Sorption of Cr(III) in fixed-bed column by modified pine bark: optimization and modeling studies

Abstract

O processo de adsorção, utilizando colunas de leito fixo, mostra-se como um dosprocessos mais vantajosos para a remoção de metais pesados de efluentes industriais. O facto de o leito poder ser regenerado, haver a possibilidade de ser reutilizado e recuperar o metal adsorvido são outros fatores a favor para o seu uso. O crómio, por ser utilizado em processos de galvanoplastia, revestimentos e curtumes, ocorre frequentemente no meio ambiente devido aos efluentes provenientes deste tipo de indústrias.Neste trabalho será estudado o comportamento dinâmico de uma coluna de leito fixoem que o adsorvente utilizado foi obtido no laboratório a partir de casca de pinheiro. No seguimento de trabalhos anteriores, este material, será utilizado como adsorvente para remover o Cr(III). Foram realizadas várias experiências para testar diversos parâmetros operacionais, como a altura do leito, a velocidade superficial do fluido e a concentração de entrada do efluente. Na prática pretende-se obter a máxima fração de leito saturado e prever o comportamento dinâmico do processo de adsorção. Um modelo de natureza mecanística foi desenvolvido de modo a prever a resposta do sistema face a variações dos parâmetros operacionais. Foram incluídas as relações de equilíbrio bem como o modelo Linear Driving Force (LDF) para expressar o transporte de massa intraparticular. Deste modo verificou-se que, para uma concentração de entrada fixa em 100 mg/L, a máxima fração de leito saturado obtidaé de 0.65, para o caso onde se utilizada uma altura de leiro de 6,5 cm e uma velocidade superficial de 14.43×10-2 cm/s. Foi também estudado a influência dos mesmos parâmetros de modo a minimizar a diferença entre o tempo de exaustão onde as condições ótimas são uma altura de leito de 2,5 cm e uma velocidade superficial de 14.43×10-2 cm/s Para além disto, desenho fatorial do tipo Box-Benken-Design foi utilizado de modo a determinar quais as variáveis que mais influenciam a eficiência do processo de adsorção em leito fixo. Utilizando uma regressão linear múltipla, dois modelos empíricos foram construídos onde foram identificas as condições ótimas de operação de modo a maximizar a fração de leito saturado. Por fim, a regeneração do adsorvente foi feita utilizando dois agentes químicos (ácido nítrico e N,N-Bis(carboxymethyl)-DL-alanine trisodium salt). Assim, deste estudo foi possível concluir que o adsorvente testado pode ser utilizado em processos com colunas de leito fixo para a remoção de crómio de efluentes líquidos.

The adsorption process in fixed bed columns, is one of the most advantageous processes for the removal of heavy metals, allowing the treatment of large volumes of effluent. The fact that the bed can be regenerated and the possibility of being reused allowing the recover the adsorbed metal are other factors in favor of its use in large-scale industrial processes. Chromium is the heavy metal selected in this study, because of its relevance in the electroplating, coating and tanning industries. The effluents from these industries may contain detrimentalconcentrations of Cr.This work, aims to analyse the dynamic behavior of a fixed bed column, in which theadsorbent was prepared in the lab. Following the previous work, mercerized pine bark (MPB) will be used as adsorbent to remove Cr (III) and to purify a synthetic effluent. Thus, operational parameters such as bed height, fluid velocity and effluent inlet concentration were tested to obtain the maximum saturated bed fraction and to predict the behavior of the adsorption process for each case. A mechanistic model was developed for predicting the behaviour of the fixedbed, that includes equilibrium parameters and the Linear Driving Force (LDF) approach to express the intraparticular mass transport. For an inlet concentration of 100 mg/L, the maximum saturated bed fraction was 0.65, obtained for the case where a height of 6.5 cm and a superficial velocity of 14.43×10-2 cm/s is used. Moreover, the influence of the same parameters was also studied to minimize the difference between the exhaust time and the break time of the column.In this case, using an inlet concentration of 100 mg/L, a bed height of 2.5 cm and a surface speed of 14.43×10-2 cm/s, were the best conditions.Moreover, a Box-Benken-Design was used to determine the most influent inlet variables (factors) on adsorption efficiency. By using multiple linear regression, empirical models were developed and the optimal operating conditions to maximize the saturated bed fraction were identified. Finally, a regeneration of the adsorbent material was assessed through two chemical agents (nitric acid and N,N-Bis(carboxymethyl)-DL-alanine trisodium salt).From this study, it was possible to conclude that the biosorbent tested can be used in fixed-bed column process for remove chromium from liquid effluents.