Estudo da esterificação do bagaço de cana-de-açúcar com os anidridos ftálico e trimelitico : aplicação na remoção de Co(II), Cu(II) e Ni(II) em soluções aquosas idealmente contaminadas.

Abstract

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. PROÁGUA, Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós Graduação, Universidade Federal de Ouro Preto.A poluição da água por metais pesados está se tornando um sério problema global desde que tais metais são tóxicos, não biodegradáveis e bioacumulativos através da cadeia alimentar. O rápido desenvolvimento de algumas indústrias como de tratamento de superfícies metálicas, mineração, fertilizantes, curtumes, baterias, papel e celulose, pesticidas, eletrônicos, petroquímica, têxtil dentre outras tem contribuído para aumentar a concentração de metais tóxicos em águas residuárias, as quais são por vezes lançadas direta ou indiretamente no meio ambiente, principalmente em países em desenvolvimento. Dentro deste contexto, o presente trabalho de dissertação estudou a preparação de novos materiais adsorventes a partir de bagaço de cana-de-açúcar, um importante resíduo agroindustrial brasileiro, via a esterificação dos grupos hidroxila contidos nos componentes do bagaço, celulose, hemiceluloses e lignina, com os anidridos ftálico e trimelítico para aplicação na remoção de metais tóxicos (Co2+, Cu2+ e Ni2+) de soluções idealmente contaminadas. A adsorção foi estudada em função do pH da solução, tempo de contato e concentração inicial de íon metálico, sendo esse último em sistema mono- e bicomponente. A síntese dos novos materiais, bagaço de cana modificado com anidrido ftálico (BAF) e trimelítico (BAT), foi intensivamente estudada. As condições de síntese otimizadas produziram BAF e BAT com um ganho de massa de 75 e 73,9%, respectivamente, e com número de grupos ácido carboxílico de 4,79 e 3,78 mmol/g, respectivamente. Os materiais adsorventes foram caracterizados por FTIR, análise elementar, TGA, PCZ e MEV. A cinética de adsorção foi melhor descrita pelo modelo de pseudo segunda ordem, sendo que a constante de adsorção mostrou a seguinte ordem: k2,Ni2+ > k2,Co2+ > k2,Cu2+ para BAF e k2,Ni2+ > k2,Cu2+ > k2,Co2+ para BAT. Quatro modelos de isotermas mono- e multicomponente foram usados para modelar os sistemas de adsorção. O modelo de Langmuir se ajustou bem aos dados experimentais monocomponente para o BAF, enquanto os modelos de Langmuir e Sips se ajustaram bem aos dados experimentais para o BAT. Já os dados dos sistemas multicomponente para os dois adsorventes foram bem ajustados aos modelos de Langmuir estendido e modificado e P-fator. As capacidades máximas de adsorção (Qmáx,mono) obtidas a partir do modelo de Langmuir foram de 0,561, 0,935 e 0,932 mmol/g para o BAF e 1,140, 1,197 e 1,563 mmol/g para o BAT para Co2+, Cu2+ e Ni2+, respectivamente. Os estudos competitivos demonstraram que a capacidade de adsorção multicomponente, Qmáx,multi, foi menor do que a monocomponente, Qmáx,mono, como um resultado da interação entre os íons metálicos. Já os estudos de dessorção mostraram que todos os íons metálicos podem ser totalmente dessorvidos do BAF e BAT e estes adsorventes podem ser utilizados novamente para adsorção sem perda da capacidade de adsorção.Water pollution by heavy metals has become a serious global problem as such metals are toxic, non-biodegradable and bioaccumulative through the food chain. The rapid development of some industries such as surface treatment, mining, fertilizers, leather, batteries, pulp and paper, pesticide, electronics, petrochemical, textile among others has contributed to increase the concentration of toxic metals in wastewaters, which are directly or indirectly discharged into the environment, especially in developing countries. Within this context, this dissertation evaluated the preparation of new adsorbent materials from sugarcane bagasse, an important Brazilian agro-industrial waste, through esterification of hydroxyl groups of sugarcane bagasse components as cellulose, hemicellulose, and lignin with phthalic and trimellitic anhydrides for application in the removal of toxic metals (Co2+, Cu2+, and Ni2+) from spiked aqueous solutions. The adsorption was studied as a function of solution pH, contact time and initial concentration of metal ion, being the latter evaluated in mono- and bi-component systems. The new carboxylated-functionalized materials (SPA and STA) were prepared via esterification of sugarcane bagasse with phthalic and trimellitic anhydrides. The optimized synthesis conditions yield SPA and STA with a percent weight gain of 75% and 73.9%, respectively, and number of carboxylic acid groups of 4.79 and 3.78 mmol/g, respectively. SPA and STA were also characterized by FTIR, elemental analysis, TGA, PCZ and SEM. Adsorption kinetics followed pseudo-second-order model. Adsorption rate constant exhibited the following order k2,Ni2+ > k2,Co2+ > k2,Cu2+ for SPA and k2,Ni2+ > k2,Cu2+ > k2,Co2+ for STA, respectively. Four mono- and multi-component isotherm models were used to model the adsorption systems. Monocomponent experimental data for SPA adsorbent were fitted well to Langmuir model, while for STA were fitted well to Langmuir and Sips models. The multicomponent data were fitted well to modified extended Langmuir and P-factor models. Maximum adsorption capacities (Qmax,mono) obtained from Langmuir model were 0.561, 0.935 and 0.932 mmol/g for SPA and 1.140, 1.197 and 1.563 mmol/g for STA for Co2+, Cu2+ and Ni2+, respectively. The competitive studies demonstrated that the multicomponent adsorption capacities, Qmax,multi, were smaller than monocomponent adsorption capacities, Qmax,mono, as a result of the interaction between metal ions. Desorption studies also demonstrated that all metal ions could be fully desorbed from SPA and STA, and therefore, these adsorbents could be recovered and reused for a new adsorption cycle