grupos envolvidos no processo de remoção de cobre foram carboxílicos e alcoólicos, enquanto na remoção de prata, os grupos carboxílicos, alcoólicos e aminos foram os principais responsáveis pela bioadsorção desse metal. Micrografias do MEV mostraram que a superfície do bioadsorvente se tornou menos rugosa após acidificação. A porosidade do bioadsorvente diminuiu de 40,16% para 37,07% e 39,93% após bioadsorção de cobre e prata, respectivamente, indicando que uma maior quantidade de íons cobre preencheram os poros vazios do bioadsorvente acidificado

Abstract: Copper and silver are two toxic metals commonly found in effluents from ore and electroplating industries. Due to their several negative effects, environmental agencies have developed strict legislation that limits the concentration of these two metals in effluents before being dumped into...

Abstract: Copper and silver are two toxic metals commonly found in effluents from ore and electroplating industries. Due to their several negative effects, environmental agencies have developed strict legislation that limits the concentration of these two metals in effluents before being dumped into receiving water bodies. In this regard, biosorption appears as a low cost and high efficiency alternative in the treatment of wastewater contaminated by toxic metals in low concentrations, but still above the value established by environmental legislation. The use of biosorbents of low or no commercial value, such as industrial wastes, is essential for biosorption to become economically attractive. In the process of alginate solid-liquid extraction from seaweed, a residue is produced, but it still maintains properties that enable the uptake of toxic metals. Thus, this work aims to evaluate the applicability of the residue of this process obtained from the brown alga Sargassum filipendula as biosorbent in the removal of copper and silver ions in dilute aqueous solutions. The study of the biosorption in monocomposite conditions of these two metals was developed in batch and fixed bed systems. The yield of alginate and residue was 25% and 46%, respectively. After alginate extraction, the biosorbent was pre-treated using nitric acid, at which stage a mass loss of around 20% occurred. Kinetic experiments showed that there was a small reduction in copper biosorption capacity after acidification, whereas for silver, the biosorption capacity increased. It was necessary an average time of 60 and 300 minutes for copper and silver biosorption to reach equilibrium, respectively. Kinetic models indicated that biosorption may be described by pseudo-second order kinetics and that external film resistance is the dominant resistance in the process. Isotherm experiments using the acidified biosorbent resulted in a higher biosorption capacity of copper (3.580 mmol.g-1) at the highest temperature of this work (40 ºC), whereas for silver, this capacity was higher at 20 °C (2.916 mmol.g-1). The D-R model was the most predictive among the isotherm models used. Thermodynamic analysis of the process indicated that the copper biosorption presented a positive enthalpy (22.91 kJ.mol-1) and entropy (114.98 J.mol-1.K-1) changes, suggesting endothermic nature with dissociative mechanisms, whereas in silver biosorption, the enthalpy (-21.35 kJ.mol-1) and the entropy (-48.94 J.mol-1.K-1) changes were negative, suggesting exothermic nature with associative mechanisms. Experiments to evaluate the ion exchange mechanism showed that sodium and calcium ions are the light metal ions most released in copper and silver biosorption. Fixed bed experiments at the lowest flow rate (0.5 mL.min-1) and the lowest initial concentration (1.0 mmol.L-1) resulted in a higher percentage of copper and silver removal. The Yan et al. (2001) model was the most predictive among the breakthrough curve models used. FTIR spectra indicated that the main groups involved in the process of removal of copper were carboxylic and alcoholic, whereas in the silver removal, the carboxylic, alcoholic and amine groups were the main responsible for the biosorption of this metal. SEM micrographs showed that the surface of the biosorbent became smoother after acidification. The biosorbent porosity decreased from 40.16% to 37.07% and 39.93% after copper and silver biosorption, respectively, indicating that a higher amount of copper ions filled the empty pores of the acidified biosorbent

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