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.

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%.