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ESTUDO DA CINÉTICA DE ADSORÇÃO DE
CORANTE UTILIZANDO CARVÃO ATIVADO
ANA PAULA LUCCA RIBEIRO¹; CAMILA VICENTIN SILVA¹; GABRIELLE GOMES COZER¹; GEÓRGIA
RAFFAELLY¹; GUILHERME MULLER KAISER¹; LAURA KLEIN STEFFENHAGEN¹; LUÍS FELIPE BAVATI MEDRI¹;
MATHEUS FELIPE FERREIRA¹
Profª. Drª. Luciana Igarashi Mafra Laboratório de Engenharia Química II – TQ0 46 Universidade Federal do Paraná (^1) Discentes do curso de Engenharia Química da UFPR Equipe G
Resumo
A adsorção é a principal técnica utilizada no tratamento de águas residuais contaminadas por corantes, de modo que o estudo cinético dos parâmetros que a influenciam é um tema de grande importância para a preservação ambiental e a saúde pública. Tendo isso em mente, nesse artigo são apresentados os resultados de uma análise experimental da cinética da adsorção do corante amarelo crepúsculo em carvão ativado. O efeito do tempo de contato e da temperatura sobre o fenômeno foi estudado e os dados experimentais foram comparados com diversos modelos teóricos, que foram avaliados a partir do Critério de Informação Akaike.
Palavras-chave: adsorção, corante, amarelo crepúsculo, estudo cinético, carvão ativado.
1. Introdução
Os corantes são substâncias orgânicas que se aderem a tecidos ou superfícies (Qasem et al., 2022), compondo uma categoria essencial de produtos químicos amplamente utilizados em indústrias farmacêuticas, de pesticidas, têxteis, entre outras (He et al., 2022). Estudos sugerem que, globalmente, cerca de 700 mil toneladas de corantes são produzidas por ano, das quais 2% são descartadas diretamente no esgoto. Vários desses corantes variam muito em composição química e letalidade, e geralmente são duráveis e resistentes no ecossistema devido às suas estruturas moleculares complexas (Qasem et al., 2022). As águas residuais carregadas de corantes provenientes das indústrias apresentam grande descarga, alto teor orgânico, coloração profunda e difícil degradação. Esse material é prejudicial tanto ao meio ambiente quanto à saúde humana, podendo causar alergia, câncer e mutações. Dessa forma, a remoção de corantes de águas residuais antes de sua descarga é extremamente importante (Liu et al., 2022). Diversas técnicas têm sido utilizadas para esse fim, incluindo métodos biológicos, físicos e químicos. O tratamento biológico não é muito eficaz devido à baixa biodegradabilidade dos corantes, de modo que normalmente eles são tradados por métodos físicos ou químicos, como separação e adsorção por membrana, oxidação ou ozonização, coagulação e floculação, fotodegradação e adsorção (Chouaybi et al., 2022). Como resultado de muitos esforços, a adsorção tornou-se uma das tecnologias mais eficazes e promissoras para remoção de corantes, sendo hoje a abordagem mais utilizada devido à sua eficiência, simplicidade operacional, baixo custo e baixo consumo de energia (El Yousfi et al., 2022).
Muitos grupos de pesquisa avaliam a adsorção de corantes usando diversos adsorventes, incluindo materiais argilosos, biomassa, carvão ativado, zeólitas, resina, celulose e outros materiais poliméricos (Din Mir et al., 2022). Em especial, os materiais porosos são comumente usados como absorventes de águas residuais, devido à sua estrutura com alta área superficial específica (Liu et al., 2022). Entre eles, o adsorvente mais comum é o carvão ativado, devido à sua alta capacidade de adsorção (Chouaybi et al., 2022). Durante os processos de adsorção, várias condições operacionais e relativas ao meio podem influenciar significativamente o desempenho de processo. Fatores importantes e largamente estudados incluem o pH da solução, a presença de sais inorgânicos, a concentração inicial de corante, a temperatura e o tempo de adsorção (Shi et al., 2022).
2. Objetivos 2.1. Objetivo geral Esse artigo tem como propósito realizar um estudo cinético da adsorção do corante amarelo crepúsculo utilizando carvão ativado como adsorvente. 2.2. Objetivos específicos - Determinar a concentração de corante em cada solução por meio dos seus valores de absorbância; - Avaliar o efeito do tempo de contato sobre a quantidade de corante adsorvida, verificando se o intervalo empregado foi suficiente para solução atingir o equilíbrio; - Comparar os resultados obtidos para as duas temperaturas utilizadas, avaliando o seu impacto na adsorção do corante. 3. Materiais e métodos 3.1. Materiais - Carvão Ativado; - Balança Analítica Marte/Shimadzu AY 220 ; - 20 Frascos de Erlenmeyer de 125 mL; - Solução de Corante Amarelo Crepúsculo; - Balão Volumétrico de 1000 mL; - 2 Béqueres de 600 mL; - 2 Provetas Graduadas de 50 mL; - Filme de PVC; - 6 Funis de Vidro; - 2 Suportes para Funis; - Papel Filtro; - 20 Recipientes Plásticos com Tampo; - Incubadora Refrigerada com Agitação Tecnal TE- 421 ; - Incubadora com Agitação Nova Ética Mod. 430 ; - Toalha de Papel; - Espectrofotômetro UV-Vis Shimadzu UV- 1800. 3.2. Procedimento experimental Primeiramente, foi preparada no balão volumétrico uma solução de corante amarelo crepúsculo cuja absorbância foi determinada com o espectrofotômetro. Em seguida, foram pesadas 20 amostras contendo em torno de 0,5 gramas de carvão ativado usando a balança analítica, que foram transferidas para os frascos de Erlenmeyer. Em cada frasco foram adicionados 30 mL da solução que foram mensurados com o auxílio da proveta graduada. Os frascos foram então vedados com o filme de PVC e depositados nas incubadoras com agitação, operando a 150 rpm. Metade dos frascos foram colocados na Incubadora Tecnal TE- 421 , que foi mantida a 35 °C, e o restante na Incubadora Nova Ética 430, funcionando a 50 °C. Cada frasco foi retirado da incubadora após um
Tratando-se do modelo de pseudo- segunda ordem proposto por Ho e Mckay (19 9 8), tem-se a hipótese do adsorvato ocupar dois sítios ativos de adsorvente. O modelo é representado
pela Equação ( 4 ), onde 𝑘 2 é constante de
velocidade de pseudo-segunda ordem (ZUIM et. al., 2010). 𝑞𝑡 =
𝑘 2 ∙ 𝑞𝑒^2
Na sequência, o modelo de Elovich considera a não ocorrência da dessorção dos produtos gerados quando ocorre reação (SILVA et al., 2018), a equação não linear é representada por: 𝑞𝑡 =
∙ ln (𝛼 ∙ 𝛽 ∙ 𝑡) (^5 )
Onde, 𝛼 é a taxa de adsorção inicial e 𝛽 é o número de sítios ativos para adsorção. Por fim, o modelo de difusão intrapartícula proposto por Weber e Morris (1963), apresentado
pela Equação ( 6 ), considera a difusão intrapartícula
como fator determinante da velocidade (SILVA et al., 2018).
𝑞𝑡 = 𝑘𝑑 ∙ 𝑡^1 /^2 + 𝐶 ( 6 )
Onde: 𝑘𝑑 é a constante de velocidade da difusão e 𝐶 é uma constante inerente ao modelo que fornece informação sobre a espessura do filme de solvente que envolve o adsorvente (SILVA et al., 2018). Como os valores das constantes de velocidade são geralmente parâmetros experimentais, para determinar seus valores e proceder com a modelagem, utilizou-se a ferramenta Solver do software Microsoft Excel visando minimizar a variação entre a capacidade de adsorção experimental e a obtida pelos modelos. A avaliação de qual modelo se adequou melhor aos dados experimentais foi feita através da aplicação do Critério de Informação Akaike (AIC) (MONTE BLANCO et al., 2016) apresentado pelas equações a seguir: 𝐴𝐼𝐶 = 𝑛 ln (∑
2 𝑛 𝑛 𝑖= 1
Sendo 𝑞𝑒𝑥𝑝,𝑖 a concentração média na fase sólida dos dados experimentais, 𝑞𝑚𝑜𝑑,𝑖 a concentração média na fase sólida dos dados obtidos pelos modelos, 𝑝 é o número de parâmetros do modelo ajustado, 𝑛 é o número de observações experimentais e 𝐴𝐼𝐶𝐶 o Critério corrigido para amostragens pequenas (MONTE BLANCO et al., 2016).
4. Resultados Inicialmente foram calculados os valores de concentração e capacidade de adsorção do
carvão através das Equações ( 1 ) e ( 2 ), reunindo os
valores na TABELA 3 a seguir: TABELA 3 – CONCENTRAÇÃO E CAPACIDADE DE ADSORÇÃO GRUPO A E GRUPO B Grupo A (50°C) Grupo B (35°C) 𝑪 (𝒎𝒈/𝑳) 𝑞𝑡 𝑪 (𝒎𝒈/𝑳) 𝑞𝑡 11,913 (^) 0,316 12,268 0, 11,106 (^) 0,365 11,756 0, 10,398 (^) 0,407 10,516 0, 9,354 (^) 0,469 8,567 0, 8,724 (^) 0,508 7,268 0, 7,720 (^) 0,567 7,346 0, 5,969 (^) 0,673 6,402 0, 5,516 (^) 0,700 5,161 0, 5,043 0,728 3,862 0, 3,744 0,806 3,213 0, FONTE: Os Autores (2022). Para fins de análise posterior, foram plotados os gráficos de concentração por tempo e
capacidade de absorção por tempo para cada temperatura. A FIGURA 1 e FIGURA 2 ilustram tal comportamento. FIGURA 1 – CONCENTRAÇÃO POR TEMPO FONTE: Os Autores (2022). FIGURA 2 – CAPACIDADE DE ADSORÇÃO POR TEMPO FONTE: Os Autores (2022). Como comentado anteriormente, através do Solver calcularam-se as devidas constantes de cada modelo, em que os resultados serão apresentados na TABELA 4. TABELA 4 – PARÂMETROS OBTIDOS PELO SOLVER (continua) Modelo Parâmetro 50 °C 35°C Pseudo- primeira ordem 𝑞𝑒 (𝑚𝑔/𝑔) 0,8426 0, 𝑘 1 (𝑚𝑖𝑛−^1 ) 0,0711 0, 0547 FONTE: Os Autores (2022). TABELA 4 – PARÂMETROS OBTIDOS PELO SOLVER (conclusão) Pseudo- segunda ordem 𝑞𝑒 (𝑚𝑔/𝑔) 1 ,1342 1, 𝑘 2 (𝑔 ∙ 𝑚𝑔−^1 ∙ 𝑚𝑖𝑛−^1 ) 0,0527^ 0,^0411 Elovich 𝛼 (𝑚𝑔 ∙ 𝑔−^1 ∙ 𝑚𝑖𝑛−^1 ) 0,0864^ 0,^0849 𝛽(𝑚𝑔 ∙ 𝑔−^1 ) 2,7821 2, D. Intrapartícula 𝑘𝑑 (𝑚𝑔 ∙ 𝑔−^1 ∙ 𝑚𝑖𝑛−^0 ,^5 ) 0,1356 0, 1390 𝐶 0,0000 0, 0000 FONTE: Os Autores (2022). Com os parâmetros, calculou-se então os valores da capacidade de adsorção segundo cada modelo. Os gráficos com os valores de 𝑞𝑡 determinados pelos modelos em função de 𝑡 para ambas as temperaturas foram plotados, juntamente com as curvas experimentais, e serão apresentados nas figuras a seguir: FIGURA 3 - PSEUDO-PRIMEIRA ORDEM 50°C FONTE: Os Autores (2022). FIGURA 4 - PSEUDO-PRIMEIRA ORDEM 35 °C FONTE: Os Autores (2022).
discussões dos resultados, além de encaminhar a conclusão do presente artigo.
5. Discussão Analisando os resultados da concentração final do corante com diferentes tempos de contato, percebe-se que quanto maior o tempo, menor a concentração de corante, o que indica a capacidade de adsorção de carvão ativado para esse soluto. Fazendo um paralelo com Gohr et. al. (2022), que analisaram o tempo de contato com relação à concentração, observa-se que a absorção completa do corante estudado ocorreu em aproximadamente 20 minutos. Além disso, a maior taxa de remoção para tempos menores, indica a existência de maior disponibilidade de sítios ativos nos momentos iniciais de contato. Sobre a temperatura utilizada na prática, a capacidade de adsorção para a temperatura mais elevada foi maior em alguns pontos e menor em
outros, como se pode analisar na FIGURA 2.
Entretanto, esperava-se que para a temperatura mais elevada (50ºC) a capacidade de adsorção fosse maior para todas as amostras, como se observa em Wang et al (2021), que estudou a influência do aumento da temperatura na
capacidade de adsorção. Ademais, pela FIGURA
2 , observa-se também que o equilíbrio não foi
atingido na prática, sendo necessário maior tempo de contato entra o carvão e o corante para tal. Analisando as FIGURAS de 3 a 10, que efetuaram a comparação entre as capacidades de adsorção teórica e experimental para diferentes modelos teóricos, observa-se que os resultados teóricos foram próximos em relação aos modelos experimentais, apresentando leves desvios fora dos padrões em cada caso experimental, podendo ser associados aos erros experimentais da prática. Para determinar o modelo mais adequado para tal processo de adsorção, analisa-se o critério de Akaike, onde o menor valor de AIC e AICc indicam o modelo mais adequado para o processo. Para a temperatura de 35°C, os menores valores de AIC e AICc foram os do modelo intraparticula e para a temperatura de 50°C, os menores valores foram para o modelo de pseudo-primeira ordem. Analisa-se que como os valores de 35°C para o método de pseudo-primeira ordem apresentam uma média e um desvio menor quando comparados com os valores de 50°C para o método intrapartícula, o método mais adequado para esse processo é o de pseudo-primeira ordem.
6. Conclusões A realização do presente experimento possibilitou o estudo quantitativo do processo de adsorção de corantes por carvão ativado, podendo esse ser um processo aplicado de forma muito eficaz em processos da indústria, como por exemplo o tratamento de efluentes. Observa-se que o processo de adsorção estudado foi melhor ajustado pelo modelo de pseudo-primeira ordem para a temperatura de 50°C e intrapartícula para a temperatura de 35°C e que a velocidade para essa adsorção se relacionou com a quantidade de sítios ativos livres no momento da adsorção. Tal processo apresentou um tempo relativamente curto para a remoção de quantidades significativas de corante da solução em temperaturas relativamente baixas e de fácil obtenção na prática, instigando os estudantes para estudar mais sobre o tema e aprofundando o conhecimento dos mesmos sobre o processo de adsorção e suas variáveis contribuintes.
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