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Título: Biossorção em sistema multielementar dos íons Pb2+, Cu2+, Ni2+, Cd2+ e Zn2+ em solução aquosa usando a vagem seca do feijão (Phaseolus vulgaris L.) modificada: otimização usando planejamento fatorial
Autor(es): Raulino, Giselle Santiago Cabral
Orientador(es): Nascimento, Ronaldo Ferreira do
Palavras-chave: Saneamento
Metais - Toxicologia
Adsorção
Data do documento: 24-Jun-2016
Citação: RAULINO, G. S. C. (2016)
Resumo: Os resíduos sólidos oriundos de agroindústrias têm sido bastante estudados como potenciais adsorventes no tratamento de poluentes ambientais, como uma alternativa aos métodos de tratamento tradicionais. A fim de melhorar a capacidade de adsorção desses materiais, diferentes processos de modificações químicas são estudados na literatura. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo investigar o processo de modificação ácida da vagem seca do feijão (Phaseolus vulgaris L.) já submetida à pré-tratamento alcalino utilizando os ácidos tânico (FAT), poliacrílico (FPACRIL) e poliacrílico-co-acrilamida (FPAA) e avaliar seus desempenhos como adsorventes na remoção dos íons metálicos Pb2+, Cu2+, Cd2+, Ni2+ e Zn2+ em solução aquosa multielementar. Para isso o planejamento fatorial foi utilizado como ferramenta tanto na etapa de estudo das variáveis que afetam os processos de modificação quanto na etapa de otimização do processo adsortivo. Na etapa de modificação, foi observado que somente a variável pH teve efeito significativo no processo de modificação com ácido tânico. Quando o agente modificante foi o ácido poliacrílico, tanto as variável concentração inicial quanto a massa mostraram-se significativas, enquanto a temperatura foi a única variável significativa na modificação com ácido poliacrílico-co-acrilamida. Os percentuais de remoção de todos os íons metálicos das soluções aquosas aumentaram em média 45% após modificação com os três ácidos. Os materiais que apresentaram melhor desempenho na etapa de modificação para os três ácidos foram caracterizados e as análises mostraram que a fração lipídica solúvel foi removida após o tratamento alcalino, melhorando a disponibilidade dos sítios adsorventes. Os materiais oriundos das três modificações apresentaram boa estabilidade térmica até cerca de 200 ºC e não ocorreram alterações morfológicas. Os potenciais de carga zero encontrados situaram-se entre 2,91 e 3,59. O estudo do processo das variáveis que influenciam na capacidade de adsorção foi realizado em duas etapas. Primeiro um planejamento fracionário foi realizado e foi observado que as variáveis pH, concentração inicial e massa de adsorvente foram as variáveis mais significativas na capacidade de adsorção dos materiais estudados para quase todos os íons metálicos. Em seguida uma otimização utilizando um delineamento composto central rotacional foi realizada com as três variáveis citadas anteriormente. Os modelos quadráticos foram então obtidos e as superfícies de resposta foram construídas para os três materiais modificados. As melhores condições encontradas para remoção multi dos cinco metais foram: pH = 3,5; massa de adsorvente = 200 mg; concentração inicial dos íons metálicos = 4,5 mM, para os três materiais. Os valores preditos pelos modelos nas condições otimizadas foram comparadas a resultados experimentais e em geral, não diferem estatisticamente entre si. Dentre os três materiais obtidos, a vagem seca do feijão modificada com ácido tânico (FAT) foi o que apresentou melhor performance, atingido a remoção de 1,0 mmol/g. Apenas FAT foi usado nos estudos de cinética e isoterma de adsorção. O estudo cinético indicou tempo de equilíbrio de 2 horas, sendo o modelo de pseudo-segunda ordem o que melhor se ajustou aos dados. Os dados experimentais de isoterma de adsorção se ajustaram tanto ao modelo de Langmuir quanto ao de Freundlich. O material FAT foi comparado a um adsorvente comercial (carvão ativado) apresentando performance superior, resultando em capacidade de adsorção 75% maior que a capacidade do material comercial
Abstract: The solid waste coming from agro-industries have been extensively studied as potential adsorbents for the treatment of environmental pollutants, as an alternative to traditional treatment methods. In order to improve the adsorption capacity of these materials, several chemical modifications are studied in the literature. In this context, this study aimed to investigate the process of acid modification of dry bean pod (Phaseolus vulgaris L.) after alkaline pretreatment using tannic acid (FAT), polyacrylic (FPACRIL) and polyacrylic-co acrylamide (FPAA) and evaluate their performances as adsorbents for the removal of Pb2+ Cu2+, Cd2+, Ni2+ and Zn2+ metal ions in multielement aqueous solution. For this the factorial design was used as a tool both in the stage of study of the variables that affect the modification process as the optimization stage of the adsorptive process. In the modifying step, it was observed that only the variable pH had a significant effect on the modification process with tannic acid. When the modifying agent was the polyacrylic acid both variable initial concentrations as weight were significant, while the temperature was the only significant variable in the modification with polyacrylic-co-acrylamide acid. The removal percentage of all metal ions from aqueous solutions increased on average by 45% after modification with the three acids. The best materials obtained in the modification step for the three acids were characterized and the analysis showed that the soluble lipid fraction was removed after the alkali treatment, improving the availability of adsorbent sites. The materials from the three modification showed good thermal stability to about 200°C and no morphological changes. The point of zero charge were between 2.91 and 3.59. The study of the process of the variables that influence the adsorption capacity was conducted in two stages. First a fractional experimental design was carried and was observed that the variables pH, initial concentration and mass of adsorbent were the most significant variables in the adsorption capacity of the materials studied for almost all metal ions. Then an optimization using a central composite design was performed. From the design, the quadratic models were obtained and the response surfaces were constructed for the three modified materials. The best conditions found for removal of five multi metals were: pH = 3.5; adsorbent mass = 200 mg; initial concentration of metal ions = 4.5 mM, for the three materials. The values predicted by the models in the optimized conditions were compared with experimental results and were statistically equal to the three materials. Of the three materials obtained, the dry bean pod modified with tannic acid (FAT) showed the best performance, achieving the removal of 1.0 mmol / g. Then FAT has been used in studies of kinetics and adsorption isotherm. The kinetic study indicated equilibration time of 2 hours, with the model of pseudo-second order been the best model that fit to the data. The experimental adsorption isotherm data set both the Langmuir model as the Freundlich. FAT material was compared to a commercial adsorbent (activated charcoal) featuring superior performance, resulting in adsorption capacity 75% greater than the capacity of the commercial material
Descrição: RAULINO, G. S. C. Biossorção em sistema multielementar dos íons Pb2+, Cu2+, Ni2+, Cd2+ e Zn2+ em solução aquosa usando a vagem seca do feijão (Phaseolus vulgaris L.) modificada: otimização usando planejamento fatorial. 2016. 163 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil: Saneamento Ambiental) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2016.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/19272
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