Orientador: Melissa Gurgel Adeodato Vieira

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

Resumo: O alumínio é um metal classificado como tóxico e seu extensivo uso em processos industriais gera grandes quantidades de efluentes contaminados. Estes efluentes usualmente são descartados em corpos hídricos, porém a legislação exige seu pré-tratamento antes de seu descarte. Com isso, neste...

Resumo: O alumínio é um metal classificado como tóxico e seu extensivo uso em processos industriais gera grandes quantidades de efluentes contaminados. Estes efluentes usualmente são descartados em corpos hídricos, porém a legislação exige seu pré-tratamento antes de seu descarte. Com isso, neste trabalho visou-se analisar a eficácia do resíduo proveniente da extração sólido-líquido de alginato (aqui denominado como RES) na remoção de íons alumínio. O planejamento experimental de Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) associado à Metodologia de Superfície de Resposta foi realizado para determinar valores ótimos de fatores operacionais e mostrou que a agitação não tem impacto significativo no processo. Já a concentração de alumínio na solução e a dosagem da biomassa tem relação diretamente proporcional entre si. Por isso, a dosagem de RES otimizada foi definida em 2 g/L, enquanto a concentração inicial de alumínio em até 3 mmol/L revela favorecer o processo. O pH apresentou grande influência no processo de bioadsorção de alumínio por RES e melhores resultados de remoção foram obtidos em pH 4. O estudo cinético revelou que o tempo de equilíbrio do processo (60 min) não foi influenciado pelo aumento da concentração inicial. A modelagem matemática indicou a ocorrência de mais de um mecanismo de remoção, estando associada a interações físicas e químicas como a troca iônica. Além disso, os ajustes do modelo de equilíbrio revelaram que o resíduo possui uma superfície energeticamente heterogênea. A capacidade máxima de remoção obtida foi de 1.431 mmol/g a 25 ºC. O estudo termodinâmico revelou que o processo é exotérmico e espontâneo. O projeto simplificado em batelada mostrou que uma pequena quantidade de resíduo (140g) é necessária para tratar 10 L de solução, removendo 90% de alumínio a 1 mmol/L. O bioadsorvente foi caracterizado antes e após a adsorção de Al e as análises indicaram que o biomaterial é composto basicamente por macroporos, além de possuir considerável resistência térmica em temperaturas até 150 ºC. No comparativo de eficiência, o resíduo se destaca em relação a outros bioadsorventes derivados de algas previamente estudados para a remoção de alumínio. A avaliação da troca iônica junto com a análise SEM-EDX mostrou que os íons sódio são os principais cátions trocáveis envolvidos no mecanismo de bioadsorção do sistema Al-RES, seguido do cálcio, magnésio e uma pequena participação dos íons potássio. A análise de FTIR e o ensaio de esterificação de grupo funcional demonstraram que principalmente grupos carboxílicos, amina e sulfonato estão envolvidos no sistema de bioadsorção estudado. O estudo em leito fixo mostrou que os parâmetros otimizados da operação contínua foram obtidos à vazão de alimentação de 0,5 mL/min e concentração inicial de alumínio de 1 mmol/L. Nessas condições o tempo de ruptura foi de cerca de 200 minutos com satisfatório percentual de remoção de alumínio (93%). O eluente testado mais adequado para a regeneração do bioadsorvente foi a solução ácida de 0,1 mol/L de HNO3. O resíduo demonstrou aplicação viável, mantendo bom desempenho por até quatro ciclos contínuos de bioadsorção/dessorção. A modelagem matemática das curvas de ruptura revelou que o modelo fenomenológico DualSD e o modelo matemático Yan et al. foram os que melhor descreveram os dados em leito fixo. O sistema de bioadsorção de alumínio utilizando RES demonstrou em geral ter um potencial viável para aplicações futuras em efluentes reais, sendo eficaz, reutilizável e de baixo custo

Abstract: Aluminum is a metal classified as toxic and its extensive use in industrial processes generates large amounts of effluents contaminated. Such effluents are usually disposed of in water bodies, but the legislation requires pre-treatment of these before their disposal. Therefore, this work...

Abstract: Aluminum is a metal classified as toxic and its extensive use in industrial processes generates large amounts of effluents contaminated. Such effluents are usually disposed of in water bodies, but the legislation requires pre-treatment of these before their disposal. Therefore, this work aims to analyze the efficacy of the residue from the solid-liquid extraction of alginate (here called RES) in the removal of aluminum ions. The experimental design of the Rotational Central Composite Design (RCCD) associated with the Response Surface Methodology (RSM) was carried out to determine optimal values of important factors in the operation and showed that the agitation has no significant impact on the process, since the concentration of the solution and the dosage of the biomass is directly proportional to each other, so the optimized RES dosage was set at 2 g/L, while the aluminum initial concentration up to 3 mmol/L reveals to favor the process. pH showed to be a very influent parameter in the aluminum biosorption by RES and, better removal results were obtained at pH 4. The kinetic study revealed that the process equilibrium time (60 min) was not influenced by the increase in the initial concentration. Mathematical modeling indicated the occurrence of more than one removal mechanism, being associated with physical and chemical interactions such as ion exchange. In addition, the equilibrium model adjustments revealed that the residue has an energetically heterogeneous surface. The maximum removal capacity obtained was 1.431 mmol/g at 25 ºC. Thermodynamic study revealed that the process is exothermic and spontaneous. The simplified batch design showed that a small amount of waste (140 g) is needed to treat 10L of solution, removing 90% of aluminum at 1 mmol/L. The biosorbent was characterized before and after Al adsorption and the analyses indicated that the biomaterial is basically composed of macropores, in addition to having considerable thermal resistance at temperatures up to 150 ºC. In the efficiency comparison, the biomaterial stands out in relation to other biosorbents derived from algae previously studied for the removal of aluminum. The evaluation of ion exchange along with SEM-EDX analysis showed that sodium ions are the main exchangeable cations involved in the bio-absorption mechanism of the Al-RES system, followed by calcium, magnesium and a small share of potassium ions. The FTIR analysis and the functional group esterification test showed that mainly carboxylic groups, amine and sulfonate are involved in the studied biosorption system. The fixed bed study showed that the optimized parameters of continuous operation were a feed flow rate of 0.5 mL/min and an initial aluminum concentration of 1 mmol/L. Under these conditions the breakthrough time was about 200 minutes with a satisfactory percentage of aluminum removal (93%). The eluent tested most suitable for the regeneration of the biosorbent was the acid solution of 0.1 mol/L of HNO3. The residue demonstrated viable application, maintaining good performance for up to four continuous cycles of bioadsorption/desorption. The mathematical modeling of the breakthrough curves revealed that the phenomenological model DualSD and the mathematical model Yan et al. were the ones that best described the data in fixed bed. The aluminum bioadsorption system using RES has demonstrated in general to have a viable potential for future applications in real effluents, being effective, reusable and of low cost

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