Orientador: Melissa Gurgel Adeodato Vieira

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

Resumo: O aumento do impacto das atividades antropogênicas no ambiente pode ser percebido pela crescente presença de contaminantes emergentes em diversas matrizes hídricas. Essas substâncias, apesar de serem encontradas em baixas concentrações, têm suscitado grande preocupação em virtude de sua...

Resumo: O aumento do impacto das atividades antropogênicas no ambiente pode ser percebido pela crescente presença de contaminantes emergentes em diversas matrizes hídricas. Essas substâncias, apesar de serem encontradas em baixas concentrações, têm suscitado grande preocupação em virtude de sua potencial toxicidade. O bisfenol-A (BPA) é um dos compostos emergentes sintéticos mais detectados no ambiente e de alto destaque devido a sua alta capacidade de desregulação endócrina. Dessa forma, tecnologias avançadas de remediação de matrizes hídricas têm sido amplamente avaliadas. Esta Dissertação teve como objetivo a avaliação da adsorção como método de remoção de bisfenol A de meio aquoso. A argila organofílica do tipo bentonita, Spectrogel tipo-C foi selecionada como adsorvente devido a sua maior afinidade com o BPA. A dosagem de 0,064 g/50 mL e o diâmetro de 0,855 mm foram estabelecidos como condições ótimas pelo planejamento experimental de Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) e adotadas nos experimentos subsequentes. No estudo cinético, conduzido a 25°C, foi constatado que o tempo de equilíbrio de adsorção foi de 32 horas e o perfil cinético foi descrito pelo modelo matemático de pseudossegunda ordem. Ademais, a transferência de massa em filme externo foi identificada como a etapa controladora do processo. O estudo de equilíbrio revelou que a capacidade máxima de adsorção definida pelo modelo de Langmuir foi de 0,2831 mmol/g a 25°C e atingiu o máximo (0,4060 mmol/g) a 55°C. A isoterma de Freundlich obteve bom ajuste aos dados experimentais nas temperaturas de 15 e 25°C, e a de Dubinin-Radushkevich para as temperaturas de 40 e 55°C. Além disso, os ajustes dos modelos indicam que a superfície da Spectrogel tipo-C é energeticamente heterogênea. Do ponto de vista termodinâmico, o processo é endotérmico e espontâneo. O hidróxido de sódio promoveu a melhor eficiência de dessorção (77,8%). O projeto simplificado em batelada indicou que para remover 90% de BPA de 200 L de solução a 1 mmol/L é necessário 1,5 kg de argila. A argila Spectrogel tipo-C foi caracterizada antes e após o processo de adsorção. A argila foi classificada como montmorillonita, com a presença de quartzo e mica, a partir de análises de DRX e FTIR. As análises térmicas identificaram uma perda de massa significativa nas argilas natural e contaminada (38,2 e 40,07 %, respectivamente). A análise de BET expôs a baixa área superficial da argila, que possui baixo volume de micro e mesoporos, o que foi corroborado pela técnica de MEV que revelou a superfície irregular e pouco porosa da Spectrogel tipo-C. A análise EDX evidenciou que o sal aplicado na organofilização da argila é removido durante o processo de adsorção. No estudo da adsorção dinâmica do BPA em leito fixo, a concentração de 0,2 mmol/L e vazão volumétrica de 0,6 mL/min foram determinadas como as melhores condições operacionais, promovendo a capacidade de adsortiva no ponto de saturação de 0,2151 mmol/g e porcentagem de remoção de 95% até o ponto de ruptura. O modelo proposto por Yan et al. apresentou o melhor ajuste aos dados experimentais da curva de ruptura. A avaliação da vida útil da coluna revelou que o reuso da argila é possível por dois ciclos empregando-se NaOH como eluente. Cálculos teóricos baseados na teoria DFT avaliaram a reatividade do BPA em comparação a outros contaminantes emergentes. Em suma, a argila organofílica Spectrogel tipo-C apresentou resultados promissores para utilização futura em águas e efluentes contaminados com BPA

Abstract: The increased impact of anthropogenic activities on the environment can be perceived by the growing presence of emerging contaminants in different water matrices. Despite being found in low concentrations, these substances have raised great concern due to their potential toxicity....

Abstract: The increased impact of anthropogenic activities on the environment can be perceived by the growing presence of emerging contaminants in different water matrices. Despite being found in low concentrations, these substances have raised great concern due to their potential toxicity. Bisphenol-A (BPA) is one of the most detected synthetic emerging compounds in the environment and extensively known for its high capacity for endocrine disruption. Thus, advanced water remediation technologies have been widely evaluated. This dissertation aimed to evaluate adsorption as a method for removing bisphenol A from aqueous media. The bentonite type organophilic clay, Spectrogel type-C, was selected as an adsorbent due to its greater affinity with BPA. The dosage of 0.064 g/50 mL and the diameter of 0.855 mm were established as optimal conditions by the experimental design of Rotational Central Composite Design (RCCD) and adopted in subsequent experiments. In the kinetic study, conducted at 25°C, it was found that the adsorption equilibrium time was 32 hours and the kinetic profile was described by the pseudo-second order mathematical model. Furthermore, mass transfer on external film was identified as the rate-controlling step of the process. The equilibrium study revealed that the maximum adsorption capacity defined by the Langmuir model was 0.2831 mmol/g at 25°C and reached the maximum (0.4060 mmol/g) at 55°C. The Freundlich isotherm obtained good adjustment to the experimental data at temperatures of 15 and 25°C and the Dubinin-Radushkevich at 40 and 55°C. In addition, the fitting of these models indicates that the surface of Spectrogel type-C is energetically heterogeneous. From a thermodynamic point of view, the process is endothermic and spontaneous. Sodium hydroxide provided the best desorption efficiency (77.8%). The simplified batch design indicated that 1.5 kg of clay is required to remove 90% of BPA from 200 L of a 1 mmol/L solution. Spectrogel type-C clay was characterized before and after the adsorption process. The clay was identified as montmorillonite, with the presence of quartz and mica, based on XRD and FTIR analyses. The thermal analysis identified a significant mass loss in natural and contaminated clays (38.2 and 40.07%, respectively). The BET analysis revealed the low surface area of the clay and the low volume of micro and mesopores, which was corroborated by the SEM technique results that revealed the irregular and nonporous surface of Spectrogel type-C. The EDX analysis showed that the salt applied during the clay organophilization is removed during the adsorption process. In the study of the dynamic adsorption of BPA in a fixed-bed column, the concentration of 0.2 mmol/L and the volumetric flow of 0.6 mL/min were determined as the best-operating conditions, promoting the adsorptive capacity of 0.2151 mmol/g at the saturation point and 95% removal percentage at the breakthrough point. The model proposed by Yan et al. presented the best fit to the experimental data of the breakthrough curve. Evaluation of the useful life of the column revealed that the reuse of the clay is possible for two cycles using NaOH as eluent. Theoretical calculations based on DFT theory evaluated the reactivity of BPA and compared it to those of other emerging contaminants. In summary, the organophilic clay, Spectrogel type-C, showed promising results for future use in BPA-contaminated water and effluent

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