ESTUDO DA EFICIÊNCIA ADSORTIVA DA BIOMASSA PALMA
FORRAGEIRA (Opuntia fícus) SEM CASCA PARA USO NA REMOÇÃO DE
CONTAMINANTES ORGÂNICOS EM ÁGUAS DE DESCARTE
A. H. de A. Alves1; L. M. R. Lima2; D. Tavares2; J. K. P. de Araújo2; L. M. R. Lima3; V. L. M. de M. Silva4
1- Departamento de Engenharia Química – Universidade Federal da Paraíba
Cidade Universitária, s/n - Castelo Branco III – CEP: 58051-085 – João Pessoa - PB – Brasil
Telefone: (83) 3216-7862 – E-mail: alyssonhenriquepe@gmail.com
2- Unidade Acadêmica de Engenharia de Biotecnologia e Bioprocessos – Universidade Federal de Campina Grande
Rua Luiz Grande, s/n - Bairro Frei Damião – CEP: 58540-000 – Sumé-PB – Brasil Telefone: (83) 3353-1850 – E-mail: mergia@gmail.com
3- Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – Universidade Estadual da Paraíba
Rua Juvêncio Arruda, s/n – Campus Universitário – Bodocongó – CEP: 58109-790 – Campina Grande-PB – Brasil
Telefone: (83) 3315-3333 – E-mail: ligiauepb@gmail.com 4- Departamento de Química – Universidade Estadual da Paraíba
Rua Juvêncio Arruda, s/n – Campus Universitário – Bodocongó – CEP: 58109-790 – Campina Grande-PB – Brasil
Telefone: (83) 3315-3356 – E-mail: meiravlms@gmail.com
RESUMO: Os impactos causados pelo descarte de águas contaminadas que apresentam substâncias orgânicas vêm sendo discutidos entre defensores ambientalistas. Atualmente há diversas pesquisas inovadoras sendo desenvolvidas com intuito de descontaminação destas águas. Dentre os processos mais utilizados, destaca-se a adsorção, visto que se utiliza de uma biomassa que, ao entrar em contato com a água contaminada, adsorve o contaminante presente. Este trabalho utilizou a biomassa palma forrageira (Opuntia fícus), planta nativa e de fácil acesso no semiárido paraibano, para remoção de óleo diesel presente em águas de descarte. A metodologia utilizada consistiu em preparar a biomassa na forma particulada. Em seguida foram realizados experimentos para determinação da cinética de reação e estudo do equilíbrio. Os baixos valores obtidos na adsorção podem ter sido influenciados pela estrutura molecular do óleo diesel, constituída de cadeias longas que podem ter favorecido as oscilações na adsorção por meio da biomassa palma forrageira.
PALAVRAS-CHAVE: descontaminação de água; hidrocarbonetos; palma forrageira; adsorção. ABSTRACT: Impacts caused by disposal of contaminated water containing organic substances have been discussed among environmental advocates. Currently there are several innovative researches being developed with purpose of decontamination of these waters. Among most used processes, adsorption is highlighted, since a biomass is used which, when it comes into contact with contaminated water, adsorbs contaminant present. This work used cactus pear forage (Opuntia fícus), a native plant that is easily accessible in the Paraíba's semi-arid, for removal of diesel oil present in wastewater. Methodology used consisted in preparing biomass in particulate form. Then, experiments were carried out to determine reaction kinetics and equilibrium study. Low values obtained in adsorption may have been influenced by molecular structure of diesel oil, constituted of long chains that may have favored oscillations in adsorption by means of cactus pear forage biomass.
KEYWORDS: water decontamination; hydrocarbons; cactus pear forage; adsorption.
1.
INTRODUÇÃO
O Brasil é privilegiado por conter números expressivos em volume de recursos hídricos, contendo cerca de 12% de toda água doce do planeta. Há, aproximadamente, 200 mil microbacias espalhadas em 12 regiões hidrográficas. A vazão da bacia Amazônica é superior ao estabelecido pela Organização das Nações Unidas (ONU), 19 vezes a mais, representados em 1700 m3.s-1 por habitantes/ano. Mesmo com a abundância contida em território nacional, os recursos hídricos são esgotáveis, conforme mostra “Água... (2016)”.
A preservação da água, seja subterrânea ou superficial, deve ser sempre prioridade, havendo grande preocupação para evitar sua contaminação. Das diversas fontes de contaminação do solo e da água, podem-se citar aos vazamentos provenientes de tanques de armazenamento de combustíveis, atividade mineradora, uso de compostos orgânicos agrícolas e os esgotos despejados com diversos materiais e contaminantes, que tornam a água imprópria para o consumo, como mostra o trabalho de “Silva et al. (2002)”.
Segundo mostra “Andrade (2010)”, o petróleo é uma mistura complexa, constituída por diversos compostos, em que os hidrocarbonetos representam o maior percentual presente. A composição química e propriedades físicas podem variar de um campo petrolífero a outro, de acordo a sua origem. Por ser uma mistura complexa, é bastante difícil o tratamento de áreas que foram contaminadas por esse material. De modo geral, essa mistura complexa tem como compostos principais o benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos (isômeros: orto-, meta- e para-xileno), também conhecidos como BTEX, definidos como hidrocarbonetos monoaromáticos, de forma que sua estrutura molecular tem como fator principal a presença do anel benzênico. Estes são utilizados, principalmente, em solventes e em combustíveis.
1.1. Óleo diesel
Fonte de energia, o óleo diesel é um combustível derivado do petróleo, e sua composição contém hidrocarbonetos parafínicos, oleofínicos e aromáticos, formados principalmente por átomos de carbono, hidrogênio e, em baixas concentrações, por enxofre, nitrogênio, oxigênio, metais, entre outros, segundo “Ferreira (2008)”.
Geralmente, os motores a diesel operam com excesso de oxigênio, obtendo reduções na emissão de hidrocarbonetos e de monóxido de carbono; porém, dentre os principais poluentes que são emitidos pelos motores, destacam-se os materiais particulados, considerados maiores causadores de poluição em grandes centros urbanos. O óleo diesel possui uma grade de emissores de poluentes ao meio ambiente, sendo os principais fatores o número de cetano, teor de enxofre, teor de aromáticos e densidade, conforme mostrado por “Ferreira (2008)”.
1.2. Adsorção
Existem inúmeros processos de separação atuais, dentre estes a adsorção, que tem despertado interesse por ser eficaz para o tratamento de efluentes orgânicos e materiais pesados, segundo “Santos et al. (2007)”. O processo de adsorção é uma alternativa válida para remoção de poluentes diluídos em efluentes líquidos. O êxito para processos de separação provenientes da adsorção dependerá da escolha do material adsorvente a ser utilizado e aprimoramento do processo. O conhecimento e comercialização de novos materiais adsorventes irão possibilitar o desenvolvimento de estudos em processo de separação. O processo de adsorção utilizando biomassas como adsorventes torna-se atrativo devido a seu baixo custo, sendo utilizado em diversos tipos de efluentes, conforme mostram “Souza et al. (2011)”.
“Machado et al. (2015)” afirmam que adsorção é um termo geralmente utilizado para mencionar fenômenos físicos e químicos que acontecem quando há diferenças entre a concentração presente na fase fluida e os compostos que apresentam sólido poroso (adsorventes).
A adsorção é considerada um importante meio de purificação e separação de áreas petrolíferas, de alimentos, da química fina e da biotecnologia. É uma alternativa válida como meio de remoção de poluentes diluídos em efluentes líquidos, bem como de componentes com altos valores industriais. Com as descobertas e comercializações de novos materiais adsorventes, houve um avanço no desenvolvimento do método da adsorção como processo de separação. O sucesso do processo de separação utilizando a adsorção dependerá da escolha do material adsorvente a ser utilizado, segundo “Souza et al. (2006)”.
De acordo com “Campos et al. (2012)”, a adsorção fundamenta-se no princípio em que certa superfície sólida que está em contato com um fluido, tem tendência de acumular uma determinada camada superficial de moléculas do soluto, devido ao desequilíbrio de forças superficiais externas. O fenômeno de adsorção está ligado à tensão presente na superfície das soluções e a sua intensidade depende da temperatura, da concentração da substância absorvida (adsorbato) e sua natureza, estado de agregação do adsorvente (sólido) e sua natureza, bem como do fluido em contato com o adsorvente.
1.2.1. Modelo de Langmuir
Utilizando o conceito dinâmico do equilíbrio de adsorção, que estabelece a igualdade nas velocidades de adsorção e dessorção, Langmuir propôs o modelo baseado em três hipóteses: I) a adsorção não poderá ir além do recobrimento com uma camada; II) os sítios de adsorção devem ser equivalentes uns aos outros e as superfícies devem ser homogêneas; e III) a capacidade de uma molécula ser adsorvida em um determinado sítio é independente da ocupação dos sítios vizinhos, conforme mostram “Coelho et al. (2014)”.
Com isso, foi desenvolvida a equação 01:
(01)
Em que: é a taxa de adsorção; qs é a máxima capacidade de adsorção; b é o parâmetro da equação de Langmuir e c é a concentração do adsorbato na fase líquida.
Considera-se como o modelo de mais eficácia em termos de representação de isotermas em que há interação forte entre a superfície do adsorvente e do soluto para um único componente. Este modelo considera que há um número fixo de sítios no sólido, sendo estes igualmente energéticos; portanto, possuem a mesma entalpia de adsorção. Cada sítio retém apenas uma molécula de adsorbato (monocamada). As moléculas adsorvidas em sítios próximos não interagem entre si e, no equilíbrio, a taxa de adsorção é igual à taxa de dessorção, segundo “Lima (2010)”.
Atualmente vêm sendo utilizadas as mais variadas espécies de biomassas vegetais nas pesquisas de descontaminação de águas por substâncias orgânicas. No caso do semiárido nordestino, há uma grande variedade de espécies de vegetação que podem ser estudadas para aplicação como adsorventes.
1.3. Palma forrageira
A palma forrageira (Opuntia fícus), ilustrada na Figura 1, é oriunda do México, pais que a explora desde o período pré-hispânico, detentor da maior riqueza de cultivares. Contendo mecanismos fisiológicos que a torna uma das plantas mais adaptadas às condições ecológicas das regiões áridas e semiáridas do planeta, a palma forrageira conseguiu adaptação com relativa facilidade ao semiárido do Nordeste brasileiro. No início do século XX, começou-se com o cultivo no Nordeste brasileiro como finalidade forrageira, conforme “Oliveira et al. (2010)”.
Figura 1. Cultivo de palma forrageira na cidade de Sumé-PB, no Câmpus da UFCG-CDSA.
Por ser de fácil obtenção na região, além de resistente aos períodos de estiagem, a utilização da palma torna-se atrativa para aplicação na descontaminação de águas. Por isso, o estudo da biomassa de palma como adsorvente de substâncias orgânicas presentes em águas de descarte é de extrema importância para as comunidades do cariri paraibano, no que diz respeito ao desenvolvimento tecnológico e humano da região, por contribuir para a diminuição dos impactos ambientais causados por este tipo de contaminação, bem como para fortalecer a agricultura local, fazendo uso de uma cultura tipicamente do semiárido.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia utilizada seguiu o procedimento realizado por “Lima et al. (2014)”, que utilizou o mandacaru (Cereus jamacaruna) na forma particulada para remoção da mistura gasolina/óleo diesel, utilizando o processo de adsorção.
A palma foi coletada de um plantio da Universidade Federal de Campina Grande, Câmpus de Sumé. Foram coletadas 10 raquetes do tipo orelha de elefante.
Após a coleta, as raquetes de palma foram descascadas e cortadas em forma de cubos, conforme ilustrado na Figura 2.
Figura 2. Biomassa palma forrageira cortada em formato de cubos.
O material foi deixado exposto ao ar livre para que fosse seco, permanecendo durante três semanas. Em seguida, foi iniciada a preparação da biomassa na forma particulada, em que foi realizado o processo de cominuição para forma de pó a partir da palma obtida in natura, utilizando-se liquidificador. O material foi classificado de forma a apresentar partículas com diâmetros na faixa entre 1 e 2 mm.
Seguiu-se, então, com os experimentos para obtenção de curvas cinéticas, utilizando 12 frascos erlenmeyer com capacidade de 100 mL. Nestes, foram adicionados 40 mL de água e 12 mL de óleo diesel.
A mistura foi submetida a uma agitação de 130 rpm em mesa agitadora, sendo adicionados 1,2 g da palma particulada, peneirada e seca entre intervalos de 5 minutos, com variação de tempo de 5 a 60 minutos.
Após cada tempo de agitação, os frascos contidos com as amostras eram submetidos à filtração, tendo a palma particulada retida na peneira e a fase líquida escoada em proveta. Logo após foi medido o total de água adsorvida em cada amostra. Ao final, foi aferida a massa do adsorvente.
No estudo do equilíbrio e obtenção das isotermas de adsorção, foram utilizados 12 frascos erlenmeyer com capacidade de 100mL, contendo água contaminada com óleo diesel, variando a concentração de 5 a 60% de contaminante, adicionando à mistura 1,2g de palma particulada, e mantendo-os a 130 rpm em mesa agitadora, durante 60 minutos em temperatura ambiente. A amostra foi filtrada, aferindo a mistura contaminada e a biomassa.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Cinética de adsorção
A partir dos dados coletados nos experimentos propostos, foi possível construir a curva referente às quantidades de óleo adsorvidas pela biomassa com relação ao tempo de contato que houve em agitação (Figura 3).
Figura 3. Curva cinética de adsorção do óleo diesel com biomassa palma forrageira. Observando-se a Figura 3, pode-se afirmar que a cinética de adsorção do óleo diesel em biomassa palma é rápida, com a adsorção do contaminante iniciando-se a cerca de 05 minutos após o início do contato. Observa-se também que, de forma geral, a quantidade de adsorbato retida foi baixa em tempos superiores a 30 minutos, com exceção do tempo de 60 minutos. Tal comportamento pode ser explicado pela estrutura molecular do óleo diesel, constituída por grandes cadeias de hidrocarbonetos (15 a 18 átomos), que dificultam a adsorção pela biomassa. Pode ter ocorrido quebra das cadeias de hidrocarbonetos, formando cadeias de diferentes tamanhos, o que tornou a adsorção não uniforme após o tempo de 30 minutos. Este comportamento foi observado por “Souza et al. (2011)”, que utilizaram o bagaço de cana de açúcar como biomassa adsorvente.
3.2. Equilíbrio de adsorção
A partir dos dados coletados nos experimentos, foi possível construir a curva referente às quantidades de óleo adsorvidas pela biomassa com relação à concentração de
contaminante em contato, aplicando-se o modelo de Langmuir (Figura 4).
Figura 4. Curva de equilíbrio de adsorção do óleo diesel com biomassa palma forrageira, modelo de
Langmuir.
Com relação ao equilíbrio da biomassa palma forrageira, pode-se observar que foi alcançado, mas com quantidades baixas de contaminante adsorvido. a concentrações de 20 e 40%, a palma apresentou maior eficiência de adsorção. de forma geral, o comportamento da curva de equilíbrio oscilou entre valores altos e baixos de adsorção.Tal comportamento pode ser atribuído, segundo “Brandão et al. (2006)”, ao término da monocamada, sendo a adorção realizada em multicamadas, porém em menor intensidade. O modelo de Langmuir foi ajustado aos resultados obtidos para avaliação da capacidade de adsorção da biomassa.
A não homogeneidade do comportamento observado pelo sistema estudado pode ter sido influenciada pela estrutura molecular do óleo diesel. De acordo com “Aguiar (2013)”, a composição química do diesel é caracterizada por frações leves e frações pesadas de hidrocarbonetos, com a inserção dos mais diferentes aditivos. Tal composição, com cadeias de diferentes tamanhos, pode favorecer a oscilação na adsorção por meio da biomassa palma forrageira.
4. CONCLUSÃO
O estudo da palma forrageira como biomassa para métodos de processos de adsorção ainda está no início. Apesar dos baixos valores
0 10 20 30 40 50 60 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 EXPERIMENTAL LANGMUIR q (g .g -1 ) C (%) 0 10 20 30 40 50 60 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 q (g .g -1 ) t (min)
apresentados nos gráficos, tanto na cinética quanto no equilíbrio, a palma forrageira é um adsorvente relativamente eficiente a ser utilizado em processos de separação.
A não homogeneidade do comportamento observado pelo sistema estudado pode ter sido influenciado pela estrutura molecular do óleo diesel, com cadeias de diferentes tamanhos, o que pode favorecer a oscilação na adsorção por meio da biomassa palma forrageira.
Os estudos da palma forrageira como biomassa adsorvente de contaminante orgânico deverão ser continuados, considerando que trata-se de uma cultura do semiárido de fácil acesso e um meio alternativo para a proteção ao meio ambiente.
5. REFERÊNCIAS
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6. AGRADECIMENTOS
Ao programa PIBIC/CNPq-UFCG, pelo fomento para a realização do presente trabalho.
