Treatment of an effluent polluted with Cr(III) by adsorption onto chemically modified agro-industrial waste

Abstract

O processo de adsorção é um dos tratamentos mais utilizados para remover metais pesados de efluentes. O crómio é um contaminante que ocorre frequentemente em efluentes de indústrias de curtumes, galvanoplastia e tinturarias. Os estados trivalente e hexavalente são as formas mais estáveis deste metal em solução aquosa, sendo o Cr(VI) o que apresenta maior grau de toxicidade para a saúde ambiental e humana. A utilização de resíduos lenhocelulósicos como adsorventes de baixo custo tem vindo a ser amplamente estudado, no entanto, estes materiais apresentam uma capacidade de adsorção baixa. Para ultrapassar este problema, os materiais podem ser modificados através de tratamentos físicos e químicos. Neste trabalho, a capacidade de adsorção da casca de pinheiro (Pinus Pinaster) foi melhorada aplicando um tratamento acido e/ou alcalino do qual resulta alterações nas características estruturais e químicas do material. O tratamento com diferentes tipos de ácidos (ácido cítrico, sulfúrico, nítrico, clorídrico, fosfórico e acético) não melhorou as capacidades de adsorção do material, pelo que o estudo deste tratamento não foi prosseguido. No tratamento alcalino (mercerização) foi usado uma solução de NaOH. Foi feito uma caracterização química e física do adsorvente para avaliar os efeitos da mercerização, notando-se algumas diferenças nas suas propriedades antes e depois do tratamento. O material foi caracterizado pelas técnicas de adsorção/dessorção de N2 a 77 K, SEM-EDS, ponto de carga nula e quantificação dos sítios ativos. Foram realizados estudos de adsorção em descontínuo para diferentes condições experimentais das principais variáveis operatórias, nomeadamente o tempo de contacto, o pH e a dosagem de adsorvente. Deste estudo concluiu-se que o equilíbrio de adsorção de Cr(III) em casca de pinheiro mercerizado é alcançado ao fim de 3 h e que a quantidade máxima de Cr(III) adsorvido ocorre a pH = 5. Nos ensaios realizados para a determinação de isotérmicas de equilíbrio foi avaliado o efeito do pH inicial da solução. Os dados de equilíbrio foram bem ajustados pelo modelo de Langmuir tendo-se obtido uma capacidade máxima de adsorção de 17,15 mg g-1 a pH = 5. Foi também proposto um novo modelo baseado na equação modificada de Langmuir para descrever as isotérmicas de equilíbrio em função do pH inicial da solução. Por último, aplicou-se um desenho fatorial do tipo “Box-Benken Design” que permitiu identificar uma gama ótima de operação e inferir sobre as variáveis que mais condicionam a eficiência de remoção de Cr(III).

The adsorption process is one of the most used treatments to remove heavy metals from wastewater. Chromium is a contaminant which occurs frequently in effluents of tanneries, electroplating and dyeing. The hexavalent and trivalent states are the most stable forms of the metal in aqueous solution, and Cr (VI) is which exhibits higher level of toxicity causing thus damage to human and environmental health. The use of lignocellulosic waste as low cost adsorbents has been widely studied, however, this material has a low adsorption capacity. To overcome this problem, the material may be modified by physical and chemical treatments. In this work, the adsorption capacity of pine bark (Pinus pinaster) was improved by applying an acid and / or alkali treatment resulting in changes in the structural and chemical characteristics of the material. The treatment with different types of acid (citric acid, sulfuric, nitric, hydrochloric, phosphoric and acetic acid) did not improve the adsorption capacity of the material, so the study of this treatment was not pursued. In the alkali treatment (mercerization) was used NaOH solution. It was made a chemical and physical characterization of the adsorbent to evaluate the effects of mercerization and some differences in their properties before and after treatment were observed. The material was characterized by suitable analytical techniques, namely adsorption/desorption with N2 at 77 K, SEM-EDS, point of zero charge method and acid-base titration for quantification of the active sites. Adsorption studies were performed, in batch mode, for different experimental conditions of the main operating variables, namely the contact time, pH and dosage adsorbent. From this study, it was concluded that the adsorption equilibrium of Cr (III) onto mercerised pine bark is reached in 3 h and the maximum amount of adsorbed Cr (III) occurs at pH = 5. In the tests performed to determine equilibrium isotherms, the effect of initial pH of the solution was evaluated. The equilibrium data were well fitted by the Langmuir model yielding a maximum adsorption capacity of 17.15 mg g-1 at pH = 5. It was also proposed a new model based on the Langmuir modified equation to describe the equilibrium isotherms as function of initial pH of the solution. Finally, the application of a Box-Benken Design allowed to identify an optimal region of operation and infer the variables that most influence the Cr(III) removal efficiency....................................