Produção de adsorventes derivados do caroço de açai para remoção de amoxicilina e cefalexina de soluções aquosas

Abstract

RESUMO: Este estudo teve como objetivo produzir e avaliar a potencialidade de adsorventes provenientes do resíduo do açaí para a remoção de amoxicilina e cefalexina a partir de soluções aquosas. Os experimentos de biossorção foram realizados em diferentes pHs (3, 5, 7 e 9), com diferentes modificações químicas (H3PO4 e NaOH, 0,5 mol L-1). Os carvões ativados foram produzidos pelo "método da etapa única", na qual a pirólise e ativação foi realizada em atmosfera inerte simultaneamente. Foi realizada uma extensiva triagem de métodos de ativação para o preparo dos carvões ativados, em que o caroço de açaí foi impregnado com a solução do agente ativante na proporção de 1:4 (mprecursor/Vativante [1,5 mol L-1]), por 6 h. A pirólise foi realizada em forno com atmosfera controlada com vazão de N2 de 100 mL min-1, por 1 h, a 900 ºC, com uma velocidade de aquecimento de 10 ºC min-1. Na melhor condição de ativação, por meio dos testes preliminares de adsorção, foi empregado o planejamento experimental, em que foram avaliados: concentração do agente ativante; tempo de ativação; temperatura de ativação; rampa de aquecimento do forno e qual agente ativante. Os adsorventes foram caracterizados por análise centesimal, análises termogravimétricas (TGA) e derivada termogravimétrica (DTG), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), picnometria de gás He e Fisissorção de N2 (BET). Para as melhores condições dos adsorventes, foi realizada uma investigação concomitante de cinética, termodinâmica e equilíbrio por meio de modelos fenomenológicos, para a compreensão mais conclusiva dos mecanismos envolvidos na adsorção dos antibióticos. Com relação aos biossorventes observou que com a modificação básica (EAM-Base), apresentou maior teor de remoção (95%) para a cefalexina no pH 5. Verificou-se pelo MEV e pelo BET que o biossorvente é um material pouco poroso, apresentando baixos valores de área específica e que com a modificação química houve aumento no diâmetro dos poros de 2,52 para 4,10 nm, favorecendo o processo de adsorção dos antibióticos. Como resultados dos testes preliminares dos carvões ativados, foi observado que o carvão submetido a uma ativação básica e uma lavagem ácida (CATB-a), apresentou maior interação com a cefalexina e com a amoxicilina em pH 3. Assim, depois da longa triagem da busca das melhores condições de produção do carvão ativado, por meio do planejamento experimental, concluiu-se que o carvão que removeu 91,41 ± 2,01 % de amoxicilina foi produzido em temperatura de ativação (900 °C), tempo de reação de 60 min e concentração de impregnação de 2,0 mol L-1, utilizando KOH como agente ativante. Por meio de sua caracterização, MEV e BET, verificou que esse carvão apresenta uma estrutura porosa, a presença de micro e mesoporos e uma alta área específica (3026 m2 g- 1), respectivamente. Os resultados de equilíbrio, cinético e termodinâmico de biossorção indicaram que a isoterma de Henry descreveu adequadamente o equilíbrio dos dados experimentais, o modelo associado à difusão intrapartícula (RITM) melhor se ajustou aos dados e apresentou um caráter endotérmico e de quimissorção, respectivamente. Para a modelagem matemática realizada para o carvão ativado foi possível concluir que a etapa limitante de transferência de massa foi a adsorção monocamada e multicamada (AMM), indicando que as resistências difusionais para o carvão ativado com 2 mol/L de KOH do planejamento Box-Behnken (B-CATBKOH-2), não foram expressivas dado à elevada porosidade do material produzido. O B-CATBKOH-2 apresentou capacidade máxima de adsorção em multicamada de 311,9 mg g-1, na concentração inicial de 200 mg L-1, evidenciando sua alta eficiência para adsorção de amoxicilina e seu potencial para remoção de poluentes orgânicos

ABSTRACT: This study aimed to produce and evaluate the potential of adsorbents Residues from the açaí residue for the removal of amoxicillin and cephalexin from aqueous solutions. The biosorption experiments were carried out at different pHs (3, 5, 7 and 9), with different chemical substances (H3PO4 and NaOH, 0.5 mol L-1). Activated coals were created using the "single step method", in which pyrolysis and activation were carried out in an inert atmosphere simultaneously. An extensive screening of activation methods for the preparation of activated charcoal was carried out, in which the açaí stone was impregnated with a solution of the active agent in the proportion of 1:4 (mprecursor / Vativante [1.5 mol L-1]), for 6 h. Pyrolysis was carried out in a controlled atmosphere oven with N2 leakage of 100 mL min-1 for 1 h at 900 ºC, with a heating speed of 10 ºC min-1. In the best activation condition, through preliminary adsorption tests, experimental design was used, in which the following were evaluated: concentration of the activating agent; activation time; activation temperature; furnace heating ramp and which activating agent. The adsorbents were characterized by centesimal analysis, thermogravimetric analysis (TGA) and thermogravimetric derivative (DTG), scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), He gas pycnometry and N2 Fisisortion (BET). For the best conditions of the adsorbents, a concomitant investigation of kinetics, thermodynamics and balance was carried out through phenomenological models, for a more conclusive understanding of the mechanisms involved in the adsorption of antibiotics. Regarding the biosorbents, it was observed that with the basic modification (EAM-Base), it presented a higher removal content (95%) for the cephalexin at pH 5. It was verified by SEM and BET that the biosorbent is a low porous material, presenting low values of specific area and that with the chemical modification there was an increase in the pore diameter from 2.52 to 4.10 nm, favoring the process of adsorption of antibiotics. As a result of the preliminary tests of activated charcoal, it was observed that the coal subjected to a basic activation and an acid wash (CATB-a), showed a greater interaction with cephalexin and amoxicillin at pH 3. Thus, after the long screening of the search for the best conditions for the production of activated carbon, through experimental planning, it was concluded that the coal that removed 91.41 ± 2.01% of amoxicillin was produced at activation temperature (900 °C), reaction time of 60 min and impregnation concentration of 2.0 mol L-1, using KOH as an activating agent. Through its characterization, SEM and BET, it was verified that this charcoal has a porous structure, the presence of micro and mesopores and a high specific area (3026 m2 g-1), respectively. The balance, kinetic and thermodynamic results of biosorption indicated that Henry's isotherm adequately described the balance of the experimental data, the model associated with intraparticle diffusion (RITM) best fitted the data and presented an endothermic and chemisorption character, respectively. For the mathematical modeling performed for the activated carbon it was concluded that the limiting step of mass transfer was the monolayer and multilayer adsorption (AMM), indicating that the diffusion resistances for the activated carbon with 2 mol L-1 of KOH of the planning Box-Behnken (B-CATBKOH- 2), were not significant due to the high porosity of the material produced. B-CATBKOH-2 showed a maximum multilayer adsorption capacity of 311.9 mg g-1, at the initial concentration of 200 mg L-1, evidencing its high efficiency for amoxicillin adsorption and its potential for removing organic pollutants