Study on the removal of emerging contaminants from aqueous solutions by alternative activated carbons prepared with Jatobá rinds (Hymenaea stigonocarpa Mart.), using a combined CA-MO system

Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Química e Biológica, 2021.As mudanças no padrão de vida da população mundial têm feito com que o consumo de medicamentos aumente significativamente e uma fração considerável dessas substâncias, denominadas contaminantes emergentes, é excretada e adentra o esgoto doméstico. Sabe-se que tratamentos convencionais de efluente não são capazes de remover CE efetivamente e, assim, causam a contaminação dos corpos hídricos. Além disso, ainda não há, à nível nacional, embasamento legal criterioso o suficiente para controle da qualidade final de lançamento desse esgoto após o tratamento. Por conta disso, o interesse pela análise de CE em corpos d’água ganhou notoriedade por meio do aperfeiçoamento de técnicas analíticas e equipamentos capazes de detectar substâncias em concentrações traço. Associado a esses avanços, há também a criação de novas tecnologias de tratamento que visam eficiência na remediação ambiental, dentre estas tecnologias destaca-se o processo de adsorção utilizando carvões ativados (CA), constantemente melhorados por técnicas paralelas como o uso de biofilmes altamente benéficos no que tange o reaproveitamento de resíduos. Nesse trabalho, produziu-se carvões ativados a partir de cascas de frutos de Jatobá (Hymenaea stigonocarpa Mart.) a fim de avaliar o potencial desse material, com e sem a associação de biofilme, na remoção dos contaminantes emergentes cafeína e paracetamol. Comparou-se a performance desses materiais ao carvão ativado comercial (CAC). A conversão térmica dos carvões ocorreu por carbonização hidrotermal e pirólise, que resultou nos materiais: hidrochar de casca de jatobá (HCJ) e biochar de casca de jatobá (BCJ), os quais, posteriormente, foram ativados em vapor d’água, denominados HCJ-A e BCJ-A. A associação desses materiais a biofilmes, ocorreu pela fixação de isolados ambientais (coletados no Lago Paranoá em Brasília – DF). Todas essas amostras foram caracterizadas química e fisicamente e conduziu-se experimentos em batelada com soluções aquosas produzidas com os CE mencionados. Os perfis de difração raios X não indicaram a presença de cristalinidade nos materiais e os espectros obtidos na região do infravermelho sugeriram carbonização completa, confirmada pelas micrografias eletrônicas de superfície, que apresentam morfologia de superfície com alterações significativas, superfícies irregulares, pouco uniformes, e aberturas com diâmetros distintos. A quantidade de grupos ácidos em HCJ-A foi menor que a observada em BCJ-A e a análise de pHpcz indicou que as superfícies desses adsorventes são mais aptas a atraírem compostos aniônicos, dada a baixa afinidade por azul de metileno. Observou-se que as isotermas de adsorção, majoritariamente do tipo L-II, e o modelo que melhor se ajustou aos dados experimentais foi o de Langmuir e, assim, indicaram um processo de adsorção em monocamadas. A presença de biofilme favoreceu a biossorção de ambos CE e a comparação de performance com CAC indicou a superioridade de eficiência dos produtos desse estudo. A partir das isotermas também foi possível verificar o efeito competitivo das condições experimentais de pH, na interação do adsorvato com o meio líquido, onde o aumento da área superficial dos CA promoveu maior eficiência de remoção do CE cafeína para 99,65% em 48 h. Os resultados obtidos nesse estudo sugerem que a aplicação dos CA produzidos com cascas dos frutos de jatobá, bem como a associação com biofilmes é alternativa sustentável, de baixo custo e promissora.Changes in lifestyle of the world’s population have increased the consumption of pharmaceuticals considerably and these substances, named emerging contaminants, are commonly found in domestic effluents. It is known that conventional treatments do not remove emerging contaminants efficiently, thus causing contamination of water bodies. Also, there is no legal basis at national level rigorous enough to control the final quality of these effluents prior to release. Due to that, interest in analysis of emerging contaminant in water body samples has gained notoriety through improvements of analytical techniques and equipments able to detect these substances at trace level. Associated to these advances, there is also the creation of new treatment technologies such as adsorption onto activated carbons (CA) that aim environment remediation efficiency. They are also constantly improved with parallel techniques such as biofilms and are highly benefic in terms of residue reclaim. In this work, activated carbons were manufactured from fruit rind residues of Jatobá (Hymenaea stigonocarpa Mart.) in order to evaluate its potential with and without biofilm in the removal of caffeine and paracetamol from aqueous solutions. Comparison to commercial activated carbon (CAC) was also executed. Thermic conversion of the fruit rinds occurred through hydrothermal carbonization and pyrolysis, which resulted in hydrochars (HCJ) and biochars (BCJ), posteriorly activated by water steam and then denominated HCJ-A and BCJ-A. Association of these materials to biofilms was made with environmental strains collected from the Paranoá Lake in Brasilia, Df, Brazil. All these samples were characterized chemically and physically, and the experiments were conducted in batches with aqueous solutions prepared with the mentioned emerging contaminants. DRX profiles did not present crystallinity and the infrared spectrums suggested complete carbonization, confirmed through MEV analysis. The samples presented highly altered, irregular and non-uniform surface morphology with distinct pore diameters. The number of acidic groups in HCJ-A was lower than that observed in BCJ-A and the pHpzc analysis indicated that their surfaces were likely to attract anions given low affinity to methylene blue. The adsorption isotherms were type L-II in majority and the best model to fit the data was Langmuir’s, suggesting an adsorption process in monolayers. The presence of biofilm improved removal of both emerging contaminants and the comparison to CAC indicated efficiency superiority of the product created in this work. From the isotherms was also verified a competitive effect of pH conditions in adsorbent/adsorbate interaction. The increase of surface area on the samples promoted higher caffeine removal (99.65%) within 48 h. The results seen in this work suggest that application of activated carbons manufactured from fruit rinds of Jatobá and their association with biofilms is a sustainable, low-cost and promising alternative