Síntese e caracterização de materiais carbonados ativados a partir de resíduos vegetais de castanha do Pará e serragem de madeira e sua utilização como adsorventes na remoção de contaminantes emergentes

Abstract

A presente tese investigou metodologias para o preparo de carvões ativados, usando como precursores carbonáceos os resíduos da Castanha do Para (Bertholletia excelsa) e da serragem do Sapelli (Entandrophragma cylindricum) bem como a aplicação desses carvões como adsorventes em efluentes contendo contaminantes de preocupação emergente. A tese é apresentada no formato de 3 artigos, já publicados em periódicos internacionais com classificação Capes A1 e B1. As metodologias de preparo dos carvões tiveram dois enfoques: i) a melhoria das propriedades texturais (área superficial e volume de poros); ii) atribuição de caraterísticas magnéticas sem perder potencialidade como adsorvente. Na primeira investigação usando os resíduos da Castanha do Pará (CCP) buscou-se entender o efeito da temperatura de pirolise na preparação do carvão ativado, sendo preparado pastas na proporção de 1:1 (CCP: ZnCl2) e a pirolise realizada nas temperaturas de 600°C e 700°C, denominados respectivamente CCP600 e CCP700. Na segunda investigação, também usando os resíduos da Castanha do Pará (CCP) a pesquisa focou os estudos na influência da quantidade de Cloreto de Zinco na preparação dos carvões, sendo produzido carvões na proporção 1:1 (CCP : ZnCl2) e na proporção 1:1.5 (CCP : ZnCl2), denominados respectivamente BNS1.0 e BNS1.5, ambos pirolisadas 600°C. Na terceira investigação a serragem de Sapelli foi usada como precursor dos carvões ativados e os estudos foram direcionados para o preparo de materiais magnéticos, onde apurou-se misturas de Sapelli com Cloreto de níquel (NiCl2) - ( 1:1), bem como a mistura Sapelli: Cloreto de Zinco (ZnCl2): Cloreto de Níquel (NiCl2) – (1:1:1), ambas as pastas foram pirolisadas a 700°C. Nesse estudo ainda se investigou duas formas de eliminação dos inorgânicos do carvão ativado, a lixiviação com ácido clorídrico (0.1M) sob refluxo e a lixiviação assistida por ultrassom (US- 15 min, 600 W), obtendo-se quatro compósitos: SNiAL, SNiUS, SNiZnAL, SNiZnUS. Todos os carvões foram caracterizados por análise elementar de CHN/O, a razão hidrofóbica/hidrofílica, FTIR, TGA, titulação modificada de Bohem, BET/BJH e para a última investigação caracterizou-se os carvões quanto a magnetização usando o VSM. Essas análises mostram que os adsorventes têm diferentes grupos polares, o que confere uma superfície hidrofílica. Quanto às propriedades texturais o CCP600 e CCP700 apresentaram área superficial e volume total de poros de 1457 m2. g-1 e 0.275 cm3.g-1 e 1419 m2.g-1 e 0.285 cm3.g-1 respectivamente, o BNS 1:0 e o BNS 1:1,5 apresentaram 1457 m2.g-1 e 0.5486 cm3.g-1; 1640 m2. g-1 e 0.7947 cm3. g-1; enquanto SNiAL, SNiUS, SNiZnAL, SNiZnUS apresentaram área superficial e volume total de poros de 384 m2.g-1 e 0,136 cm3.g-1; 396 m2.g-1 e 0,147 cm3 g-1; 1628 m2.g-1 e 0,660 cm3 g-1; 1212 m2.g-1 e 0,497 cm3.g-1, respectivamente. No que tange ao magnetismo os carvões ativados atingiram saturação de magnetização (Ms) de 6.86 (emu/g) para SNiZnAL; 10.81 (emu/g) para SNiZnUS; 15.00 (emu/g) para SNiAL e 12.59 (emu/g) para SNiUS. As metodologias propostas possibilitaram inferir que variação de 100°C na pirólise dos precursores não causou modificações significativas nas propriedades texturais dos carvões bem como possibilitou validar que o cloreto de zinco favorece o incremento das propriedades texturais, ademais foi possível identificar que o processo de lixiviação via ultrassom pode ser usado a favor da manutenção das propriedades magnéticas do carvão. Os ensaios de adsorção possibilitaram atestar a eficiência dos carvões produzidos como adsorvente de contaminantes emergentes de diferentes classes.

The thesis investigated methodologies for preparing activated carbons, using the residues of Brazil Nut (Bertholletia excelsa) and Sapelli sawdust (Entandrophragma cylindricum) as carbon precursors. The application of these carbon materials as adsorbents for treating effluents containing contaminants of emerging concern. The thesis is presented in the format of 3 papers already published in international journals with CAPES classifications A1 and B1. The preparation methodologies of carbons had two approaches: i) the improvement of textural properties (surface area and pore volume); ii) attribution of magnetic characteristics without losing the potentiality of being utilized as adsorbent. In the first investigation using the residues of Brazil Nut (CCP) we sought to understand the effect of pyrolysis temperature on the preparation of activated carbon, being prepared pastes in the proportion of 1:1 (CCP: ZnCl2) and pyrolysis performed at temperatures of 600°C and 700°C, respectively called CCP600 and CCP700. In the second investigation, also using the residues of Brazil Nut (CCP), the research focused the studies on the influence of the amount of zinc chloride in the preparation of carbons, being produced activated carbons in the proportion 1:1 (CCP: ZnCl2) and the proportion 1:1.5 (CCP: ZnCl2), respectively BNS1.0 and BNS1.5, both pyrolyzed 600°C. In the third investigation, Sapelli sawdust was used as a precursor of activated carbons, and studies were directed to the preparation of magnetic materials, where Sapelli mixtures with nickel chloride (NiCl2) - ( 1:1), as well as the Sapelli mixture: Zinc Chloride (ZnCl2): Nickel Chloride (NiCl2) – (1:1:1), both pastes were pyrolyzed at 700°C. In this study, two forms of elimination of inorganics from activated carbon were investigated, leaching with 0.1M hydrochloric acid under reflux and ultrasound-assisted leaching (US- 15 min, 600 W), obtaining four composites: SNiAL, SNiUS, SNiZnAL, SNiZnUS. All activated carbons were characterized by elemental analysis of CHN/O, hydrophobic/hydrophilic ratio, FTIR, TGA, modified titration of Bohem, BET/BJH, and in the last investigation, the carbon materials were characterized by magnetization using VSM. These analyses show that adsorbents have different polar groups, which confers a hydrophilic surface. As for the textural properties, CCP600 and CCP700 presented surface area and total pore volume of 1457 m2. g-1 and 0.275 cm3.g-1and 1419 m2.g-1and 0.285 cm3.g-1, respectively, BNS 1:0 and BNS 1:1.5 presented 1457 m2. g-1and 0.5486 cm3.g-1; 1640 m2. g-1 and 0.7947 cm3.g-1; while SNiAL, SNiUS, SNiZnAL, SNiZnUS presented surface area and total pore volume of 384 m2.g-1 and 0.136 cm3.g-1; 396 m2.g-1 and 0.147 cm3.g-1; 1628 m2.g 1 and 0.660 cm3.g-1; 1212 m2. g-1and 0.497. cm3.g-1, respectively. When it comes to magnetism, carbon reached magnetization saturation (Ms) of 6.86 (emu/g) for SNiZnAL; 10.81 (emu/g) for SNiZnUS; 15.00 (emu/g) for SNiAL and 12.59 (emu/g) for SNiUS. The proposed methodologies made it possible to infer that a variation of 100°C in the pyrolysis of the precursors did not cause significant changes in the textural properties of the carbon materials, as well as to validate that zinc chloride favors the increase of textural properties, in addition, it was possible to identify that the leaching process via ultrasound can be used in favor of maintaining the magnetic properties of coal. The adsorption tests made it possible to attest to the efficiency of the coals produced as adsorbents of emerging contaminants of different classes.