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Title: Uso de éster misto de bagaço de cana na remoção de Co2+ e Ni2+ de soluções aquosas em batelada e em coluna de leito fixo.
Authors: Almeida, Francine Tatiane Rezende de
metadata.dc.contributor.advisor: Gil, Laurent Frédéric
Gurgel, Leandro Vinícius Alves
Keywords: Bagaço de cana - reaproveitamento - sobras, refugos, etc.
Cobalto
Níquel
Adsorção
Issue Date: 2019
metadata.dc.contributor.referee: Gil, Laurent Frédéric
Gurgel, Leandro Vinícius Alves
Gil, Rossimiriam Pereira de Freitas
Xavier, Amália Luísa Pedrosa
Cardoso, Marcus Vinicius
Soares, Liliane Catone
Baeta, Bruno Eduardo Lobo
Citation: ALMEIDA, Francine Tatiane Rezende de. Uso de éster misto de bagaço de cana na remoção de Co2+ e Ni2+ de soluções aquosas em batelada e em coluna de leito fixo. 190 f. 2019. Tese (Doutorado em Engenharia Ambiental) - Núcleo de Pesquisas e Pós-Graduação em Recursos Hídricos, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2019.
Abstract: Neste trabalho foi preparado um novo material derivado do bagaço da cana-de-açúcar. Esse material foi aplicado como adsorvente para a remoção de Co2+ e Ni2+ de soluções aquosas em sistemas mono e bicomponente em batelada e em coluna de leito fixo. O material (BST) foi preparado por meio da dupla esterificação do bagaço de cana com os anidridos succínico (AS) e trimelítico (AT) em uma reação de uma única etapa (one-pot). Realizou-se uma etapa de triagem para a síntese do BST, por meio de um planejamento experimental completo do tipo 23. As variáveis independentes investigadas foram tempo, temperatura e fração molar de AS (χAS). As respostas avaliadas foram capacidade de adsorção de Co2+ e Ni2+ (qCo2+ e qNi2+), ganho de massa (pgm) e quantidade total de funções ácido carboxílico introduzidas (nT,COOH). O material BST obtido a partir das melhores condições de síntese foi caracterizado por pgm, nT,COOH, análise elementar de C, H e N, espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier, análise termogravimétrica, ressonância magnética nuclear (RMN) de 13C no estado sólido, relaxometria por RMN, difração de raios-X (DRX), área superficial específica, distribuição de tamanho dos poros, microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) e pH do ponto de carga zero (pHPCZ). A melhor condição resultante do planejamento experimental (100ºC, 660 min e χAS de 0,2) produziu um material com pgm de 57,1%, nT,COOH de 4,48 mmol g-1 e qCo2+ e qNi2+ de 0,90 e 0,96 mmol g-1 , respectivamente. Os estudos de adsorção em batelada foram realizados em diferentes tempos de contato, valores de pH e concentrações iniciais das soluções contendo os íons metálicos. O modelo de Redlich-Peterson foi o que melhor se ajustou aos dados de equilíbrio para a adsorção monocomponente em batelada de ambos os íons e as capacidades máximas de adsorção (Qmax,est) estimadas por esse modelo foram 1,16 e 1,29 mmol g-1 para Co2+ e Ni2+ (pH 5,75, 25ºC), respectivamente. O modelo RAST (Real Adsorbed Solution Theory), implementado com o modelo de isoterma de Sips, foi o que melhor se ajustou aos dados de equilíbrio bicomponente em batelada para as proporções molares 1:1 e 2:1 (pH 5,75, 25ºC). Todos os modelos analisados (RAST-Sips e RAST-Langmuir) apresentaram falta de ajuste aos dados de equilíbrio bicomponente em batelada para a proporção molar 1:2. Realizou-se um estudo de dessorção monocomponente em batelada, obtendo-se valores de eficiências de dessorção e de readsorção próximos à 100%, possibilitando a recuperação dos íons metálicos e do adsorvente BST. Os valores de variação da entalpia padrão de adsorção (∆adsH) obtidos por titulação calorimétrica isotérmica (ITC) foram de 8,03 e 6,94 kJ mol- 1 para adsorção de Co2+ e Ni2+ , respectivamente. Foram realizados cinco ciclos sucessivos de adsorçãodessorção monocomponente em coluna de leito fixo, não ocorrendo redução significativa nos valores de Qmax,Co2+ e Qmax,Ni2+, resultando em elevadas eficiências de dessorção e readsorção em todos os ciclos. O modelo de Bohart-Adams foi o que melhor se ajustou aos dados da adsorção monocomponente em coluna de leito fixo para ambos os íons metálicos com Qmax,est igual à 0,95 e 1,02 mmol g-1 para adsorção de Co2+ e Ni2+, respectivamente. A adsorção bicomponente em coluna de leito fixo foi investigada por meio de um planejamento experimental de mistura. O Ni2+ apresentou maior afinidade pelos sítios de adsorção do BST. Os valores de Qmax,total foram próximos a 1,00 mmol g-1 em todos experimentos do planejamento de mistura. O modelamento das curvas de ruptura obtidas possibilitou afirmar que os mecanismos de convecção predominaram, com número de Péclet (Pe) >> 10 e, na maioria dos sistemas estudados, a resistência à difusão dentro das partículas foi maior que a transferência de massa no filme, com valores do número de Biot (Bi) maiores do que 30. Os experimentos para elucidação do mecanismo de adsorção dos íons Co2+ e Ni2+ no BST indicaram que a remoção desses íons ocorreu por meio da troca iônica. O estudo de adsorção em coluna de leito fixo a partir de uma solução sintética do processo hidrometalúrgico, mostrou que a capacidade de adsorção do Ni2+ (Qmax = 1,08 mmol g-1) (íon presente em maior concentração) manteve-se inalterada mesmo na presença dos outros íons, além de ter sido obtida uma eficiência de remoção dos íons Co2+, Cu2+, Mg2+ e Mn2+ acima de 56%.
metadata.dc.description.abstracten: In this study, a new material derived from sugarcane bagasse was prepared. This material was use as adsorbent for removal of Co2+ and Ni2+ from aqueous solutions in mono and bicomponent systems in batch and fixed-bed column. The material (BST) was prepared by esterification of sugarcane bagasse with succinic (SA) and trimellitic (TA) anhydrides using a one-pot synthesis method. A 23 -factorial experimental design was used to investigate the synthesis conditions of BST. The independent variables evaluated were time, temperature, and mole fraction of AS (χAS). The responses evaluated were adsorption capacities of Co2+ and Ni2+ (qCo2+ and qNi2+), weight gain (wg), and number of carboxylic acid groups (nT,COOH) introduced. The BST synthesized from the best reaction conditions was characterized by wg, nT,COOH, Fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, 13C solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, NMR relaxometry, X-ray diffraction (XRD) spectroscopy, specific surface area, pore size distribution, scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive Xray (EDS) spectroscopy and pH of the point of zero charge (pHPCZ). The best reaction conditions obtained from the experimental design (100ºC, 660 min, χAS of 0.2) yielded a BST with wg of 57.1%, nT,COOH of 4.48 mmol g-1 and qCo2+ and qNi2+ of 0.90 and 0.96 mmol g-1, respectively. Batch adsorption studies were performed at different contact times, pH values and initial metal ion concentrations. The Redlich-Peterson model best fitted to the equilibrium data for monocomponent batch adsorption with maximum adsorption capacities (Qmax) estimated by this model of 1.16 and 1.29 mmol g- 1 for Co2+ and Ni2+, respectively. The Real Adsorbed Solution Theory (RAST) fed with Sips isotherm model best fitted to the equilibrium data for bicomponent batch adsorption for the molar ratios of 1:1 and 2:1 (pH 5.75, 25ºC). All models analyzed (RAST-Sips and RAST-Langmuir) presented lack of fit for bicomponent batch adsorption for the molar ratio of 1:2. A monocomponent batch desorption study was carried out, which showed that desorption and re-adsorption efficiencies were close to 100%. This can allow the recovery of both metal ions and BST adsorbent. The values of variation in standard enthalpy of adsorption (∆adsH) were obtained by isothermal titration calorimetry (ITC) and found to be 8.03 and 6.94 kJ mol-1 for Co2+ and Ni2+, respectively. Five successive monocomponent adsorption-desorption cycles in a fixed-bed column were performed. No significant decrease in Qmax,Co2+ and Qmax,Ni2+ values were observed, which was a consequence of the high desorption and re-adsorption efficiencies obtained in all cycles. The Bohart-Adams model best fitted to the monocomponent fixed-bed column adsorption data for both metal ions with Qmax,est values of 0.95 and 1.02 mmol g-1 for Co2 + and Ni2+ adsorption, respectively. Bicomponent fixed-bed column adsorption was investigated by a mixing experimental design. The Ni2+ showed higher affinity for BST adsorption sites than Co2+. The Qmax,total values were close to 1.00 mmol g-1 for all experiments. The modeling of the breakthrough curves allowed to conclude that the convection mechanisms predominated, with values of the Péclet number (Pe) >> 10 and, in the most of the studied systems, the diffusion resistance inside the particles was higher than the mass transfer through the film, with values of the Biot (Bi) number higher than 30. Experiments for elucidation of adsorption mechanism of Co2+ and Ni2+ ions on the BST indicated that the removal of these ions occurred by ion-exchange. The adsorption study in a fixed-bed column using a synthetic solution from the hydrometallurgical process showed that the adsorption capacity of Ni2+ (Qmax = 1.08 mmol g-1) (ion present in higher concentration) remained unchanged even in the presence of other ions, with a removal efficiency of Co2+, Cu2+, Mg2+ and Mn2+ ions higher than 56%.
Description: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Núcleo de Pesquisas e Pós-Graduação em Recursos Hídricos, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/13094
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 21/01/2019 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho, desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite o uso para fins comerciais nem a adaptação.
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