Modelagem e otimização da adsorção de metais tóxicos em coluna de leito-fixo utilizando bagaço de cana-de-açúcar modificado quimicamente como adsorvente.

Abstract

No presente trabalho avaliou-se a adsorção de Cu 2+, Co 2+ e Ni2+, em sistema mono- e multicomponente, em uma coluna de leito fixo utilizando o bagaço de cana de açúcar modificado quimicamente com anidrido trimelítico (BAT) como adsorvente. O estudo foi feito de forma otimizada por meio da utilização do planejamento experimental do tipo composto central, analisando as condições ótimas para as respostas (variáveis dependentes): capacidade máxima de adsorção (Qmax), uso efetivo do leito (H) e eficiência do processo (EPads) na adsorção de cada metal (adsorção monocomponente). Também foi avaliado o efeito da presença de outros metais na capacidade de adsorção do íon metálico de interesse na adsorção em coluna de leito fixo (adsorção multicomponente - Cu 2+, Co 2+ e Ni2+) por meio do planejamento experimental de mistura. Além disso, foi realizada a modelagem matemática das curvas de ruptura obtidas nos experimentos mono- e multicomponente e o estudo do efeito da composição de uma solução de processo sintética na capacidade de remoção dos metais de interesse (Cu 2+, Co 2+ e Ni2+) pelo BAT. A reutilização do BAT em ciclos de adsorção/dessorção consecutivos, o mecanismo de interação estabelecida entre os sítios de adsorção e os íons metálicos, além dos parâmetros termodinâmicos relacionados ao processo de adsorção também foram determinados. Os resultados dos experimentos monocomponente mostraram que os efeitos da concentração (mmol/L) e do tempo espacial (min) interferem de forma semelhante na adsorção dos íons de Cu2+, Co2+ e Ni2+ pelo BAT, obtendo menor ponto de ruptura (tb) para as condições de maior concentração e menor tempo espacial, e maior tb para a condição oposta em todos os ensaios de adsorção. Porém o Ni2+ é adsorvido mais rapidamente, seguido do Co2+ e Cu2+, cujos tempos de exaustão máximos, dentre os ensaios realizados, foram 250, 440 e 850 min para Ni2+, Co2+ e Cu2+, respectivamente. O Cu2+ obteve a maior Qmax (1,060 mmol/g) e o Co2+ a menor Qmax (0,800 mmol/g). As maiores EPads foram obtidas na adsorção de Cu2+ e Co2+, com 76% em ambos e a maior H, de 2,50 cm, foi obtida na adsorção de Cu2+ e Ni2+. Ambos os modelos, de Thomas e de Bohart-Adams, apresentaram bons ajustes aos dados experimentais em todos os ensaios, porém devido aos elevados valores das constantes de Langmuir de cada metal, podese dizer que o modelo de Bohart-Adams representa melhor os sistemas estudados. Os resultados dos experimentos de mistura mostraram que o Cu2+ possui maior afinidade pelo BAT, sendo o Ni2+ e Co2+ substituídos por ele, causando o fenômeno de overshooting em suas curvas de ruptura. A ordem de afinidade foi Cu2+ > Ni2+ > Co2+, que está de acordo com a série de IrvingWilliams. A maior Qmax total foi de 1,088 mmol/g no experimento bicomponente Cu-Co, e a menor Qmax total, de 0,787 mmol/g, foi obtida no experimento bicomponente Co-Ni. Pelos modelamentos das curvas de ruptura dos experimentos de mistura foi possível verificar que os mecanismos de convecção predominaram (Pe >> 10) na maioria dos casos, porém os metais apresentaram diferentes taxas de transferência de massa e etapas limitantes na adsorção em coluna de leito fixo em cada caso, onde Bi apresentou um valor mínimo de 3 e máximo de 100 e η um mínimo de 0,09 e máximo de 1,50. Estes resultados sugerem que é necessário avaliar a adsorção em sistemas dinâmicos antes de promover a aplicação em larga escala ao se utilizar resíduos agroindústrias como bioadsorventes. O estudo com a solução sintética multicomponente mostrou que os íons Cu2+, Co2+ e Ni2+ são adsorvidos preferencialmente pelo BAT. O mecanismo de interação determinado foi de troca iônica e os estudos termodinâmicos mostraram que os sistemas de adsorção são entropicamente dirigidos na condição padrão.