Desenvolvimento de adsorventes híbridos e compósitos com o foco na remoção de fármacos e corantes sintéticos em águas

Abstract

A presente tese avaliou o desenvolvimento de materiais adsorventes híbridos e compósitos a partir de diferentes precursores pelo método sol-gel, com o foco na remoção de fármacos e corantes em águas. Como precursores foram utilizados resíduos agroindustriais (resíduo de serragem de madeira e caroço de abacate) e uma argila (material adsorvente alternativo e de baixo custo), além de alcoxissilanos (APTES, MK e TMSPDETA), visando aumentar a sustentabilidade (ambiental e econômica) dos adsorventes utilizados nas Estações de Tratamento de Água e Esgoto. Os materiais adsorventes produzidos foram caracterizados com relação a análise elementar (CHN), TGA, FT-IR, FT-Raman, FRX, Hidrofobicidade/Hidrofilicidade, BET/BJH, PCZ, Titulação de Boehm modificada, MEV/EDS. Foram realizados estudos de adsorção com fármacos e corantes, para investigação do equilíbrio, cinética e termodinâmica da adsorção, além de estudos com efluentes sintéticos (simulado). A primeira investigação (Artigo 1) avaliou o potencial de utilização do material adsorvente híbrido obtido de resíduo de serragem de madeira (Ayous, Triplochiton scleroxylon) junto ao alcoxissilano (APTES) na remoção do corante Azul de Prociona MX-R em efluentes. Verificou-se que o material híbrido (produzido com inserção do APTES - grupamento amina – NH2) possibilitou uma maior capacidade de adsorção do que a serragem pura (com incrementos de até 21,6 vezes na capacidade de adsorção, para a temperatura de 50ºC), sendo identificado que o mecanismo preponderante para adsorção foi a atração eletrostática. O segundo artigo apresenta a avaliação de materiais adsorventes compósitos obtidos do biochar de caroço de abacate (Persea americana) junto ao metilpolissiloxano (MK) na remoção do antibiótico Ciprofloxacina em águas, que se diferenciaram em relação às etapas utilizadas no processo sol-gel, foco do estudo. Verificou-se que o material compósito (R2) produzido em 2 etapas, possibilitou um incremento na área superficial (580 m².g-1 para R2 versus 115 m²g-1 para R1 – 1 etapa) e no volume de poros (0,364 cm³g-1 para R2 versus 0,0713 cm³g-1 para R1), sendo avaliado que o mecanismo de preenchimento de poros foi preponderante no processo de adsorção. Além de possibilitar uma maior estabilidade térmica para o material, a adição do metilpolissiloxano propiciou, para o R2, uma maior capacidade de adsorção da Ciprofloxacina, demonstrando que o procedimento de 2 etapas mais adequado para produção deste material compósito. O terceiro artigo avaliou a produção de um material adsorvente híbrido a partir de uma argila bentonita (montmorilonita) junto ao alcoxissilano (TMSPDETA) para remoção dos corantes Azul Brilhante de Remazol R (RB-19) e Verde Reativo 19 (RG-19) em efluentes. Apesar do enxerto de TMSPDETA na superfície da argila montmorilonita ter diminuído sua superfície específica, bem como o volume de poros, a inserção dos grupos -NH e NH2 alterou significativamente propriedades importantes para adsorção dos corantes aniônicos RB-19 e RG-19 avaliados, sendo obtidos, Qmáx de 178,8 mg.g-1 para o RB-19 e de 361,1 mg.g-1 para o RG-19 (20°C), compatíveis com adsorventes amplamente utilizados na literatura. Ainda o material híbrido possibilitou uma eficiência de remoção de 97,67% de um efluente sintético de indústria têxtil, demonstrando potencial de aplicação prática. Por fim, conclui-se que os materiais híbridos e compósitos desenvolvidos são eficientes para a remoção dos adsorvatos avaliados, sendo uma opção ao carvão ativado comercial, devendo-se realizar uma avaliação da viabilidade técnica e econômica da sua aplicação em Estações de Tratamento de Água e Esgoto.

This thesis evaluated the development of hybrid and composite adsorbent materials from different precursors by the sol-gel method, focusing on the removal of drugs and dyes in water. As precursors, agro-industrial waste (wood sawdust and avocado pit residue) and clay (alternative and low-cost adsorbent material) were used, in addition to alkoxysilanes (APTES, MK and TMSPDETA), aiming to increase sustainability (environmental and economic) of the adsorbents used in Water and Wastewater Treatment Plants. The adsorbent materials produced were characterized with respect to elemental analysis (CHN), TGA, FT-IR, FT-Raman, FRX, Hydrophobicity/Hydrophilicity, BET/BJH, PCZ, Modified Boehm Titration, SEM/EDS. Adsorption studies with drugs and dyes were carried out to investigate the balance, kinetics and thermodynamics of adsorption, in addition to studies with synthetic effluents (simulated). The first investigation (Article 1) evaluated the potential use of the hybrid adsorbent material obtained from wood sawdust residue (Ayous, Triplochiton scleroxylon) together with alkoxysilane (APTES) in the removal of Prociona Blue MX-R dye in effluents. It was verified that the hybrid material (produced with the insertion of APTES - amine group - NH2) enabled a greater adsorption capacity than pure sawdust (with increments of up to 21.6 times in the adsorption capacity, for a temperature of 50ºC), and identified that the predominant mechanism for adsorption was electrostatic attraction. The second article presents the evaluation of composite adsorbent materials obtained from biochar of avocado seed (Persea americana) together with methylpolysiloxane (MK) in the removal of the antibiotic Ciprofloxacin in water, which differed in relation to the steps used in the sol-gel process, focus of the study. It was verified that the composite material (R2) produced in 2 stages, allowed an increase in the surface area (580 m².g-1 for R2 versus 115 m²g-1 for R1 – 1 stage) and in the pore volume (0.364 cm³g-1 for R2 versus 0.0713 cm³g-1 for R1), and it was evaluated that the pore filling mechanism was predominant in the adsorption process. In addition to providing greater thermal stability for the material, the addition of methylpolysiloxane provided, for R2, a greater adsorption capacity of Ciprofloxacin, demonstrating that the 2-step procedure is more suitable for the production of this composite material. The third article evaluated the production of a hybrid adsorbent material from a bentonite clay (montmorillonite) together with alkoxysilane (TMSPDETA) for removing the dyes Brilliant Blue of Remazol R (RB-19) and Reactive Green 19 (RG-19) in effluents. Despite the TMSPDETA graft on the surface of the montmorillonite clay having reduced its specific surface, as well as the pore volume, the insertion of the -NH and NH2 groups significantly altered important properties for the adsorption of the anionic dyes RB-19 and RG-19 evaluated, being obtained, Qmax of 178.8 mg.g-1 for RB-19 and 361.1 mg.g-1 for RG-19 (20°C), compatible with adsorbents widely used in the literature. The hybrid material also allowed a removal efficiency of 97.67% of a synthetic effluent from the textile industry, demonstrating potential for practical application. Finally, it is concluded that the hybrid and composite materials developed are efficient for the removal of the evaluated adsorbates, being an option to commercial activated carbon, and an evaluation of the technical and economic feasibility for its application in Water and Wastewater Treatment Plants should be carried out.