Recuperação de fósforo de matrizes aquosas através de adsorventes ricos em ferro

Abstract

The disturbances in the phosphorus cycle have been contributing to its shortage. On the other hand, accumulation in water has been observed and consequently increasing the eutrophication rate. The importance of this macronutrient in biological processes has driven an effort to its recovery. The main focus of this project is obtaining an adsorbent with good performance for phosphorus adsorption from aqueous matrices in acidic environments. The screening phase involved different adsorbents. In particular, the chemically modified calcined eggshell did not reveal better adsorption efficiency than the initial calcinated eggshell. Red mud from Greece without any modification showed very low phosphorus recovery. However, the red mud calcinated at 500ºC exhibited an adsorption value of 18,1 mg P-PO4/g when the initial phosphate concentration was 400 mg/L at pH 4. The adsorbent synthetized with a proportion of two parts of iron oxide to one part of calcinated eggshell was the best one, achieving an adsorbed quantity of 20,2 mg P-PO4/g at pH 8. Moreover, this iron oxide has higher adsorption rates in acidic environments (32,8 mg P-PO4/g), it does not dissolve itself and does not change the solution pH. The iron oxide was characterized through XRD analysis, revealed a surface zero charge at pH~7 (pHzpc), and has a specific surface area of 270 m2/g. For the selected adsorbent, the influence of pH, the initial phosphate concentration and dose were studied. The adsorption isothermal and the kinetic behavior were also determined. The best fitting model was the Langmuir-Freundlich isothermal, with a maximum adsorption capacity of 69,5 mg P-PO4/g. The adsorption kinetic is well described by the pseudo first order kinetic model. Finally, by using a NaOH solution with concentration between 0,1 and 1 M it was possible to regenerate about 50% of phosphate adsorbed in saturated iron oxide. Furthermore, the adsorbent removed 100% the phosphate in real effluents collected at the exit of a percolation bed, at the exit of the anaerobic digestion and at the exit of the centrifuge after digestion. To sum up, the developed adsorbent shows potential to recover phosphorus of liquid effluents.

As alterações no ciclo do fósforo têm causado a sua escassez, mas por outro lado têm levado à sua acumulação em águas, provocando fenómenos de eutrofização. Sendo este um macronutriente fundamental para os processos biológicos é importante recuperá-lo. Este trabalho tem como objetivo a obtenção de um adsorvente com bom desempenho na adsorção de fósforo em processos descontínuos, de matrizes aquosas ligeiramente acídicas. Nas etapas de seleção do adsorvente, foram testados diferentes materiais. Através de ensaios laboratoriais verificou-se que a modificação química com ferro da casca de ovo calcinada não permitia melhorar a sua capacidade de adsorção. Também a red mud proveniente da indústria de alumina não apresentou potencial satisfatório para a recuperação de fósforo. Apenas a red mud calcinada a 500ºC permite adsorver 18,1 mg P-PO4/g, quando a concentração de fosfato em solução foi de 400 mg/L e o pH 4. No entanto, um adsorvente sintetizado numa razão mássica de 2 partes de óxido de ferro para 1 parte de casca de ovo calcinada, foi o que permitiu atingir uma quantidade adsorvida (20,2 mg P-PO4/g, pH 8) competitiva. Mas não só a capacidade de adsorção foi um fator decisivo, este óxido de ferro tem melhores capacidades de adsorção em ambientes mais ácidos (32,8 mg P-PO4/g) não se dissolve e altera o pH do líquido. O óxido de ferro foi caracterizado através de XRD, tendo-se determinado que tem carga nula a pH ~7 (pHzpc) e tem uma área de superfície específica de 270 m2/g. Para o adsorvente selecionado estudou-se a influência do pH, da concentração inicial de fosfato e da dose de adsorvente em testes descontínuos. Adicionalmente, determinou-se a isotérmica de adsorção e o comportamento cinético. Verificou-se que o modelo que melhor se ajusta é a isotérmica de Langmuir-Freundlich apresentando uma capacidade de adsorção máxima de 69,5 mg P-PO4/g. A cinética de adsorção foi bem descrita por um modelo de pseudo-primeira ordem. Por último, verificou-se que a partir de uma solução de NaOH com concentração entre 0,1 a 1,0 M é possível regenerar cerca de 50% do fósforo que estava adsorvido no óxido de ferro saturado. O adsorvente permitiu remover 100% do fosfato presente em efluentes reais, coletados à saída do leito de percolação, à saída da digestão anaeróbia e à saída da centrifuga após a digestão. Em suma, este adsorvente apresenta potencial para recuperar fósforo de efluentes líquidos.