Remoção e degradação da cafeína a partir dos métodos de adsorção e de Fenton

Abstract

Contaminantes emergentes são um sério problema de contaminação ambiental, mesmo em baixas concentrações, devido a sua resistência aos tratamentos convencionais de efluentes, persistência ambiental, potencial de bioacumulação, biomagnificação e efeitos tóxicos, mutagênicos e carcinogênicos. A cafeína (CAF), um desses contaminantes, tem a sua presença nas águas relacionada à atividade humana e, por isso, é utilizada como um indicador químico da qualidade da água. Além disso, a CAF é amplamente consumida e requer remoção de águas residuais. Baseando-se nesses aspectos, o principal objetivo do trabalho foi avaliar a eficiência de remoção e de degradação da cafeína em solução aquosa de 20 mg L-1 via combinação dos processos terciários de adsorção e de reação de Fenton, utilizando carvão ativado granular (CAG) como sólido adsorvente e contemplando os estudos de diminuição de subprodutos de oxidação em solução e da regeneração do CAG saturado com cafeína. O estudo individual da adsorção foi realizado com ensaios em batelada seguindo um delineamento de Box-Behnken de 3 fatores/1 bloco/15 execuções com 3 níveis para avaliar a remoção e a concentração final (CF) de cafeína em solução usando CAG como adsorvente e variando os parâmetros de pH (3, 7 e 11), concentração de sólido adsorvente (1,0, 5,5 e 10,0 g L-1 ) e tempo de contato (10, 65 e 120 min). O estudo individual de Fenton foi realizado com ensaios em batelada seguindo um delineamento experimental baseado em um planejamento fatorial de 3 fatores/1 bloco/8 execuções com 3 níveis para avaliar a degradação e a CF de cafeína em solução variando os parâmetros de concentração de sulfato ferroso heptahidratado, Fe+2 , (0,8, 2,0 e 4,0 mg L -1 ) e de peróxido de hidrogênio, H2O2, (25, 75 e 150 mg L-1 ) em intervalos de tempo de 5, 15, 30 e 60 minutos. Já, o processo combinado de adsorção e reação Fenton foi realizado em quatro ciclos consecutivos empregando os valores ótimos definidos nos estudos individuais das técnicas. Os resultados encontrados indicaram os valores ótimos da adsorção como 10,25 g L-1 para concentração de carvão ativado, 115 min para o tempo de contato e pH natural da solução de cafeína. Os resultados da reação Fenton demonstraram os valores ótimos médios de 130,8 mg L-1 de H2O2 e 2,6 mg L-1 de Fe+2 para 5 e 60 minutos. O processo combinado alcançou eficiências acima de 95,7% na remoção e degradação da cafeína para os quatro ciclos realizados e reduziu o Carbono Orgânico Total em mais de 47,65% e 20,6% para 5 e 60 minutos de reação Fenton, respectivamente. A eficiência de regeneração do adsorvente também foi satisfatória, atingindo cerca de 99,6%, 91,8% e 93,8% para os três ciclos avaliados. Os resultados observados indicaram que a combinação das técnicas oportunizou de forma eficiente, ao mesmo tempo, a degradação do contaminante, a diminuição de subprodutos de oxidação e a regeneração do sólido adsorvente saturado, indicando que o método proposto é uma alternativa promissora para o tratamento terciário de águas e efluentes contendo cafeína.

Emerging contaminants are a significant environmental pollution concern, even at low concentrations, due to their resistance to conventional wastewater treatments, environmental persistence, potential for bioaccumulation, biomagnification, and toxic, mutagenic, and carcinogenic effects. Caffeine (CAF), one of these contaminants, has its presence in water related to human activity and, therefore, is used as a chemical indicator of water quality. Additionally, CAF is widely consumed and requires removal from wastewater. Based on these aspects, this study aimed to evaluate the efficiency of caffeine removal and degradation in an 20 mg L-1 aqueous solution using a combination of adsorption and Fenton reaction tertiary processes, using granular activated carbon (GAC) as adsorbent. The study also included the investigation of the reduction of oxidation byproducts in the solution and the regeneration of GAC saturated with caffeine. The individual adsorption study was carried out through batch experiments following a Box Behnken design with 3 factors/1 block/15 runs, with three levels to evaluate caffeine removal and final concentration (CF) in the solution using GAC as the adsorbent. Parameters such as pH (3, 7, and 11), adsorbent solid concentration (1.0, 5.5, and 10.0 g L -1 ), and contact time (10, 65, and 120 minutes) were varied. The individual Fenton study involved batch experiments following an experimental design based on a 3 factor/1 block/8 run factorial design to assess caffeine degradation and CF in the solution. The parameters included concentrations of heptahydrate ferrous sulfate, Fe+2 (0.8, 2.0, and 4.0 mg L-1 ), and hydrogen peroxide, H2O2 (25, 75, and 150 mg L-1 ), at different time intervals (5, 15, 30, and 60 minutes). The combined adsorption and Fenton reaction process were carried out in four consecutive cycles using the optimal values defined in the individual technique studies. The results indicated optimal adsorption values as 10.25 g L-1 for activated carbon concentration, 115 minutes for contact time, and the natural pH of the caffeine solution. The optimal Fenton reaction values showed average concentrations of 130.8 mg L-1 for H2O2 and 2.6 mg L-1 for Fe+2 at 5 and 60 minutes. The combined process achieved efficiencies of over 95.7% in caffeine removal and degradation for the four cycles and reduced Total Organic Carbon by more than 47.65% and 20.6% for 5 and 60 minutes of the Fenton reaction, respectively. The adsorbent regeneration efficiency was also satisfactory, reaching approximately 99.6%, 91.8%, and 93.8% for the three evaluated cycles. The results suggest that the combination of these techniques efficiently enabled degradation of the contaminant, reduction of oxidation byproducts, and regeneration of the saturated adsorbent, indicating that the proposed method is a promising alternative for tertiary treatment of water and effluents containing caffeine.