Avaliação da eficiência de remoção de arsênio da água utilizando diferentes adsorventes alternativos à base de casca de arroz

One of the great problems of the modern world is surface water pollution by micropollutants, including arsenic. Due to the different adverse effects resulting from exposure to this metalloid, the World Health Organization has set a maximum concentration of 10 μg/L for drinking water. To achieve such a concentration, it is necessary to introduce technologies that efficiently remove arsenic ions. The Adsorption technique is presented as a relevant proposal, especially when considering the simplicity of operation, minimal sludge production, and high removal efficiency even for trace concentrations of pollutants. Despite this, due to the high cost associated with the acquisition and regeneration of adsorbent materials, especially activated carbon, there is interest in the production of alternative adsorbents. These adsorbents are commonly developed from industrial waste or from natural sources, having pyrolysis as the main production step. However, if, on the one hand, pyrolysis can help increase the material adsorptive capacity, on the other hand, it tends to increase the cost of the process, due to the high energy expenditure of the operation. Thus, in recent years, interest has grown in developing and using pyrolizers that use less energy-intensive technologies, such as solar energy. Still in this context, as an agricultural residue, rice husk stands out. This protective layer represents about 23% of the mass of the grain. In the Brazilian harvest of 2021/2022, it is estimated that around 11 million tons of rice were produced, that is, around 2.5 million tons of husk were produced. When considering this by-product’s low added value and availability, rice husk is a potential adsorbent material. Thus, the present work aimed to evaluate the arsenic V adsorption capacity of three different alternative adsorbents: rice husk in natura (RH), rice husk charcoal by solar pyrolysis (RHSC), and rice husk charcoal by conventional pyrolysis (RHC). For this, a quantitative colorimetric analytical method for arsenic was validated. The Limit of Quantification (LQ) and the Limit of Detection (LD) were determined, being 10.41 μg/L and 3.44 μg/L, respectively. The alternative adsorbents produced were widely characterized as to their functional groups, surface charge, surface area, composition, and crystalline phase. To evaluate the adsorptive systems, an experimental design was developed for the three adsorbents having the adsorptive capacity as the dependent variable. All adsorbents evaluated showed high adsorptive capacity, with RH reaching 444.3 μg/g, RHSC 464.0 μg/g, and RHC 489.5 μg/g, values higher than commercial activated carbon, CABOT GAC 1240 by Norit®, thus demonstrating the efficiency of these materials in the removal of arsenic. In addition, the mathematical models, generated by each experimental design, presented R² greater than 95%, that is, they were able to represent the adsorptive systems studied within the limits of the study. Finally, each mathematical model was optimized and validated using a one-sample t-test. Finally, RHC was selected to determine the adsorption kinetics and isotherm. The experimental data of this coal better fit the pseudo-second order and Temkin models, for adsorption kinetics and isotherm, respectively.

Um dos grandes problemas do mundo moderno é a poluição de águas superficiais por micropoluentes, dentre eles o arsênio. Por conta dos diferentes efeitos adversos decorrentes da exposição a esse metaloide, a Organização Mundial da Saúde fixou a concentração máxima de 10 μg/L para água potável. Para se alcançar tal concentração, faz-se necessário introduzir tecnologias que removam de forma eficiente íons arsênio. A técnica de adsorção se apresenta como uma proposta relevante, principalmente ao considerar a simplicidade de operação, produção mínima de lodo e alta eficiência de remoção, mesmo para concentrações-traço de poluentes. Apesar disso, devido ao alto custo associado à aquisição e à regeneração dos materiais adsorventes, especialmente o carvão ativado, há o interesse pela produção de adsorventes alternativos. Esses adsorventes são comumente desenvolvidos a partir de resíduos industriais ou de fontes naturais, tendo a pirólise como principal etapa de produção. Porém, se por um lado, a pirólise pode auxiliar no aumento da capacidade adsortiva do material, por outro, tende a aumentar o custo do processo, devido ao alto gasto energético da operação. Dessa forma, nos últimos anos, cresce o interesse no desenvolvimento e uso de pirolisadores que utilizem tecnologias menos intensas energeticamente, como a energia solar. Ainda nesse contexto, como um resíduo agrícola, destaca-se a casca de arroz. Essa camada protetora representa cerca de 23% da massa do grão. Na safra brasileira de 2021/2022, estima-se que houve produção de cerca de 11 milhões de toneladas de arroz, ou seja, produziu-se cerca de 2,5 milhões de toneladas de casca. Ao considerar o baixo valor agregado desse subproduto e sua disponibilidade, a casca de arroz apresenta-se como um material adsorvente em potencial. Dessa forma, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a capacidade de adsorção de arsênio V de três diferentes adsorventes alternativos: Casca de arroz in natura (RH), Carvão de casca de arroz por pirólise solar (RHSC) e Carvão da casca de arroz por pirólise convencional (RHC). Para isso, um método analítico colorimétrico quantitativo para arsênio foi validado. O Limite de Quantificação (LQ) e o Limite de Detecção (LD) foram determinados, sendo 10,41 μg/L e 3,44 μg/L, respectivamente. Os adsorventes alternativos produzidos foram amplamente caracterizados quanto aos seus grupos funcionais, carga de superfície, área superficial, composição e fase cristalina. Um planejamento experimental foi desenvolvido para os três adsorventes, tendo como variável dependente a capacidade adsortiva, de forma a avaliar os sistemas adsortivos. Todos os adsorventes avaliados apresentaram alta capacidade adsortiva, com RH atingindo 444,3 μg/g, RHSC 464,0 μg/g e RHC 489,5 μg/g, valores estes maiores que do carvão ativado comercial, CABOT GAC 1240 da Norit®, assim demonstrando a eficiência desses materiais na remoção de arsênio. Além disso, os modelos matemáticos, gerados por cada planejamento experimental, apresentaram R² maior que 95%, ou seja, foram capazes de representar os sistemas adsortivos estudados dentro dos limites do estudo. Finalmente, cada modelo matemático foi otimizado e validado, usando um Teste T para uma amostra. Por fim, o RHC foi selecionado para se determinar a cinética e isoterma de adsorção. Os dados experimentais desse carvão ajustaram-se melhor aos modelos de pseudo-segunda ordem e Temkin, para cinética e isoterma de adsorção, respectivamente.

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