Síntese e aplicação de adsorventes à base de chichá-do-cerrado e quitosana para remoção de contaminantes emergentes

Abstract

Resumo: Os contaminantes emergentes consistem em um vasto e crescente conjunto de substâncias sintéticas e naturais, cujos impactos no ambiente têm sido recentemente estudados. Os produtos farmacologicamente ativos são exemplos de contaminantes emergentes, e o alto consumo destas substâncias levam à sua frequente detecção em estações de tratamento de esgoto. Após tratamento ineficiente, traços alcançam corpos hídricos superficiais, causando impactos em organismos aquáticos. Ainda, estações de tratamento de água muitas vezes não são capazes de remover totalmente estes compostos, os quais também estão presentes na água potável. Esta situação reforça a necessidade de investigação de tratamentos alternativos, e a adsorção pode ser um processo eficiente e economicamente viável, principalmente quando são utilizados resíduos como materiais adsorventes. O chichá-do-cerrado é uma planta nativa brasileira cujas amêndoas possuem potencialidades para o mercado nacional e internacional. As cascas do fruto são frequentemente descartadas, e por este motivo, tornam-se precursores interessantes para o desenvolvimento de adsorventes. Os carvões ativados são adsorventes com alta capacidade de remoção de contaminantes; no entanto, apresentam algumas desvantagens, principalmente na forma de pó, destacando-se a dificuldade de recuperação em solução aquosa. Este inconveniente pode ser facilmente superado através da imobilização em suportes poliméricos, e dentre eles, o hidrogel de quitosana é visado principalmente devido à abundância de grupos funcionais. Levando em consideração essa problemática, o doutorado foi dividido em três artigos científicos. O primeiro foi publicado na revista International Journal of Biological Macromolecules. Seu objetivo foi realizar um levantamento da literatura recente sobre a aplicação de suportes poliméricos como imobilizadores de carvão ativado para remoção de contaminantes da água. O segundo artigo, publicado na revista Journal of Environmental Chemical Engineering, trata do desenvolvimento de carvões ativados de casca do fruto de chichá-do-cerrado, comparando-se um processo de ativação química (KOH) e um processo de ativação física (CO2). Os materiais foram aplicados em processos de adsorção de metformina e tratamento de uma mistura contendo cafeína, metformina, corante preto 5 e sulfato cúprico. Já o terceiro artigo foi publicado na revista Chemical Engineering Research and Design, cujo propósito foi imobilizar os dois tipos de carvão ativados apresentados no segundo artigo em hidrogel de quitosana. Os materiais foram utilizados em processos de adsorção de cafeína em batelada e leito fixo, utilizando-se água deionizada, água de torneira e efluente sintético hospitalar. De forma geral, foram observadas as diferenças entre os processos de ativação, que levaram a propriedades distintas entre os carvões sintetizados. Porém, ambos os materiais obtiveram alto desempenho na remoção de todos os contaminantes avaliados. A imobilização dos carvões ativados em hidrogel de quitosana deu origem a compósitos com grupos funcionais abundantes, os quais podem melhorar o desempenho do adsorvente, a depender do mecanismo de adsorção que ocorre em solução aquosa. Verificou-se a importância de se avaliar o adsorvente em diferentes matrizes aquosas, visto que os tipos de interação adsorvente-adsorbato podem ser alterados. A importância tanto do carvão ativado quanto do hidrogel de quitosana foi comprovada com sucesso, demonstrando-se assim o alto potencial de todos os adsorventes avaliados.

Abstract: Emerging contaminants consist of a vast and growing set of synthetic and natural substances whose impacts on the environment have been recently studied. Pharmacologically active products are examples of emerging contaminants, and the high consumption of these substances leads to their frequent detection in wastewater treatment plants. After inefficient treatment, traces reach surface water, causing impacts on aquatic organisms. Furthermore, water treatment plants are often unable to entirely remove these compounds, which are also present in tap water. This situation reinforces the need to investigate alternative treatments, and adsorption can be an efficient and economically viable process, mainly when residues are used as adsorbent materials. The chichá-do-cerrado is a native Brazilian plant whose almonds have the potential for the national and international market. The fruit peels are often discarded, so they become interesting precursors for the development of adsorbents. Activated carbons are adsorbents with a high capacity to remove contaminants; however, they present some disadvantages, mainly in powder form, highlighting the difficulty of recovery in an aqueous solution. These drawbacks can be easily overcome by immobilization on polymeric supports, and among them, chitosan hydrogel is targeted mainly due to the abundance of functional groups. Taking this issue into account, the present doctoral project was divided into three scientific articles. The first was published in the International Journal of Biological Macromolecules. Its objective was to survey recent literature on the application of polymeric supports as activated carbon immobilizers to remove contaminants from water. The second article was published in the Journal of Environmental Chemical Engineering. The study deals with the development of activated carbons from the bark of chichá-do-cerrado fruit, comparing a chemical activation process (KOH) and a physical activation process (CO2). The materials were applied in metformin adsorption processes and treatment of a mixture containing caffeine, metformin, black dye 5 and cupric sulfate. The third article was published in Journal Chemical Engineering Research and Design, whose purpose was to immobilize the two types of activated carbon presented in the second article in chitosan hydrogel. The materials were used in batch and fixed-bed caffeine adsorption processes, using deionized water, tap water, and synthetic hospital effluent. In general, differences between the activation processes were observed, which led to different properties among the synthesized coals. However, both materials obtained high performance in removing all contaminants evaluated. The immobilization of activated carbons in chitosan hydrogel gave rise to composites with abundant functional groups, which can improve the adsorbent's performance, depending on the adsorption mechanism that occurs in aqueous solution. The importance of evaluating the adsorbent in different aqueous matrices was verified since the types of adsorbent-adsorbate interaction can be changed. The importance of activated carbon and chitosan hydrogel was successfully proven, thus demonstrating the high potential of all adsorbents evaluated.