Adsorção de fármacos em carvão ativado : processo em batelada, leito fixo e modelagem das curvas de ruptura

Abstract

O presente trabalho estuda a remoção dos fármacos amoxicilina (AMX), diclofenaco sódico (DCF) e paracetamol (PAR) em solução aquosa pelos processos de adsorção em batelada e coluna de leito fixo utilizando o carvão ativado granulado (CAG) como adsorvente. Os experimentos foram realizados para cada fármaco de forma independente. Na adsorção em batelada foram avaliadas as influências do pH (2 – 10), concentração de adsorvente (5 – 20 g L-1) e tempo de contato (5 – 350 min). Foi realizada a investigação da cinética de adsorção e também do equilíbrio de adsorção através de isotermas nas temperaturas de 25, 35 e 45 ºC. A adsorção em leito fixo foi estudada através de planejamentos experimentais, onde foram avaliados os efeitos da concentração inicial do poluente (C0: 20 – 100 mg L-1), massa do leito (W: 0,5 – 1,5 g) e vazão (Q: 3 – 5 mL min-1) sobre o tempo de saturação (tsat) e a quantidade adsorvida (qsat). Os modelos de Thomas, Bohart-Adams e Yan, além de um modelo desenvolvido no software EMSO foram utilizados para análise das curvas de ruptura. O CAG utilizado apresentou área BET de 463 m² g-1 e maior volume de microporos, de 0,20 cm³ g-1. Os experimentos em batelada mostraram que o pH não teve influência significativa sobre a remoção dos três fármacos. O equilíbrio de adsorção da AMX e do DCF foi atingido após 150 min e do PAR após 180 min. O modelo de PSO foi o que melhor representou a cinética de adsorção dos três fármacos. A isoterma de Langmuir descreveu o equilíbrio da AMX a 25 e 35 ºC, e o modelo de Sips a 45 ºC. Já a adsorção do DCF foi representada pela isoterma de Freundlich e o PAR pela de Redlich-Peterson. O estudo termodinâmico indicou que a adsorção dos três fármacos foi espontânea e favorável, além de aumentar com o aumento da temperatura. Na adsorção em leito fixo, foi observado menores valores de tsat com o aumento de C0 e de Q e diminuição de W. Foi verificado que qsat aumentou com o aumento de C0 e diminuição da Q para o planejamento do PAR, onde essa variável foi significativa. Já o aumento de W aumentou qsat no planejamento do PAR e diminuiu nos casos da AMX e DCF. A AMX foi o poluente que apresentou os menores tempos de saturação, seguido do DCF e do PAR, na adsorção em leito fixo. Foi constatado que o modelo de Yan foi o que melhor reproduziu o comportamento das curvas de ruptura para os três fármacos, na comparação com os outros modelos analíticos e com o modelo numérico proposto no software EMSO. De forma geral, foi verificado que os processos de adsorção tanto em batelada quanto em leito fixo apresentam potencial de aplicação como alternativa de tratamento avançado de água e efluentes que contenham fármacos.

The present work studies the removal of amoxicillin (AMX), sodium diclofenac (DCF), and paracetamol (PAR) from water by adsorption onto granular activated carbon in batch process and fixed bed column. Batch adsorption experiments were performed to evaluate the influence of pH (2 – 10), adsorbent concentration (5 – 20 g L-1) and contact time (5 – 350 min). Pseudo-first order, pseudo-second order and intraparticle diffusion models were evaluated in the kinetics investigation. Equilibrium adsorption was investigated using Langmuir, Freundlich, Sips and Redlich-Peterson equations. Fixed bed adsorption was studied through experimental design to evaluate initial contaminant concentration (C0, 20 – 100 mg L-1), amount of adsorbent (W, 0.5 – 1.5 g) and feed flow rate (Q, 3 – 5 mL min-1) effects. The analytical models of Thomas, Bohart-Adams and Yan were selected to investigate the breakthrough curves behavior. In addition, a numerical model was developed and solved using EMSO software. The granular activated carbon (GAC) used had BET surface area of 463 m² g-1 and volume of 0.20 cm³ g-1 of micropores. The pH had no significant effect on the adsorption removal of the three drugs. Adsorption equilibrium of AMX and DCF was reached after 150 min and 180 min for PAR. Pseudo second order model best represented kinetic adsorption of the three compounds. At best conditions in batch process, adsorbent concentration was 12.5 g L-1 for AMX and DCF and 10 g L-1 for PAR. Langmuir isotherm best described AMX adsorption equilibrium at 25 and 35 ºC, and Sips model at 45 ºC. DCF and PAR adsorption followed the Freundlich isotherm and Redlich-Peterson model, respectively. Thermodynamic study indicated that the three drugs adsorption were spontaneous and favorable processes. In addition, adsorption increased at higher temperatures. In fixed bed adsorption experiments, saturation time (tsat) decreased with the increase of initial concentration and flow rate for both drugs. W had positive effect on tsat. The amount adsorbed (qsat) was enhanced at higher C0 and lower Q. qsat was higher at higher Q for AMX and DCF and lower Q for PAR adsorption. Yan model best reproduced breakthrough curves behavior for all drugs among the analytical models and the numerical model developed on EMSO software. Thus, adsorption processes in batch mode and fixed bed column showed to be effective for the removal of drugs of different therapeutic classes from water.