Biosorption of nickel on residue of alginate extraction from seaweed

Orientadores: Melissa Gurgel Adeodato Vieira, Meuris Gurgel Carlos da SilvaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: Devido ao crescimento da atividade industrial, a remoção e recuperação de metais tóxicos de efluentes industriais têm se tornado um problema ambiental cada vez mais abordado em grupos de pesquisa. Dentre os processos de tratamento empregados para a remoção desses metais, se destaca a bioadsorção, com necessidade de avaliação de novos bioadsorventes. Neste trabalho foram realizadas duas extrações para verificar se os resíduos da extração de alginato de alga marinha gerados sofreriam alteração na capacidade de remoção de íons metálicos, as extrações mostraram rendimento de 24 % e 11,6 %, com recuperação de 52 % e 76,5 % da massa inicial utilizada para a primeira (resíduo I) e segunda (resíduo II) extração, respectivamente. Através da especiação metálica e pHZPC fixou-se o pH de 3,5 para este estudo, afim de se evitar a precipitação de outros metais envolvidos no mesmo projeto de pesquisa. Em seguida, realizaram-se testes de afinidade dos resíduos com diferentes íons metálicos para verificar qual metal apresentava maior afinidade aos bioadsorventes, com ordem de afinidade Cr3+> Cu2+> Cd2+> Zn2+> Pb2+> Ag+> Ni2+ (resíduo I) e Cr3+> Cu2+> Pb2+> Zn2+> Ni2+> Cd2+> Ag+ (resíduo II). Para avaliar o potencial deste bioadsorvente na remoção de íons de níquel, foi realizado o estudo cinético do processo para diferentes concentrações iniciais do metal. As curvas cinéticas foram ajustadas pelos modelos de pseudoprimeira ordem, pseudossegunda ordem, difusão intrapartícula, Boyd e resistência à transferência de massa em filme externo, com este último representando melhor os dados cinéticos. Posteriormente, foram obtidas as isotermas de bioadsorção para diferentes temperaturas e estas foram ajustadas pelos modelos de Langmuir, Freundlich e Dubinin Radushkevich, sendo que o primeiro modelo forneceu o melhor ajuste com capacidade máxima de adsorção de 1,041 mmol/g na temperatura de 50 ºC e os dados termodinâmicos indicaram que a adsorção é espontânea e de natureza endotérmica. O estudo também apresenta a avaliação do processo de bioadsorção em sistema dinâmico de leito fixo, para qual foram realizados os estudos da influência da vazão e da concentração inicial. A avaliação dos parâmetros de eficiência Zona de Transferência de massa (ZTM) e Porcentagem de Remoção Total (%Remt) mostrou vazão de 0,5 mL/min e concentração de 1 mmol/L como resultado ótimo, com remoção máxima de níquel de 45 %. Com essa vazão e concentração, foram realizados dois ciclos de adsorção/dessorção empregando CaCl2 como eluente para avaliar o potencial de recuperação do metal e o tempo de vida útil da coluna, obtendo-se remoções de 43 % no primeiro ciclo e de 38 % no segundo. As curvas de ruptura obtidas foram ajustadas pelos modelos de Bohart e Adams, Clark, Thomas, Yan et al e Yoon e Nelson, sendo que o mais preditivo para todos os estudos realizados foi o modelo de Yan et al. Por fim, foi realizada a caracterização do resíduo pós bioadsorção de níquel e comparado com o resíduo natural pelas seguintes técnicas: Espectroscopia na Região do Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Microscopia Eletrônica de Varredura com Espectroscopia de raios-X por Energia Dispersiva (MEV-EDX), Picnometria de gás hélio, Porosimetria de mercúrio e Fisissorção de N2 (BET). Foi verificado que mesmo após a extração do alginato, o resíduo pode ser utilizado no tratamento de efluentes contaminados com metais tóxicos pelo processo de bioadsorção, pois ainda apresenta potencial para este processoAbstract: Due the industry activity growth, the presence of toxic metals in effluents has become an environmental problem. The removal and recovery of such metals from industrial waste is focus of many research groups. Biosorption is of special interest as well as the evaluation of new bioadsorbents. In this work, two extractions were performed to verify if the generated residue would present different metal ion removal capacity. The extractions yielded 24 % and 11.6 % with initial mass recovery of 52 % and 76.5 %, for the first (residue I) and second (II residue) extractions respectively. A pH 3.5 was chosen to avoid metal ion precipitation and was determined through metal speciation and pHZPC analyses. Affinity tests were performed with different metal ions in order to determine which metal has higher affinity to the bioadsorvent material. The obtained affinity order was Cr3+> Cu2+> Cd2+> Zn2+> Pb2+> Ag+> Ni2+ (residue I) and Cr3+> Cu2+> Pb2+> Zn2+> Ni2+> Cd2+> Ag+ (residue II). To evaluate the potential of this bioadsorbent, in the removal of nickel ions, kinetic studies were carried out with different metal initial concentrations. The kinetic curves were adjusted by pseudo first order, pseudo second order, intraparticle diffusion, Boyd, and External Film Mass Transfer Resistance models, with the latter presenting the best results. Subsequently, the biosorption isotherms, for different temperatures, were obtained and adjusted to Langmuir, Freundlich, and Dubinin Radushkevich models, wherein, the first model provided the best fit with an adsorption capacity of 1.041 mmol/g at 50 ºC. The thermodynamic data indicated that the biosorption process is spontaneous and of endothermic nature. The biosorption process in dynamic fixed-bed system was performed evaluating the influence of flow and the initial concentration, by Mass Transfer Zone (MTZ) and Percentage of Total Removal (%Remt). The best results were obtained for the flow 0.5 mL/min and concentration of 1 mmol/L with maximum removal of 45 % of nickel. In order to evaluate the metal recovery potential and the lifetime of the column, two cycles of adsorption/desorption were performed under these conditions, using CaCl2 as an eluent, obtaining 43 % removal in the first stage and 38 % in second. The breakthrough curves were adjusted to Bohart and Adams, Clark, Thomas, Yan et al., and Yoon and Nelson models, and the best predictive was the model described by Yan et al. Finally, the characterization of the residue material post nickel biosorption was compared to the residue prior adsorption by appling in the following techniques: Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy coupled with Energy Dispersive X-ray (SEM-EDX), Helium Gas Picnometry, Mercury Porosimetry, and N2 Physisorption (BET). The results showed that the residue can be used to treat toxic metal contaminated effluents by biosorption processMestradoEngenharia QuímicaMestra em Engenharia Química2014/05050-5CAPESFAPES