Adsorção de íons cobre utilizando geopolímero produzido a partir de cinzas de carvão ou zeólita natural

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2019.A contaminação da água por metais tóxicos é particularmente preocupante devido aos seus efeitos nocivos para a saúde humana. A concentração de íons metálicos tóxicos em águas residuais deve ser reduzida de acordo com a legislação local antes de ser lançado no meio ambiente. Com relação à descontaminação de água com metais tóxicos, um geopolímero foi preparado com a incorporação de 7,5% (em massa) de fly ash em sua composição e aplicado na remoção de íons cobre dissolvidos em água destilada ou em água natural pré-tratada, visando à substituição do uso de uma zeólita natural. A mesma faixa granulométrica, de 0,34 mm e 1,00 mm, foi utilizada nos dois materiais adsorventes. As análises de composição química, carga superficial, massa específica e área superficial dos dois materiais mostraram que o geopolímero e a zeólita natural possuem características texturais, morfológicas e funcionalidades químicas praticamente idênticas. Os ensaios de equilíbrio e dinâmica de leito fixo foram realizados em pH 4, com base nos resultados obtidos pela especiação metálica (Hydra/Medusa) e ponto de carga zero. A avaliação da cinética de adsorção de Cu2+ dissolvido em água destilada provou que o equilíbrio é alcançado em cerca de 8h, à temperatura ambiente, e que o modelo de pseudo-primeira ordem é adequado para descrever o processo. Nos ensaios de equilíbrio, o geopolímero e a zeólita apresentaram uma capacidade de adsorção pode ser descrita pelo modelo de Langmuir, embora a capacidade de adsorção na monocamada tenha aumentado com a temperatura. Em toda faixa de temperatura avaliada (25 ? 55 ºC), o geopolímero apresentou capacidade adsortiva superior à da zeólita, aumentando de qmax_geo: qmax_zeo de 1,13, 1,92 e 2,56, às temperaturas de 25 ºC, 40 ºC, e 55 ºC, respectivamente. Os processos de adsorção são de natureza endotérmica para ambos os adsorventes. A aplicação dos adsorventes em coluna de leito fixo mostrou que os modelos de Thomas & Yoon e Nelson descrevem adequadamente a dinâmica de adsorção de íons Cu2+ dissolvidos em água destilada, e que a capacidade de remoção de íons Cu2+ dissolvidos em água destilada no ensaio dinâmico é superior àquela prevista no estudo termodinâmico em banho finito. O geopolímero apresentou um melhor desempenho de adsorção do que a zeólita em diferentes vazões volumétricas e concentrações de íon cobre dissolvido em água destilada, assim como quando os íons cobre são dissolvidos em água natural pré-tratada, sendo a capacidade de remoção do geopolímero é cerca de 3 vezes maior do que à da zeólita.Abstract: Water contamination by toxic metals is of particular concern because of its harmful effects on human health. The concentration of toxic metals ions in wastewater have to be reduced according to the local legislation before being released into the waterbody. Regarding the decontamination of water by toxic metals, a geopolymer was prepared by incorporating 7.5% (by weight) fly ash into its composition and applied to remove copper ions dissolved in distilled water or spiked into pretreated natural water to replace the use of a natural zeolite. The same particle size range, 0.34 mm and 1.00 mm, was used in both adsorbent materials. The chemical composition analyses, such as surface charge, specific mass and surface area of the two adsorbents showed that the geopolymer and zeolite have practically identical textural, morphological characteristics and chemical functionalities. The equilibrium and bed dynamics tests were performed at pH 4, based on the results obtained by the metallic specification (Hydra / Medusa) and pH at the point of zero charge. The evaluation of Cu2+ adsorption kinetics dissolved in distilled water reached equilibrium around 8h at room temperature and that the pseudo-first order model is adequate to describe the process. In equilibrium tests, geopolymer and zeolite showed an adsorption capacity can be described by the Langmuir model, although the adsorption capacity in the monolayer increased with temperature. In all temperature range (25 ? 55 ºC), the geopolymer presented higher adsorptive capacity than zeolite, increasing from qmax_geo: qmax_zeo of 1.13, 1.92 and 2.56, at temperatures of 25 ºC, 40 ºC, and 55 ºC, respectively. Adsorption processes are endothermic in nature for both adsorbents. The adsorbents application on a fixed bed column showed that the Thomas and Yoon and Nelson models adequately described the adsorption dynamics of dissolved Cu2+ ions in distilled water, and that the removal capacity of Cu2+ ions dissolved in distilled water in the dynamic tests is higher than that predicted in the thermodynamic study in a finite bath. The geopolymer showed better adsorption performance than zeolite at different volumetric flow rates and copper ion concentrations dissolved in distilled water, as well as when copper ions are spiked into pretreated natural water, and the geopolymer removal capacity is about 3 times higherr than that of zeolite