Removal of lead and cadmium ions in different adsorption systems / ion exchange in bentonite clay type Fluidgel

Orientadores: Melissa Gurgel Adeodato Vieira, Ambrósio Florêncio de Almeida NetoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: Neste trabalho foi avaliada a capacidade de remoção de metais pesados comumente encontrados em efluentes e aterros sanitários da região metropolitana de Campinas, mais especificamente o chumbo e o cádmio, utilizando argila bentonítica sódica tipo Fluidgel extraída de jazias do nordeste brasileiro (Boa Vista - PB). A argila Fluidgel foi fornecida na forma comercial, composto de argila natural com a adição de carbonato de sódio. A argila Fluidgel comercial foi submetida a um tratamento ácido, uma vez que o pH natural desta ocasionava precipitação química do chumbo e do cádmio, sendo denominada Fluidgel TA. A argila Fluidgel comercial foi submetida ao tratamento térmico e químico por um período de 24 horas a temperatura de 750 ºC, com o objetivo de melhorar sua estabilidade física, sendo denominada Fluidgel TACal. As técnicas empregadas para a caracterização das argilas visando informações importantes para conhecer a viabilidade das suas propriedades na remoção de metais foram realizadas por termogravimetria (TG), calorimetria exploratória (DSC), difração de raios-X (DRX), espectroscopia de infravermelho (FTIR), área superficial, picnometria a gás hélio, microscopia eletrônica de varredura (MEV)/(EDS) e capacidade de troca catiônica (CTC). As técnicas de remoção estudadas neste trabalho foram a de banho finito e de leito fixo, permitindo avaliar os mecanismos e taxas de remoção dos íons de chumbo e cádmio, a partir da realização de curvas de equilíbrio e cinéticas de cada íon. A adsorção de Cd2+ e Pb2+ foi estudada em sistema estático e dinâmico para as argilas Fluidgel TA e Fluidgel TACal. A argila Fluidgel comercial não foi utilizada no processo de adsorção destes metais, já que seu alto teor de carbonatos ocasionou a precipitação química, além de não apresentar resistência mecânica adequada para aplicação posterior em sistema dinâmico de leito fixo. Os ensaios monocomponentes em sistema estático e dinâmico mostraram que o chumbo tem maior afinidade pelos sítios das argilas. Verificou-se a partir dos resultados obtidos em banho que as quantidades máximas adsorvidas pela argila Fluidgel TA foram de 0,038 e de 0,035 mmol de metal/g de argila, para o cádmio e o chumbo respectivamente. Utilizando argila Fluidgel TACal a quantidade máxima adsorvida de cádmio não foi significativa (0,005mmol/g), sendo para o chumbo de 0,033 mmol de metal/g de argila, podendo-se observar que a capacidade de remoção foi reduzida devido ao tratamento térmico. A partir das curvas de ruptura obtidas nas diferentes vazões verificou-se os diferentes comportamentos, indicando a forte influência da vazão nas resistências difusionais, mostrando que na vazão de 1 mL/min foi obtido um valor baixo de comprimento da ZTM (3,413), bem como uma baixa resistência à transferência de massa para a remoção de chumbo pela argila FluidgelTACal. Para regeneração dos leitos de argila FluidgelTACal foi utilizado o CaCl2 como eluente. A remoção do chumbo obtida até saturação do leito de argila FluidgelTACal, no primeiro ciclo foi de 0,03782 mmol/g, diminuindo no segundo e terceiro ciclos (0,02478 e 0,02060 mmol/g)Abstract: This study aimed to evaluate the ability to remove heavy metals commonly found in industrial wastewater and landfills in the metropolitan region of Campinas, specifically lead and cadmium using as adsorbent sodic bentonite clay type Fluidgel, which was obtained from Boa Vista, Paraíba, located in the northeastem region of Brazil. Fluidgel was provided as a commercial product processed, being composed of natural clay with sodium carbonate addition. Fluidgel in nature was subjected to acid treatment because the pH of this clay occasioned chemical precipitation of lead and cadmium, it was named Fluidgel TA. In order to improve the physical stability, the Fluidgel clay was also carried out a chemical and thermal treatment for a period of 24 hours at 750 oC and it was named as Fluidgel TACal. The techniques employed for the characterization of clays seeking important information to identify the viability of their properties in the removal of metals and it was performed by thermogravimetry, scanning calorimetry, X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR), Thermal Analysis (TG and DSC), Scanning Electron Microscopy (SEM) with chemical analysis by Energy Dispersive X-ray (EDX), surface area, helium pycnometry, and cation exchange capacity. The removal techniques discussed in this work were realized in the finite bath and fixed bed with the purpose to evaluate the mechanisms and removal rates of lead and cadmium. The adsorption of Cd2+ and Pb2+ was studied in the finite bath and fixed bed systems using Fluidgel TA and Fluidgel TACal. Fluidgel was not used in the process of adsorption of these metals, due to their high content of carbonates caused the precipitation chemistry, besides it type of clay did not has mechanical strength suitable for application in dynamic system of fixed bed. According to obtained results, sorption affinity of clays towards lead is larger than their affinity towards cadmium. The results obtained in a finite bath showed that the maximum amount adsorbed by the clay Fluidgel TA was 0.038 and 0.035 mmol of metal/g of clay, for cadmium and lead, respectively. Using clay Fluidgel TACal the maximum amount of adsorbed cadmium was not significant (0.005 mmol / g), whereas for lead was of 0.033 mmol of metal / g of clay, can be observed that the removal capacity has been reduced due to heat treatment. Fixed bed experiments were developed evaluating the breakthrough curves obtained by different flow rates showed different behavior, indicating a strong influence on the flow rate of diffusional resistance, can observed that using the flow rate of 1 mL/min was obtained a low value of the length of the mass transfer zone (MTZ) of 3.413 and moreover, a low resistance to mass transfer to remove lead with Fluidgel TACal clay. The CaCl2 was used as eluent with the purpose to regeneration of the beds using Fluidgel TACal clay. The study conducted in fixed bed system for lead in cycles of adsorption/desorption showed that in the first cycle was 0.03782 mmol/g, reducing the second and third cycles (0.02478 and 0.02060 mmol /g)MestradoProcessos em Tecnologia QuímicaMestra em Engenharia Químic