Estudo da remoção de alumínio de água para abastecimento utilizando quitosana

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2013

Este estudo teve como objetivo principal remover o íon metálico Al3+ presente em água de abastecimento utilizando o biopolímero quitosana como material adsorvente. A Portaria n0 2.914/2011 do Ministério da Saúde estabelece que a concentração máxima admitida deste íon na água potável é 0,2 mg/L. No entanto, na região carbonífera de Santa Catarina foram identificados diversos pontos onde a água subterrânea apresenta valores superiores ao estabelecido por esta Portaria referente ao parâmetro Al3+. Este fato torna-se preocupante à medida que estudos associam a ingestão de alumínio a males neurológicos, podendo ser um fator desencadeante da doença de Alzheimer. Visando remover Al3+ da água destinada ao consumo humano foram realizados estudos de adsorção com solução sintética e água natural de poço artesiano utilizando o biopolímero quitosana. A quitosana é um material abundante, atóxico e biodegradável, sendo amplamente utilizada em estudos de remoção de metais devido à sua propriedade adsorvente e capacidade para formar complexos com íons metálicos de transição devido à presença de grupos amino em sua estrutura. Para realização dos estudos utilizou-se água natural de poço artesiano coletada na cidade de Araranguá - SC, pertencente à bacia carbonífera do Estado. Neste local a concentração de Al3+ encontra-se na faixa de 0,6 mg/L, valor este três vezes superior ao estabelecido pela legislação vigente. Inicialmente foram realizados ensaios preliminares, em batelada, de remoção com distintas soluções sintéticas contendo Al3+, Fe2+/Fe3+ e Mn2+. Estes ensaios demonstraram que a quitosana apresenta boa capacidade de remoção de Al3+ e Fe2+/Fe3+, embora para uma satisfatória remoção de Fe2+/Fe3+, seja requerido maior teor de quitosana comparada ao Al3+. Já o íon metálico Mn não foi removido pela quitosana. A partir dos resultados preliminares de remoção, realizaram-se ensaios isotérmicos de adsorção de Al3+ e Fe2+/Fe3+, onde a partir dos resultados obtidos pode-se verificar que a remoção tanto de Al quanto de Fe pela quitosana apresenta um comportamento compatível ao modelo de isoterma de Sips, indicativo de um mecanismo de adsorção via fisiossorção a baixas concentrações e via quimiossorção a concentrações mais elevadas. Para este modelo as capacidades máximas de adsorção calculadas foram de 45,52 mg Al/g Quit e 12,30 mg Fe/g Quit. Avaliou-se também o mecanismo cinético que rege a adsorção de Al3+ pela quitosana, sendo o modelo que melhor descreve esta adsorção o modelo cinético de pseudo segunda-ordem, o qual sugere um mecanismo via quimiossorção. A partir destes ensaios de adsorção foram avaliados dois métodos distintos de remoção de Al3+ através da técnica de Extração em Fase Sólida (EFS): i) Impregnação de um material suporte com quitosana, e ii) Colunas preenchidas com quitosana. A primeira técnica proposta foi efetuada através da impregnação com quitosana de um material suporte de não-tecido composto de viscose, polipropileno e poliéster. Após a impregnação deste material, o mesmo foi disposto em um tanque onde o ensaio foi conduzido em batelada até obtenção da saturação da quitosana. Realizou-se também um ensaio similar denominado de Branco, utilizando somente o material, sem a quitosana impregnada, no qual observou-se capacidade de adsorção associada ao material não-tecido. Realizaram-se três ensaios, dois com solução sintética e um com água de poço. Estes ensaios apresentaram bons resultados de remoção de Al3+ (26-30 mg Al3+/g Quit). Após término do ensaio foram realizadas análises de MEV e EDX das fibras após saturação com Al3+ as quais demonstraram incrustações contendo alumínio sobre o filme de quitosana. Os ensaios realizados em coluna preenchida por quitosana foram conduzidos com solução sintética e água de poço, nas mesmas condições. Estes ensaios também apresentaram bons resultados de remoção, sendo as capacidades de adsorção obtidas de 37,76 e 15,23 mg Al3+/g Quit, para solução sintética e água de poço, respectivamente. Realizaram-se, após término do ensaio, análises de MEV, EDX e FTIR. Observou-se que quando a quitosana está saturada de Al3+, a espectroscopia FTIR sugere a formação de compostos de coordenação Al/Fe-Quit. Com este estudo pode-se verificar que em ambas as técnicas propostas observaram-se boa capacidade de remoção de Al3+ pela quitosana. Devido às propriedades atóxicas e biodegradáveis da quitosana, além de a sua abundância, este biomaterial é uma boa opção para a remoção de Al3+ em águas para abastecimento que contenham baixas concentrações (~ 0,6 mg Al3+ /L) deste íon metálico. <br>

Abstract: This dissertation aimed to remove the metal ion Al3+ present in the water supply using the biopolymer chitosan as adsorbent material. The Ordinance of the Ministry of Health N0 2.914/2011 states that the maximum concentration allowed of this ion in the water supply is 0,2 mg/L. However, in the coal exploring area of Santa Catarina several points were identified where the groundwater has values higher than the one established by this Ordinance, concerning parameters of Al3+. This fact becomes worrying as research associates aluminum intake to neurological ailments, which may even trigger Alzheimer's disease. Aiming to remove Al, at low concentrations, adsorption studies were performed with synthetic solution and natural artesian water using the biopolymer chitosan. Chitosan is an abundant material, non-toxic and biodegradable, and it is widely used in studies of metal removal because of its adsorbent property and ability to form complexes with transition metal ions due to the presence of amino groups in its structure. For these studies natural artesian water was collected in the city of Araranguá-SC, which is part of the coal basin of the state, where the Al concentration is approximately 0.6 mg/L, a value three times higher than the one established by the current legislation. Preliminary removal assays were carried out in batches with different synthetic solutions containing Al, Fe and Mn. These trials showed that chitosan presents a good capacity to remove Fe and Al, though for a satisfactory removal of Fe a higher content of chitosan is required, compared to Al. Yet, the removal of Mn by chitosan did not happen. After the preliminary removal results, isothermal adsorption assays of Al and Fe were performed, where it could be verified that the removal of both Al and Fe by chitosan presents a model of behavior compatible to the one of Sips. For this model the maximum capacities of adsorption calculated were of 45.52 mg Al/g Quit, and 12,30 mg Fe/g Quit. The kinetic mechanism which reacts to the adsorption of chitosan by Al was also evaluated, and the model that best describes this adsorption is the kinetic model of the pseudo-second order, which suggests a mechanism via chemisorption. Based on these adsorption tests two different methods of removing Al using the technique of Solid Phase Extraction (SPE) were assessed: i) impregnating a support material with chitosan and ii) Columns filled with chitosan. The first proposed technique was performed by impregnating a support material consisting of non-woven viscose, polypropylene and polyester. After the impregnation of this material, it was arranged in a tank where the trial was conducted in batches. A similar assay was performed, called White, using only the material, without the impregnated chitosan, in which it was observed an adsorption capacity associated with the non-woven material. Three tests were performed: two synthetic solution and one with well water. These tests showed good results of Al3+ removal (26 - 30 mg Al3+ / g Quit). After this assay, analysis were conducted concerning the SEM and EDX of the fibers after saturation with Al3+ which showed aluminum incrustations on the film containing chitosan. The tests with columns filled with chitosan were conducted with synthetic solution and wellwater under the same conditions. These assays also showed good removal results, the adsorption capacities obtained were 37,76 and 15,23 Al3+ mg/g Quit for synthetic solution and water well, respectively. Analyzes of SEM, EDX and IFTR were performed after the test. It was observed that when chitosan is saturated with Al, IFTR spectroscopy suggests the formation of coordination compounds Al-Quit, which evidences a chemisorption process. With this study it could be verified that both proposed techniques had a good capacity of removal of Al3+ by chitosan. Due to nontoxic and biodegradable properties of chitosan, and its abundance, this biomaterial is a good option for the removal of Al3+ in water supplies which contain low concentrations of this metal ion.