Uso do bagaço de cana-de-açúcar
in natura
para remoção do corante Remazol Vermelho
Victor Lorejan Pinto
1
; Marcela Breves de Abreu
2
; Pedro R. Anizelli
3*
DOI: https://doi.org/10.35699/2447-6218.2021.35603
Resumo
No presente artigo foi investigado a viabilidade do bagaço de cana-de açúcar para o tratamento de uma solução de Remazol
Vermelho. Para isso, um panejamento fatorial 2² foi realizado variando o pH e massa do biossorvente tendo como resposta a
eficiência de adsorção, onde foi verificado que as melhores condições de adsorção são em pH ácido e menores valores de
massa de material. A caracterização do biossorvente foi realizado pelo pH do ponto de carga zero (PCZ), onde foi observado
que o valor foi próximo a 6,00. Os dados de espectroscópia no infravermelho (FTIR), mostrou a presença de grupos
caracterísiticos de matéria orgânica, e a microscopia eletrônica de varredura (MEV), mostrou que a superfície do material é
irregular e porosa. Foi realizado um estudo cinético para determinar o meca- nismo de adsorção, onde os dados experimentais
se ajustaram ao modelo de pseudo-segunda ordem, que indica que a adsorção ocorre por quimiossorção. O percentual de
descontaminação atingiu o valor de 72,44% (9,08 ± 0,008 mg g-1) em 30 minutos. No estudo de isoterma os dados
experimentais se ajustaram ao modelo de Freundlich, que indica uma superfície heterogênea. Os resultados de leito fixo
apresentaram valores de 40,63% eficiência de remoção e 71,38% de saturação da coluna. Portanto, o bagaço de cana-de-açúcar
apresentou boa capacidade para adsorção do corante Remazol Vermelho.
Palavras-chave
: Adsorção. Biomassa. Corante sintético.
Use of sugarcane bagasse
in natura
to removal remazol red dye
Abstract
In the present article, the feasibility of sugarcane bagasse for the treatment of a synthetic solution of Remazol Verme- lho was
investigated. For this, a 2² factorial design was performed by varying the pH and mass of the biosorbent in
response to the
adsorption efficiency, and it was verified that the best adsorption conditions are in acidic pH and lower
material mass values. The
characterization of the biosorbent was carried out by the pH of the point of zero charge point (PZC), where it was observed
that the value was close to 6.00. Infrared spectroscopy (FTIR) data showed the presence of characteristic groups of organic
matter and scanning electron microscopy (SEM) showed that the material surface is irregular and porous. A kinetic study was
carried out to determine the adsorption mechanism, where the experimental data fit the pseudo-second order model, which
indicates that the adsorption occurs by chemosorption. The decontamination percentage reached the value of 72.44% (9.08 ±
0.008 mg g-1) in 30 minutes. In the isotherm study, the experimental data fit the Freundlich model, which indicates a
heterogeneous surface. The fixed bed results showed values of 40.63% removal efficiency and 71.38% of column saturation.
Therefore, the sugarcane bagasse showed good adsorption capacity for the dye Remazol Vermelho.
Keywords
: Adsorption. Biomass. Synthetic dye.
Recebido para publicação em 10 de Agosto de 2021. Aceito para publicação 27 de dezembro de 2021.
e-ISSN: 2447-6218 /
ISSN: 2447-6218. Atribuição CC BY.
CADERNO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS
Agrarian Sciences Journal
2
Pinto, V. L. et al.
Introdução
Os corantes sintéticos são utilizados em muitos
setores, mas principalmente na indústria têxtil (Guaratini e
Zanoni, 2000). Por serem tão difundidos, existem cerca de
10.000 tipos de corantes e pigmentos, em um consumo
anual
de 7,0. 105 de toneladas no mundo, sendo 26.500 toneladas
no Brasil (Kunz et al, 2002; Catanho, Malpas- sa e Motheo,
2006), onde o Remazol Vermelho (Figura 1) é um exemplo
de corante sintético relevante nesse contexto (Costa e
Paranhos, 2019). O intenso consumo desses produtos afeta
diretamente o meio ambiente, principalmente quando o
despejo dos efluentes têxteis é realizado inadequadamente,
visto que essas substâncias
são tóxicas às muitas espécies da
biota aquática e causam
riscos à saúde da população humana,
sendo, portanto, conhecidas como contaminantes
emergentes. Por isso, a legislação brasileira estabelece que a
presença de co- rantes advindos de fontes antrópicas deve
constar como virtualmente ausente nos recursos hídricos
(Montagner, Vidal e Acayaba, 2017).
2002, Rauf, Marzouki e Körbahti, 2008). Porém, estudos
apontam que a adsorção é uma técnica versátil, eficiente e
barata, principalmente quando se é possível utilizar
materiais alternativos, como resíduos agroindustriais, por
exemplo, o bagaço da cana-de-açúcar (Kunz et al.,
2002;
Gupta e Ali, 2000). A cana-de-açúcar é um produto
agroindustrial bem popular e o Brasil é o país que mais a
produz no mundo. É estimado que para cada tonelada de
cana-de-açúcar, geram-se 280 quilogramas de bagaço
(Battistelle, Marcilio e Lahr, 2009; Cerqueira et al., 2010)
e
esse resíduo é utilizado, principalmente, na geração de
energia, porém ele tem se tornado um material pro- missor
na remoção de contaminantes, via processo de
adsorção
(Seixas, Gimenes e Fernandes-Machado, 2016;
Nascimento et
al., 2014).
Considerando os impactos ambientais que co-
rantes sintéticos causam em recursos hídricos e para
contribuir com o valor agregado de resíduos agroindus-
triais, o objetivo deste trabalho foi avaliar a viabilidade do
uso do bagaço de cana in natura para a remoção do Remazol
Vermelho, via processo de adsorção.
Métodos físico-químicos de tratamentos de efluen- tes
são convencionais, mas pouco rentáveis, pois envolvem
processos onerosos e demorados (Rao, Parwate e Bhole,
Materiais e métodos
Figura 1
– Estrutura do corante Remazol Vermelho RB
Os ensaios foram realizados no Instituto Federal
do
Paraná, Jacarezinho entre os anos 2018 e 2019. Fo- ram
preparados soluções-estoque de 5,49 x 10-5 mol L-1 a partir
do corante com grau analítico, utilizando-se de água
deionizada. Os testes de adsorção foram realizados
em
batelada e em leito fixo em condições ambientes. Para
tanto, as
soluções-estoques foram diluídas na proporção 1:5, com
ajuste de pH em 2,00 e 8,00 para o Remazol Vermelho RB
(RV), por adição de ácido clorídrico (HCl)
0,1 mol L
-1
ou 6
mol L
-1
, para ajuste do pH 2,00, e hidróxido
de sódio (NaOH)
0,1 mol L-1, para ajuste do pH 8,00. As concentrações do
corante sintético foram determinadas por meio da calibração
externa, com cinco pontos nas
seguintes proporções de
corante e água deionizada: 1, 1:2, 1:3, 1:4 e 1:6. Posteriormente,
as soluções nas proporções
citadas foram lidas em cubetas de vidro de 1 cm, por um
espectrofotômetro UV-VIS da marca BEL SPECTRO S-200
(Jacarezinho, PR, Brasil), com comprimento de onda de 518
nm.
Preparação do biossorvente
O bagaço de cana, cedido pela empresa Da- calda
de Jacarezinho, PR, foi previamente limpo com água
deionizada a 25°C, posteriormente, cortado com 1 cm de
comprimento e seco em estufa de secagem com circulação
forçada de ar a 60°C por 48 horas. Em segui- da, o material
in natura foi triturado e peneirado com aparelhos
convencionais e armazenado em embalagens secas e
fechadas.
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Uso do bagaço de cana-de-açúcar
in natura
para remoção do corante Remazol Vermelho
Determinação do ponto de carga zero (PCZ) do bios-
sorvente.
4 cm-1 e 16 varreduras nas faixas de 400 a 4000 cm-1 de
comprimento.
O PCZ é o valor de pH em que a carga líquida na
superfície do biossorvente é neutra. Neste trabalho, seguiu-
-se a metodologia dos 11 pontos que consiste na avaliação
do
perfil estacionário em determinada faixa de pH após
um
determinado tempo, pela relação do pH inicial e final (Mimura
et al., 2010; Hao et al., 2004). Foi utilizado um pHmetro da
marca BEL PHS3BW (Jacarezinho, PR, Brasil), devidamente
calibrado. Pesou-se 0,0500 g do biossorvente
seco e triturado
em um Erlenmeyer de 250 mL, adicio-
nando-se 100 mL de
água deionizada, ajustando-se o pH
de 2,00 a 12,00 por meio
de HCl e NaOH de 0,1 mol L-1
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
As imagens do material foram obtidas por um
Microscópio Eletrônico de Varredura, Philips Quanta 200
(FEI) SEM, equipado com energia dispersiva raio-X (EDX),
modelo INCA 200 a 30 keV (Londrina, Paraná, Brasil), no
laboratório de microanálise da Universidade Estadual de
Londrina (UEL). As amostras foram fixadas em “stubs” com
fita adesiva de carbono e, em seguida, revestidas com uma
camada de ouro com espessura de 30 nm. Foram realizadas
micrografias das amostras, juntamente com a análise
elementar por espectroscopia de energia dispersiva.
.
O teste foi realizado em duplicata e submetido à agitação
constante por 24 horas em 180 rpm, de acordo com base em
experimentos preliminares. Após o tempo de agitação,
as
amostras foram lidas para obter o valor do pH final. A
diferença dos valores gerou uma resposta gráfica, com o
auxílio do software OriginPro 5,0 (Jacarezinho, Paraná,
Brasil) e do Excel 2010 (Jacarezinho, Paraná, Brasil), cujo
Planejamento
fatorial
A otimização dos testes de adsorção foi realizada
por
meio de um planejamento fatorial 2², variando a quantidade
do biossorvente e o pH, e as respostas foram avaliadas por
meio do software Statistica 6.0 (Jacarezi- nho, Londrina,
Brasil). Esse planejamento foi desenvol- vido utilizando-se
50 mL da solução de corante diluída em frascos
Erlenmeyers de 250 mL nos níveis mínimos 0,050 g em pH
2,00 e máximo 0,250 g em pH 6,00 para o remazol vermelho,
assim como consta na Tabela 1. As amostras foram
submetidas à agitação constante de 180
rpm, em um sistema
de batelada, a temperatura ambiente
e por 2 horas. O
sobrenadante da solução foi lido em espectrofotometria e os
resultados foram expressos em corante adsorvido pela
massa do biossorvente (mg g-1) (Barros, et al., 2010)
ponto constante correspondeu ao pH .
PCZ
Análise de Espectroscopia de Infravermelho por
Transformada em Fourier (FTIR)
As análises de Espectroscopia de Infravermelho
por
Transformada em Fourier e Microscopia Eletrônica de
Varredura foram realizadas no departamento de química
da
Universidade Estadual de Londrina (UEL).
Os espectros gerados na FTIR foram obtidos pelo
espectrômetro da marca Bruker, modelo Vertex 70
(Londrina, Paraná, Brasil), com a resolução espectral de
Tabela 1 – Níveis codificados e valores reais das variáveis massa do biossorvente e pH para o planejamento fatorial 2² aplicados
na resposta da absorção do corante RV
Níveis codificados
Valores Reais
x
1
-1
+1
-1
+1
x
2
-1
-1
+1
+1
Massa do biossorvente (g)
0,05
0,250
0,05
0,250
pH
2,0
2,0
6,0
6,0
x1 e x2 representam as variáveis massa do biossorvente e pH, respectivamente. Experimento realizado a temperatura ambiente a
180 rpm e em duplicata.
Fonte: Elaborado pelos autores, 2021.
Efeito do pH na adsorção
Estudo cinético
Para estudar a influência do pH no processo de
adsorção de corante, foram realizados experimentos com
a
adição da solução de corante na concentração 1,098 x 10-5
mol L-1 e 0,100 g do biossorvente em Erlenmeyers de 250 mL,
nos valores de pH, 2,00, 3,00, 4,00, 5,00, 6,00, 7,00 e 8,00.
Cada teste de adsorção, que representa um valor de pH, foi
realizado em duplicata.
O estudo cinético foi realizado com a adição de
50
mL da solução de corante na concentração 1,098 x 10
-5
mol L
-1
e
0,200 g do biossorvente em Erlenmeyers de 250
mL, com o
pH ajustado em 2,0. A agitação foi mantida em 180 rpm, a
temperatura ambiente, em sistema de
batelada. Foram
coletadas alíquotas nos tempos de 1,00,
2,00, 3,00, 4,00,
8,00, 16,00, 30,00, 60,00, e 120,00
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Pinto, V. L. et al.
minutos. As amostras foram lidas em espectrofotometria. Os
modelos ajustados aos resultados seguiram de acordo
com a
literatura (Moussavi e Khosravi, 2010; Anizelli et al., 2015).
Onde KF é a constante de capacidade de adsor- ção
de Freundlich (mg1-(1/n) (g-1) L1/n); 1/n é a constante
relacionada à heterogeneidade da superfície, (Eq. 5).
Adsorção em leito fixo
Pseudo-primeira ordem:
Para o estudo de adsorção em leito fixo foi utili-
zada uma coluna convencional com empacotamento de 2,3
cm do biossorvente em uma coluna de 19,5 cm e 1,4 cm de
diâmetro, submetido a um escoamento vertical, descendente
e contínuo da solução do corante Remazol
Vermelho a 1,098.
10
-5
mol L
-1
em pH 2,00 até a saturação máxima do leito fixo.
Alíquotas da solução RV foram lidas
em espectrofotometria a
518 nm quando se aferiam 4 mL da solução de saída, com
auxílio de uma proveta.
(Eq. 1)
Onde qe1 é capacidade de adsorção na condição de equi-
líbrio (mg g-1); qt é a capacidade de adsorção no tempo t (mg
g-1); t é o tempo de equilíbrio (min); k1 é a constante da taxa de
adsorção do pseudo-primeira ordem (min-1), (Eq. 1).
Pseudo-segunda ordem:
Desta forma, foi possível construir uma curva de
adsorção de leito fixo para que se obtenha: o tempo útil (Eq.
6) que é o tempo em que se tem a capacidade utilizável do
leito, compreendendo desde o tempo zero da operação até o
ponto de ruptura do gráfico, o tempo total (Eq. 7) que é
conhecido como o tempo de exaustão do bagaço de cana,
cuja razão da concentração de saí- da pela concentração de
entrada da coluna tende a ser um, a eficiência do leito na
remoção do corante (Eq. 8) que é calculada como o valor
percentual da remoção do contaminante após a solução ser
retirada pela coluna, a zona de transferência de massa
(ZTM) (Eq. 9) que é
classificada como a parte onde ocorre
maior adsorção do corante ao bagaço em um determinado
tempo, expressada no comportamento típico de uma curva de
ruptura e, por
fim, a capacidade máxima de adsorção do leito
(Eq. 10)
que compreende a quantidade máxima do
contaminante adsorvido em todo o processo de tratamento
(Nascimento
et al., 2014, Araujo et al., 2013; Geankopolis,
1993).
(Eq. 2)
Onde k2 é a constante da taxa de adsorção do pseudo-
-segunda ordem (g mg-1 min-1); qe2 é a capacidade de
adsorção na condição de equilíbrio (mg g-1), (Eq. 2).
Difusão Intrapartícula:
(Eq. 3)
Onde K é o coeficiente de difusão intrapartícula (mg g-1
d
min ); C é a constante relacionada com a resistência à
-0,5
difusão (mg g-1), (Eq. 3).
Isotermas de adsorção
Para os testes de isoterma, foram pesados 0,025,
0,050, 0,100, 0,150 e 0,200 g do biossorvente subme- tidos
à mesma condição descrita no estudo cinético. Os modelos
ajustados seguiram de acordo com a literatura
(Moussavi e
Khosravi, 2010; Pereira et al., 2019; Anizelli
et al., 2015).
tu =
(Eq. 6)
Onde t é o tempo útil (min), tb é o tempo de ruptura,
u
cuja concentração da solução de saída é próximo à 5% da
concentração inicial (min); C é a concentração da solução
de
saída no tempo tb (mol L-1); Co é a concentração da solução
de entrada (mol L-1).
Isoterma de Langmuir:
(Eq. 4)
tt =
(Eq.7)
Onde C é a concentração do adsorbato em so-
e
lução, no equilíbrio (mg L-1); qe é a quantidade de soluto
adsorvido no equilíbrio (mg g-1); qmax é a capacidade
máxima de adsorção (mg g-1); b é a energia de adsorção ( mg-
1 L), (Eq. 4).
Onde t é o tempo total (min), C é a concentração da
t
solução de saída do tempo t (mol L-1); A1 de integração é a
área representada pelo tempo 0 a tb e A2 é a área de
integração representada pelo tempo tb ao tempo final do
experimento.
Isoterma de Freundlich:
(Eq. 8)
(Eq. 5)
Onde ∅leito (%) é o valor percentual de eficiência de
remoção do soluto.
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Uso do bagaço de cana-de-açúcar
in natura
para remoção do corante Remazol Vermelho
Resultados e discussões
(Eq. 9)
Determinação do ponto de carga zero (PCZ) do bios-
sorvente.
Onde ZTM é a zona de transferência de massa (cm); H
t
é a altura total do leito (cm); Hu é a altura útil do leito
(cm) dado pela razão de tu/tt multiplicado por Ht.
Existem mecanismos de adsorção que são desco-
nhecidos. Entretanto, sabe-se que a superfície do mate- rial
adsorvente tem uma grande contribuição, seja pela captura
de espécies aniônicas ou catiônicas em meio
aquoso, via
processo de adsorção física ou química (Shen
et al., 2004;
Nascimento et al., 2014). Essas superfícies apresentam
vários sítios de ativos que são modificados quando é
variado o pH, favorecendo ou não a remoção
do
contaminante (Nascimento et al., 2014; Sekar, Sakthi e
Rengaraj, 2004). Portanto, o comportamento ácido-básico
da
superfície do bagaço de cana-de-açucar, determinado pela
análise de PCZ, pode ser visualizado na Figura 2.
(Eq. 10)
Onde qu é a capacidade máxima de adsorção do leito
(mg g-1); Q é a vazão (cm3 min-1); Co é o valor da
concentração de entrada (mg L-1); m é a massa do ad-
sorvente no leito (g); ts é o tempo total do experimento
(min).
Figura 2 – Curva de PCZ do bagaço de cana-de-açúcar determinado pelo método dos onze pontos, variando o pH inicial
de 2 a 12.
Onde, no eixo x, tempo tem-se os valores de pH inicial e no eixo y, os valores de pH final. Massa do biossorvente = 0,1000 g,
agitação constante de 180 rpm por 24 horas em temperatura ambiente.
Fonte: Elaborado pelos autores, 2021.
O perfil estacionário no pH igual a 6,00 caracteriza
a
região tampão do biossorvente, indicando o seu PCZ.
Soluções com valores de pH abaixo do PCZ promoverá a
formação de cargas superficiais líquidas positivas no bagaço de
cana, predominantemente pela presença do excesso de íons
hidrônios. Enquanto valores acima, a superfície apre-
sentará
predominância de cargas negativas pelo excesso de íons
hidroxilas (Mimura et al., 2010). Nesse sentido,
a adsorção
do RV, corante aniônico, ocorre em regiões de
pH abaixo do
PCZ (Souza, Antunes e Conceição, 2013).
comportamento gráfico, cujo valor de pH 2,00 também foi
o de
maior adsorção, corroborando com os dados apre- sentados
(Rocha et al., 2012; Longhinotti et al., 1996).
Espectroscopia de Infravermelho por Transformada
em
Fourier (FTIR)
A biomassa, como o bagaço da cana-de-açúcar, é
basicamente matéria orgânica que contêm como prin- cipais
elementos o carbono, oxigênio e hidrogênio. Por meio da
análise do espectro na região do infravermelho foi possível
verificar como estes elementos estão ligados
e quais os grupos
funcionais estão presentes na estrutura
da biomassa. A Figura
4 apresenta o espectro do bagaço de cana (BC), na qual se
observa, principalmente, o es- tiramento da ligação O-H, em
3340 cm-1 característico de hidroxilas de fenóis, ácidos
carboxílicos e álcoois atri- buídas a celulose e lignina do
bagaço. Também pode ser observado o estiramento da
ligação C-H, em 2900 cm-1,
estiramento da ligação C=O, em
1728 cm
-1
, característicos
A variação da quantidade de corante adsorvido
pela
massa do biossorvente, expressa em mg g
-1
(q
e
) pelo
pH pode
ser observado na Figura 3. Nota-se que o valor de qe diminuiu
para o RV à medida que o pH aumentou. A quantidade
máxima de corante RV adsorvido corres-
pondeu ao pH 2,00
com 2,08 mg g
-1
de corante adsorvido
por bagaço de cana.
Estudos do efeito do pH no processo de adsorção em
biossorvente encontrados na literatura para outro tipo de
corante azo apresentaram o mesmo
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Pinto, V. L. et al.
de grupos carbonilados como ácido carboxílico e cetona da
hemicelulose existentes na lignina, estiramento da ligação
C=C, em 1602 cm-1, devido a anéis aromáticos
presentes no
material. Outras bandas observadas são em
1244 cm-1, característicos do estiramento C-C, em 1032
cm
-1
,
característicos do estiramento C-O e em 833, devido
a
deformação angular do grupo CH2 (Vieira et al., 2011; Lopes
e Fascio, 2004).
Figura 3 – Avaliação do efeito do pH na capacidade adsortiva (qe) do bagaço de cana para a remoção do contaminante.
Onde, no eixo x, tempo tem-se os valores de pH e no eixo y, qe (mg g-1) a quantidade de corante adsorvido, em mg, por grama
de material, no equilíbrio. Concentração inicial do corante Remazol Vermelho: 1,098x10-5 mol L-1, massa do biossorvente =
0,1000 g e agitação constante de 180 rpm em temperatura ambiente.
Fonte: Elaborado pelos autores, 2021.
Figura 4 – Espectro de infravermelho por Transformada em Fourier do bagaço de cana-de-açúcar
Onde, no eixo x, tempo tem-se o número de onda da radiação, em cm-1, e no eixo y, a porcentagem de transmitância.
Fonte: Elaborado pelos autores, 2021.
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Planejamento
fatorial
De acordo com a IUPAC (International Union of
Pure and Applied Chemistry) os poros podem ser classi-
ficados em macroporo (> 500 Å), mesoporo (200 – 500 Å) ou
microporo (< 200 Å). A partir da avaliação da micrografia
do MEV (Figura 5), o bagaço de cana é clas-
sificado como
misto, pois apresentou poros meso e macro
com diâmetro de
336.000 a 777.200 Å. Não foi possível
afirmar se houve
alterações significativas nos poros após o fenômeno de
adsorção, tendo em vista que a superfície do material é
bastante irregular e porosa (Nascimento et
al. 2014;
Rouquerol et al., 1994).
Pelo planejamento fatorial 2² foi possível verifi- car
a influência dos parâmetros estudados (pH e massa do
biossorvente) no processo de adsorção, avaliado a
partir da
resposta obtida por espectrofotometria, ou seja,
da massa dos
corantes adsorvidos em miligramas pela
massa do resíduo de
cana em gramas. A Figura 6 contém
as superfícies de resposta
e os gráficos de Pareto que trazem informações a respeito do
modelo estatístico que representa cada um dos corantes.
Cad. Ciênc. Agrá., v. 13, p. 01–11, DOI: https://doi.org/10.35699/2447-6218.2021.35603
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Uso do bagaço de cana-de-açúcar
in natura
para remoção do corante Remazol Vermelho
Figura 5 – Micrografia da superfície do Bagaço de cana-de-açúcar (BC) gerada pela Microscopia Eletrônica de Varredura
Resolução aumentada em 200 vezes.
Fonte: Elaborado pelos autores, 2021.
Para os dados avaliados, o Gráfico de Pareto (Fi-
gura 6b) indicaram que o pH e a massa do biossorvente são
variáveis significativas para o processo de adsorção.
Pode-se
observar também que há uma dependência entre as duas
variáveis no modelo estudado. Já se observando a variável
massa nas Figuras 6a e 6b, tendo-se t= -97,0639,
esse valor
negativo indica que há possibilidade de au- mentar a
adsorção, mesmo trabalhando-se com massas reduzidas,
desde que o pH seja alcalino.
Analisando-se o gráfico de Pareto (Figura 6b), que
representa o modelo criado para os dados obtidos da
adsorção do RV, temos t= -25,6011 para a massa e t= -
11,1564 para o pH, sendo ambos valores negativos,
podemos
concluir que as duas variáveis são inversamente proporcionais
ao processo de adsorção para esse corante. Sendo assim, pode-
se trabalhar com massa de biossorvente
reduzida, desde que o
pH esteja em valores mais baixos,
ou seja, na região ácida,
parâmetros que são comprovados
observando-se a superfície
de resposta do RV.
Figura 6 – Superfície de resposta da eficiência de adsorção expressa em mg de corante por g do biossorvente em função das
variáveis pH e massa do biossorvente (a); e Gráfico de Pareto (b)
Fonte: Elaborado pelos autores, 2021.
Estudo cinético
O comportamento cinético de adsorção do corante RV no adsorvente pode ser visualizado Figura 7.
Cad. Ciênc. Agrá., v. 13, p. 01–11, DOI: https://doi.org/10.35699/2447-6218.2021.35603
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Pinto, V. L. et al.
Figura 7 – Gráfico de qe em função do tempo no estudo cinético de adsorção
Onde, no eixo x, tempo tem-se o tempo de adsorção em minutos e no eixo y, qe (mg g-1) a quantidade de corante ad- sorvido,
em mg, por grama de material, no equilíbrio. Concentração inicial do corante Remazol Vermelho: 1,098x10-5 mol L-1, pH 2,00,
massa do biossorvente = 0,2000 g e agitação constante de 180 rpm em temperatura ambiente.
Fonte: Elaborado pelos autores, 2021.
A adsorção ocorreu rapidamente durante 30
minutos para o RV atingindo o equilíbrio no sistema com
adsorção máxima de 0,830 ± 0,006 mg g
-1
(72,44%) para o
corante estudado. A partir dos dados experimentais, os
modelos cinéticos foram aplicados e validados comparan-
do-se os coeficientes de correlação (Ho e Mckay, 2000;
Somorjai e li, 2010). As equações das curvas lineares
geradas para cada modelo, bem como seus respectivos
coeficientes estão expressos na Tabela 2.
Tabela 2 – Coeficientes de regressões lineares dos modelos cinéticos de adsorção empregados para o tratamento do Remazol
Vermelho sobre o biossorvente bagaço de cana-de-açúcar e os parâmetros do modelo com melhor ajuste
Modelo
Coeficiente de regressão (R²)
Pseudo-primeira ordem
Pseudo-segunda ordem
Difusão intrapartícula
0,5649
0,9997
0,4593
Parâmetros
k (mg-1 min-1)
q
e2(calc)
(mg g
-1
)
qe(exp) (mg g-1)
Remazol Vermelho
Fonte: Elaborado pelos autores, 2021.
0,359
1,978
1,908
Os estudos cinéticos apontaram que a equação de
pseudo-segunda ordem (Tabela 2) apresentou os me-
lhores
valores ajustados a partir dos dados experimentais
e, portanto,
a adsorção ocorreu predominantemente por interações
químicas. O mecanismo da velocidade de adsorção dos
corantes dependeu das suas concentra- ções adsorvidas na
superfície do bagaço e adsorvidas no
equilíbrio (Moussavi e
Khosravi, 2010; Somsesta, Sricha-
roenchaikul e Aht-Ong,
2020). Além disso, os valores de qe calculados (qe2(calc))
corroboram com os apresentados experimentalmente
(qe(exp)), visto que estão numerica- mente próximos. Outro
aspecto relevante é que apesar do material possuir poros
meso e macro, não ocorreu a difusão intrapartícula para
para o remazaol vermelho,
provavelmente pelo elevado tamanho da molécula do
corante. Portanto, o estudo cinético indica que a etapa
determinante na velocidade de adsorção não é a difusão
intrapartícula.
Isoterma de adsorção
O modelo que melhor se ajustou para representar
o
comportamento de adsorção dos corantes foi de Fre-
undlich, com R² igual a 0,990, enquanto os coeficientes de
correlação obtidos pelo modelo de Langmuir foi de
0,898
para o RV. A Figura 8 expressa o gráfico da linea-
rização do
modelo melhor ajustado ao corante sintético estudado.
Cad. Ciênc. Agrá., v. 13, p. 01–11, DOI: https://doi.org/10.35699/2447-6218.2021.35603
9
Uso do bagaço de cana-de-açúcar
in natura
para remoção do corante Remazol Vermelho
A isoterma de Freundlich prediz que o processo
de
remoção não se restringe à formação da monocamada
do
biossorvente, bem como o sistema possui sítios ativos
heterogêneos de energia, devido a uma diversidade de sítios
de adsorção na superfície do material. Além disso,
existe
interação entre as moléculas dos corantes adsorvi-
dos. O
valor da constante de capacidade de adsorção KF
foi de 1,024 mg g-1(L.mg-1)1/n e como esse valor é maior
que
1,00, o modelo indica que existe uma afinidade entre
o corante
e o bagaço de cana. Outro aspecto relevante é o valor de 1/n
foi de 0,770 o que sugere, segundo o modelo de Freundlich,
uma adsorção favorável, pois es- tão entre 0 e 1 (Seixas,
Gimenes e Fernandes-Machado, 2016; Somorjai e Li, 2010).
Figura 8 – Gráfico de lnqe em função de lnCe, representando a linearização da isoterma de Freundlich.
Onde, no eixo x, Ce é a concentração do adsorbato em solução, no equilíbrio (mg L-1) e no eixo y, qe a quantidade de corante
adsorvido, em mg, por grama de material (mg g-1), no equilíbrio. Concentração inicial do corante Remazol Vermelho:
1,098x10-5 mol L-1, pH 2,00, massa do biossorvente = 0,2000 g e agitação constante de 180 rpm em tem- peratura ambiente.
Fonte: Elaborado pelos autores, 2021.
Avaliações de processos de adsorção encontrados
na
literatura para a remediação do RV utilizam zeólita de
carvão (Magdalena, Fungaro e Cunico, 2011), cinzas da
casca de arroz (Costa e Paranhos, 2019) e Mesocar- po do
coco verde (Monteiro et al., 2017) apresentando percentuais
de remoção de 75 a 91 %, 91 % e 80 %, respectivamente do
contaminante, enquanto resíduo de canola (Balarak et al.,
2015), casca do café (Oliveira et al., 2008) e polpa de
beterraba (Vučrović, Razmovski e Tekic, 2012) foram os
biossorvente aplicados para o
tratamento do Azul de
Metileno com valores de remoção
iguais a 97 %, 96 % e 92
%, respectivamente. Todos os modelos cinéticos ajustaram-
se ao pseudo segunda or-
dem. Os valores de remoção do
bagaço de cana in natura
apresentado por esse trabalho estão
próximos aos dados
obtidos pela literatura, sendo um material
de baixo custo
útil para a descontaminação desses tipos de
corantes.
do leito, visto que o percentual de C/Co foi de 71,38 e os
tempos úteis e totais calculados para o RV foram 20,18 min
e 49,66 min.
A região que compreende o tempo de quebra até o
tempo de exaustão do leito é chamada de Zona de
Transferência de Massa (ZTM), fase cujo processo de
adsorção ocorre majoritariamente. Seu comprimento e
forma indicam o desempenho da operação. Normalmente,
quanto mais aberto é o formato da curva maior é a resis-
tência da transferência de massa do corante ao bagaço,
portanto, menor é a eficiência de remoção. Logo, a idea-
lidade se aproxima à medida que a ZTM se parece mais com
formato de um degrau (Nascimento et al., 2014). Os valores
de ZTM foi de 1,36 cm com comprimento do leito de 2,3 cm.
Os percentuais de eficiência de 40,63% na remoção do
corante pelo leito corroboram com os valores apresentados
pela ZTM. Outro dado importante obtido no estudo de leito
fixo é a capacidade máxima de adsorção do leito, expressa em
mg g-1, de 1,95 para o RV.
Estudo em leito fixo
Recomenda-se que o ponto de quebra da curva
de
adsorção do leito fixo seja estabelecido quando a con-
centração do corante efluente à coluna é de 5%. Neste
trabalho, observaram-se valores de 6,31% no tempo de
quebra igual a 21,55 minutos para o corante estudado
(Figura 9). Não foi possível perceber a completa saturação
Conclusão
O bagaço de cana-de-açúcar utilizado in natura demons- trou
ser um ótimo material adsorvente para tratamento de efluentes,
provenientes de indústrias têxteis, que contêm
Cad. Ciênc. Agrá., v. 13, p. 01–11, DOI: https://doi.org/10.35699/2447-6218.2021.35603
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Pinto, V. L. et al.
o corante sintético remazol vermelho, considerando o seu
baixo
custo de obtenção e bom rendimento de remoção por meio
do processo de adsorção.
da solução foi de 72,44% com 30 minutos de operação, o que
também viabiliza a utilização o material para des-
contaminação de efluentes de indústrias têxteis, devido ao
baixo tempo para atingir o equilíbrio de adsorção. Outro
aspecto relevante é que o modelo ajustado, de pseudo-
segundo ordem, sugere que as interações entre o corante e o
bagaço de cana-de-açúcar são fortes e de caráter químico, o
que dificulta uma posterior desor- ção. O estudo das
isotermas de adsorção indicou que o melhor ajuste ocorreu
pelo modelo de Freundlich, que sugere que a interação da
superfície do bagaço de cana-
-de-açúcar com o corante ocorre em multicamadas. Os
estudos em leito fixo apresentaram remoção de 40,63% até a
saturação do leito, com 1,95 mg g-1 de capacidade máxima
de adsorção.
Foi possível observar, pelos tratamentos estatísticos, que
ambas as variáveis estudadas no processo de adsorção, isto
é, pH e massa do biossorvente, foram significativas para
esse processo, entretanto, o pH apresentou maior influência,
sendo 2,00 o melhor ajuste. Esse resultado corrobora com o
estudo do efeito do pH, no qual foi observado que a
adsorção decresce com o aumento da basicidade do meio.
O mecanismo de adsorção foi estudado através do estudo
cinético, e foi observado que o percentual de descoloração
Figura 9 – Estudo em leito fixo para a adsorção de uma solução de Remazol Vermelho com concentração de 1,098x10-5 mol L-1,
ajustado em pH 2,0 e empacotamento de 0,3935 g
Onde C/C
0
representam, a relação de concentração final e inicial, em mol L
-1
, respectivamente. Diâmetro da coluna (cm):
1,4,
comprimento do leito (cm): 2,3, comprimento da coluna (cm): 19,5, massa do adsorvente no leito (g): 0,3935, área total da
coluna (cm²) 88,80, volume da coluna vazia (cm³): 30,00, densidade aparente (g cm-3): 0,08, vazão (cm-3 mim-1): 2,41 mLmin-1,
volume da solução tratada (L): 0,224 e tempo de operação (min): 92,82.
Fonte: Elaborado pelos autores, 2021.
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