Resíduo sólido de estação de tratamento de água como componente circular para adsorção de flúor de águas subterrâneas

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2019.O flúor é um elemento comum amplamente distribuído na crosta terrestre e pode ser encontrado em pequenas quantidades nas águas subterrâneas e superficiais. Sua ocorrência em rochas e minerais está comumente relacionada com processos ígneos ou magmáticos. A crescente poluição de águas superficiais leva à necessidade da utilização de águas subterrâneas para consumo humano. O excesso do elemento flúor pode ocasionar problemas como a fluorose dentária (em águas com teores de flúor superiores a 1,5 mg/L). Nesse trabalho, um resíduo sólido proveniente de uma estação de tratamento de água de captação de superfície (Resíduo ETA) foi utilizado como material adsorvente de flúor para o tratamento de águas de poços subterrâneos da região do extremo sul de Santa Catarina. O Resíduo ETA foi caracterizado física e quimicamente, pelas análises de BET, DRX, FTIR, ATD/TG e tamanho de partículas. Os resultados indicaram que a área superficial do Resíduo ETA com tratamento térmico prévio foi de 124,0 m2/g, com um volume de poros de 0.1 cc/g. O tamanho de partículas médio foi de 22 µm. A caracterização mineralógica revelou as fases dominantes quartzo, caulinita e ilita, e a análise química trouxe basicamente os elementos alumínio, ferro e silício, convergindo os resultados para uma análise de resíduo argiloso. A análise térmica mostra uma perda de massa na amostra de aproximadamente 30%. A capacidade de remoção de íons fluoreto pelo Resíduo ETA foi avaliada em ensaios de adsorção, mostrando uma capacidade de remoção em torno de 28% do total de flúor presente na amostra tratada. Os modelos de Langmuir e Freundlich foram ambos adequados para representar a remoção, com destaque para o modelo de Langmuir. O modelo cinético de pseudo-segunda ordem representou bem os resultados, com um R2=0,9986 e apontando ainda, uma capacidade de adsorção (qe) experimental de 0,206 mg/g. O planejamento experimental com três fatores (pH, concentração inicial de flúor e concentração inicial de íons) foi aplicado, e teve como resposta (95% de confiança - a=0,05) que a interação entre os três fatores foi significativa na variável resposta, porém, os parâmetros isoladamente não foram significativos. Este estudo demostra a potencialidade do Resíduo ETA como adsorvente de flúor de águas subterrâneas.Abstract: Fluorine is a common element widely distributed in the earth's crust and can be found in small quantities in groundwater and surface water. Its occurrence in rocks and minerals is commonly related to igneous or magmatic processes. The increasing pollution of surface water leads to the need to use groundwater for human consumption. Excess fluorine may cause problems such as dental fluorosis (in water with fluorine content higher than 1.5 mg/L). In this work, a solid waste from a surface water treatment plant (ETA residue) was used as fluoride adsorbent material for the treatment of groundwater from the southernmost region of Santa Catarina. The ETA residue was physically and chemically characterized by BET, XRD, FTIR, DTA/TG and particle size analyzes. The results indicated that the surface area of the pre-heat treated ETA Residue was 124.016 m2/g, with a pore volume of 0.141 cc/g. The average particle size was 21.95 µm. Mineralogical characterization revealed the dominant phases quartz, kaolinite and illite, and the chemical analysis basically showed the elements aluminum, iron and silicon, converging the results to a clay residue analysis. Thermal analysis shows a mass loss in the sample of approximately 30%. The ability to remove fluoride ions by the ETA residue was evaluated in adsorption assays, showing a fluoride removal around 28%. The Langmuir and Freundlich models were both adequate to represent the removal, especially the Langmuir model. The pseudo-second order kinetic model represented the results well, with an R2 = 0.9986 and an experimental adsorption capacity (qe) of 0.206 mg/g. The experimental design with three factors (pH, initial fluorine concentration and initial ion concentration) was applied, and showed (95% confidence - a = 0.05) that the interaction between the three factors was significant in the response variable. However, the parameters alone were not significant. This study shows the potentiality of ETA residue as groundwater fluoride adsorbent