Adsorption of metal ions using the bark of the seed of Brazil nut (Bertholletia excelsa H.B.K.) as adsorbent

O presente trabalho propÃe a utilizaÃÃo da casca de Bertholletia excelsa HBK, um resÃduo do beneficiamento da castanha do Brasil, como biossorvente na remoÃÃo dos Ãons metÃlicos cÃdmio (Cd), chumbo (Pb), cromo (Cr), cobre (Cu) e zinco (Zn) de Ãguas contaminadas, como alternativa aos mÃtodos convencionais de tratamento existentes. Assim, apÃs a caracterizaÃÃo do biossorvente por meio de microscopia eletrÃnica de varredura (MEV), espectroscopia na regiÃo do infravermelho (IV) e ponto de carga zero (pHPCZ), foram realizados testes de adsorÃÃo objetivando determinar as condiÃÃes ideais de pH, massa de adsorvente e tempo de contato para o processo de adsorÃÃo. A cinÃtica de adsorÃÃo foi avaliada pelos modelos de pseudoprimeira ordem, pseudossegunda ordem, Elovich e difusÃo intrapartÃcula. A partir dos resultados obtidos, foram construÃdas as isotermas de adsorÃÃo para cada metal, as quais foram linearizadas conforme os modelos matemÃticos de Langmuir, Freundlich e Dubinin-Radusckevich. Visando comparar este biossorvente com um adsorvente comercial, foram realizados estudos comparativos com o carvÃo ativado. AlÃm disso, foram avaliados a capacidade de eluiÃÃo dos materiais e a influÃncia da temperatura no processo de adsorÃÃo dos metais em estudo pela casca de B. excelsa HBK. A caracterizaÃÃo do biossorvente por meio da MEV mostrou uma superfÃcie rugosa, importantes caracterÃsticas de adsorÃÃo. A partir do espectro de IV foi possÃvel identificar compostos como a lignina e celulose, os quais favorecem o processo de adsorÃÃo. O pHPCZ obtido foi de 4,4. Os testes de massa demonstraram que 12 g L-1 do biossorvente sÃo suficientes para uma remoÃÃo eficiente dos Ãons metÃlicos Cd, Pb e Cr em soluÃÃo, e de 8 g L-1 para os Ãons Cu e Zn. Com relaÃÃo aos valores de pH da soluÃÃo, nÃo houve diferenÃa entre eles, sendo que testes futuros foram desenvolvidos em condiÃÃo de pH 5,0. O tempo para que o sistema atingisse o equilÃbrio entre os metais estudados foi 60 min. O modelo cinÃtico de pseudoprimeira ordem foi o que melhor se ajustou ao processo cinÃtico, sugerindo desta forma que o principal passo limitante para a adsorÃÃo destes Ãons metÃlicos pode ser a adsorÃÃo quÃmica. As isotermas de equilÃbrio foram obtidas com base nas condiÃÃes Ãtimas prÃ-estabelecidas para cada metal e os ajustes matemÃticos foram realizados por meio dos modelos matemÃticos de Langmuir, Freundlich e Dubinin-Radushkevich (D-R). Os modelos matemÃticos que melhor se ajustaram para a adsorÃÃo em casca de castanha do Brasil foram Dubinin-Radushkevich para o Cr e Cu, Freundlich para Cr e Langmuir para todos os Ãons estudados, podendo assim estimar o parÃmetro capacidade mÃxima de adsorÃÃo (Qm) fornecido por este modelo, sendo Cr = 12,69 > Pb = 10,77 > Cd = 7,45, Zn = 4,86 e Cu = 3,92 mg g-1. O valor negativo de variaÃÃo de energia livre (ΔG) obtido por meio dos estudos termodinÃmicos para a adsorÃÃo dos metais Cd, Cr, Zn e Cu à uma indicaÃÃo de um processo espontÃneo e favorÃvel, no caso do Pb2+, os valores de ΔG demostraram que a reaÃÃo nÃo à espontÃnea. Os resultados mostraram que o biossorvente proveniente da casca de castanha do Brasil pode constituir uma alternativa sustentÃvel de baixo custo, por nÃo ter sofrido tratamento prÃvio e por se tratar de um coproduto na remoÃÃo dos Ãons metÃlicos presentes em ÃguasThe present work proposes the use of the bark of Bertholletia excelsa HBK, a residue of the beneficiation of Brazil nut, as biossorvente in removal of metal ions toxic cadmium (Cd), lead (Pb), chromium (Cr), copper (Cu) and zinc (Zn) of contaminated water, as an alternative to conventional methods of available treatments. The characterization of biosorbent was performed by scanning electron microscopy (SEM), infrared spectroscopy (IR) and the point of zero charge (pHPCZ). After that, adsorption tests were performed aiming to determine the ideal conditions of pH, mass of adsorbent and contact time for the adsorption process. The adsorption kinetics was evaluated by the models of pseudo first model, pseudo second order, Elovich and intraparticle diffusion. From the obtained results, isotherms of adsorption were built for each metal, which were linearized as mathematical models of Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich. To compare the natural adsorbents with a commercial adsorbent were performed comparative studies with the activated coal. In addition, we evaluated the ability of desorption of the materials and the influence of temperature on adsorption process of metals under study by bark of B. excelsa HBK. The characterization of biosorbent through SEM showed a roughness surface, showing important characteristics of adsorption. From the FT-IR was possible identify compounds such as lignin and cellulose, which favour the adsorption process. The pHPCZ obtained was 4.1. The tests of mass demonstrated that 12 g L-1 of biossorvente are sufficient for an effective removal of metal ions Cd, Pb and Cr in solution, and 8 g L-1 for the ions Cu and Zn. With respect to the pH values of the solution, there was no difference among them, being that the higher removed quantity obtained at pH 5.0. The time for dynamic equilibrium was found at 60 minutes. The application of kinetic models suggests the limiting factor for the adsorption of these metal ions may be the chemisorption. The equilibrium isotherms were obtained based on pre-established optimal conditions for each metal and the mathematical adjustments were performed by mathematical models of Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich (D-R). The mathematical models that best adjusted for adsorption in bark of Brazil nut was Dubinin-Radushkevich for Cr and Cu, Freundlich and Langmuir for Cr for all the ions studied, and thus estimate the parameter maximum capacity of adsorption (Qm) provided by this model, being Cr = 12.69; Pb = 10.77; Cd = 7.45, Zn = 4.86 and Cu = 3.92 mg g-1. The negative value for variation of free energy (ΔG) obtained by means of thermodynamic studies for adsorption of metals Cd, Cr, Cu and Zn is an indication of a spontaneous process and favorable, in the case of Pb2+, the values of ΔG reported that there was no absorption of energy for the formation of products, so that the reaction is not spontaneous. The results showed that the biosorbent from bark of Brazil nut may constitute a sustainable alternative for low cost, by not having suffered prior treatment and because it is a dried grape byproduct in removal of metal ions present in water