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Title: Síntese de um novo material adsorvente a base de bagaço de cana-de-açúcar para remoção de íons de metais pesados e corantes têxteis de soluções aquosas.
Authors: Carvalho, Megg Madonyk Cota Elias
metadata.dc.contributor.advisor: Gurgel, Leandro Vinícius Alves
Ferreira, Gabriel Max Dias
Keywords: Adsorção
Bagaço de cana
Química - síntese
Metais pesados
Corantes na industria têxtil
Issue Date: 2017
metadata.dc.contributor.referee: Mageste, Aparecida Barbosa
Gurgel, Leandro Vinícius Alves
Alves, Rosemeire Brondi
Citation: CARVALHO, Megg Madonyk Cota Elias. Síntese de um novo material adsorvente a base de bagaço de cana-de-açúcar para remoção de íons de metais pesados e corantes têxteis de soluções aquosas. 2017. 217 f. Dissertação (Mestrado em Química) - Instituto de Ciências Exatas e Biológicas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2018.
Abstract: A contaminação química dos recursos hídricos por contaminates orgânicos e inorgânicos tais como corantes têxteis e metais pesados vem despertando uma grande preocupação global devido aos problemas ambientais que a presença destes compostos causam. Devido aos métodos de tratamento físico-químicos e biológicos tradicionalmente empregados gerarem elevados custos, métodos alternativos como a adsorção empregando bioadsorventes vêm sendo estudados para substituir e/ou complementar tais métodos. Neste trabalho, o bagaço de cana-de-açúcar (BC) foi modificado com os anidridos ftálico e succicínico em uma síntese em uma única etapa (one pot). A síntese foi avaliada por meio de um planejamento fatorial 23, cujas variáveis independentes foram temperatura, tempo e fração molar de anidrido succínico (χAS) e as variáveis resposta foram as capacidades de adsorção dos corantes auramina-O (AO) e safranina-T (ST) e dos metais Co+2 e Ni+2 a fim de um melhor conhecimento do sistema. O perfil de desejabilidade indicou a melhor condição de síntese em 100°C, 660 min e χAS de 0,2 dentro do domínio experimental investigado e tal resultado foi satisfatório dentro da proposta deste estudo. O BC modificado foi caracterizado por ganho de massa, quantidade de funções ácidas, PCZ, análise elementar, FTIR, TGA/DTG, DRX, RMN 13C em estado sólido, MEV e EDX. Os estudos de adsorção monocomponente revelaram que o pH de melhor adsorção dos corantes foi 7,0 e dos metais foi 5,75. A adsorção dos corantes seguiu uma cinética de Elovich, enquanto a adsorção dos íons Co+2 e Ni+2 seguiu uma cinética de pseudo segunda ordem. As isotermas foram modeladas com os modelos de Langmuir, Sips, D-R e R-P. As capacidades máximas de adsorção encontradas experimentalmente foram 1,37, 0,93, 0,53 e 0,49 mmol/g para AO, ST, Co+2 e Ni+2, respectivamente. Medidas de titulação calorimétrica isotérmica foram feitas e as variações de entalpias de adsorção encontradas revelaram que a adsorção dos corantes foi um processo exotérmico e a de metais endotérmico. A energia livre de Gibbs calculada revelou que os corantes e metais concentraram-se preferencialmente na superfície do bagaço de cana modificado. Os estudos de adsorção de corantes com o BC in natura revelaram que a modificação química incrementou a capacidade adsortiva deste material. Estudos de dessorção e re-adsorção mostraram que é possível obter eficiências de dessorção superiores a 42%, 54%, 83% e 95% e de re-adsorção superiores a 98%, 76%, 90% e 100% para AO, ST, Co2+ e Ni2+, respectivamente, e, desta forma, revelaram que o BC modificado pode ser reutilizado sem perda de sua capacidade adsortiva e que o processo de dessorção usando solução ácida não é agressivo, nas condições empregadas, mantendo a integridade das fibras do material e sua funcionalidade química.
metadata.dc.description.abstracten: The chemical contamination of water resources by organic and inorganic pollutants such as textile dyes and heavy metals has raised a great global concern due to the environmental problems caused by the presence of these compounds. The physico-chemical and biological treatment methods commonly used for treating wastewaters are costly, and therefore, alternative methods such as adsorption using bioadsorbents have been studied to replace and/or improve such methods. In this study, the sugarcane bagasse (SB) was modified with phthalic and succinic anhydrides in a one pot synthesis, which was analized by means of a factorial design of three variables evaluated in two levels (23). The independent variables were temperature, time and mole fraction of succinic anhydride (χAS) and the response variables were adsorption capacities of dyes auramine-O (AO) and safranin-T (ST) and metals Co+2 and Ni+2 for a better understanding of the potential of the adsorbent material. The desirability profile indicated the best synthesis condition at 100°C, 660 min and χAS of 0,2, which was a condition the experimental data gathered. This result was satisfactory for the prupose of the present study. The modified SB was characterized by weigth gain, amount of acid functions introduced, point of zero charge (PZC), elemental analysis, FTIR, TGA, DRX, solid-state 13C NMR, SEM and EDX. Monocomponent adsorption studies revealed that the pH of the best adsorption for both dyes was 7.0 and for both metal ions was 5.75. The adsorption of dyes was best described by the Elovich model while the adsorption of Co+2 and Ni+2 was best described by a pseudo-second order kinetics. The isotherms were modeled by the Langmuir, Sips, D-R and R-P models. The observed maximum adsorption capacities were 1.37,0.93,0.53 and 0.49 mmol/g for AO, ST, Co+2 and Ni+2, respectively. Isothermal calorimetric titration measurements were performed and the enthalpies of adsorption revealed that the adsorption of dyes is exothermic while the adsorption of metals is endothermic. The estimated free energy of adsorption showed that the dyes and metals concentrate preferentially on the surface of the modified SB. The adsorption studies of dyes on raw SB showed that the chemical modification increased the adsorptive capacity of the material. Desorption and re-adsorption studies showed that it is possible to obtain desorption efficiencies of 42%,54%,83% and 95% and re-adsorption efficiencies of 98%, 76%, 90% and 100% for AO, ST, Co2+ and Ni2+, respectively, and thus revealed that the modified SB can be reused without loss of its adsorptive capacity. It was also showed that the desorption process using acid solution was not aggressive, under the conditions tested, preserving the integrity of the bagasse fibers and the chemical functionality introduced.
Description: Programa de Pós-Graduação em Química. Departamento de Química, Instituto de Ciências Exatas e Biológicas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/10515
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 03/10/2017 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite a adaptação.
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