Orientadores: Melissa Gurgel Adeodato Vieira, Reginaldo Guirardello

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

Resumo: Com o grande desenvolvimento industrial e tecnológico nas últimas décadas, a poluição ambiental tem se tornado um problema cada vez mais preocupante. Nesse contexto, a contaminação por metais tóxicos destaca-se por gerar bioacumulação, se tornando um risco ao meio ambiente e à saúde pública....

Resumo: Com o grande desenvolvimento industrial e tecnológico nas últimas décadas, a poluição ambiental tem se tornado um problema cada vez mais preocupante. Nesse contexto, a contaminação por metais tóxicos destaca-se por gerar bioacumulação, se tornando um risco ao meio ambiente e à saúde pública. O cádmio é um dos poluentes mais tóxicos, mesmo em baixas concentrações, podendo se acumular no fígado e nos rins dos animais. Dentre as técnicas empregadas para atender as legislações ambientais cada vez mais restritas, a adsorção e a troca iônica se destacam por apresentar baixo custo de operação e permitir a possibilidade de recuperação do material adsorvente e dos metais adsorvidos. Diversos argilominerais apresentam boa afinidade com metais tóxicos e elevada área superficial. Este estudo visou avaliar o processo de adsorção e troca iônica do cádmio em vermiculita expandida e após tratamento com sódio, sistema selecionando em teste de afinidade adsortiva, visando intensificar a capacidade de troca iônica do material argiloso. Para isso foram realizados estudos cinético, de equilíbrio e termodinâmico. No estudo cinético, o tempo de equilíbrio foi de 45 e 10 minutos para a vermiculita expandida e sodificada, respectivamente, em que a massa aplicada da última foi suficiente para total remoção em todas as concentrações iniciais estudadas. Os modelos de pseudosegunda ordem e de transferência de massa em filme externo obtiveram os melhores ajustes, que juntamente com o gráfico de difusão intrepartícula, indicaram que as duas etapas são controladoras da adsorção. No estudo de equilíbrio, foram obtidas isotermas a 25, 35 e 45 ºC. Na temperatura ambiente a vermiculita expandida apresentou máxima capacidade de adsorção de 41,37 mgCd.g-1 e a sodificada 53,93 mgCd.g-1, representando uma melhora de 30,37% que pode ser até dobrada em temperaturas mais elevadas (45 ºC). Os modelos de Langmuir, Freundlich, Redlich-Peterson e Dubinin-Raduskevch foram ajustados aos dados experimentais, no qual o primeiro apresentou melhor ajuste fornecendo uma boa interpretação fenomenológica. Valores de grandezas termodinâmicas (?S, ?H e ?G) mostraram que o processo para as duas argilas é espontâneo, endotérmico e a natureza das ligações apresentam características de fisissorção e quimissorção para a faixa de temperatura estudada. Na avaliação da capacidade de troca catiônica, foi observado que 97% dos íons trocáveis da vermiculita expandida são Mg2+ e 98% da sodificada são Na+, tornando possível a avaliação dos dois sistemas como binário. O estudo cinético da troca iônica revelou que o sistema com vermiculita expandida apontou uma troca iônica estequiométrica e a sodificada dessorveu apenas 72% do esperado teoricamente, fato explicado pela acidez da solução de tratamento com sódio (pH = 3) que levou à exposição de outros sítios. No equilíbrio de troca iônica, o modelo de Langmuir binário foi ajustado às isotermas da vermiculita expandida e o Langmuir-Freundlich binário às isotermas da vermiculita sodificada. Os modelos selecionados obtiveram bons ajustes para faixas estudadas. As caracterizações foram realizadas antes e após adsorção de Cd2+ nos materiais avaliados. As técnicas de difração de raios X (DRX), análise de grupos funcionais (FTIR) e as análises térmicas (TG, DTG e DTA) indicaram uma boa resistência química e ao calor. As micrografias (MEV), densidades aparente e real (porosimetria de Hg e picnometria a He) e a área específica superficial (BET) demonstraram que após cada tratamento ou contaminação o material argiloso sofre contração em sua estrutura. Todas as análises identificaram uma melhora na eficiência do adsorvente após o tratamento com sódio, viabilizando estudos posteriores com efluentes reais e industriais

Abstract: With the great industrial and technological development in recent decades, the environmental pollution has become an increasingly worrying problem. In this context, contamination by toxic metals stands out for generating bioaccumulation, becoming a risk to the environment and public...

Abstract: With the great industrial and technological development in recent decades, the environmental pollution has become an increasingly worrying problem. In this context, contamination by toxic metals stands out for generating bioaccumulation, becoming a risk to the environment and public health. Cadmium is one of the most toxic pollutants, even at low levels, and can accumulate in the liver and kidneys of animals. Among the techniques used to comply with the increasingly strict environmental legislation, adsorption and ion exchange stand out for presenting low operating costs and allowing the possibility of recovering the adsorbent material and the adsorbed metals. Several clay minerals have a good affinity for toxic metals and a high surface area. This study aimed to evaluate the process of adsorption and ion exchange of cadmium in expanded vermiculite and after treatment with sodium, a system identified in an adsortive affinity test, to intensify the ion exchange capacity of the clay material. For this, kinetic, equilibrium and thermodynamic studies were carried out. In the kinetic study, the equilibrium time was 45 and 10 minutes for expanded and sodified vermiculite, respectively, in which the applied mass of the latter was sufficient for total removal in all initial concentrations studied. The models of pseudo-second order and mass transfer in external film obtained the best adjustments, which together with the inter-particle diffusion graph, indicated as two stages are adsorption controllers. In the equilibrium study, isotherms were obtained at 25, 35 and 45 ºC. At room temperature, the expanded vermiculite had a maximum adsorption capacity of 41.37 mgCd.g-1 and the sodified 53.93 mgCd.g-1, representing a improvement of 30.37% that can even be doubled at higher temperatures (45 ºC). The Langmuir, Freundlich, Redlich-Peterson and Dubinin-Raduskevch models were adjusted to the experimental data, where the first presented a better fit for a good phenomenological interpretation. Values of thermodynamic quantities (?S, ?H and ?G) suggested that the process for the two clays is spontaneous, endothermic and the nature of the bonds present characteristics of physisorption and chemisorption for the studied temperature range. In the assessment of the cation exchange capacity, it was observed that 97% of the exchangeable ions in the expanded vermiculite are Mg2+ and 98% of the sodified are Na+, making it possible to evaluate the two systems as binary. The kinetic study of ion exchange revealed that the system with expanded vermiculite pointed to a stoichiometric ion exchange and the sodified ion desorbed only 72% of the expected theoretically, a fact explained by the acidity of the sodium treatment solution (pH = 3) which led to the exposure of others sites. About ion exchange equilibrium, the Langmuir binary model and the Langmuir-Freundlich binary model were adjusted to the isotherms of expanded vermiculite and sodium treated, respectively. The selected models obtained good fits for the studied ranges. The characterizations were carried out before and after cadmium adsorption in the studied materials. The techniques of X-ray diffraction (XRD), the analysis of funtional groups (FTIR) and the thermal analyzes (TG, DTG and DTA) indicated a good chemical and heat resistance. The micrographs (SEM), apparent and true densities (Hg porosimetry and He pycnometry) and surface area (BET) demonstrate that after each treatment or contamination the clay material undergoes contraction in its structure. All analyzes identified an improvement in the efficiency of the adsorbent after treatment with sodium, enabling further studies with real and industrial effluents

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