Hidrocarvão ativado na adsorção de contaminante emergente : estudo em batelada e leito fixo

Abstract

RESUMO: A ocorrência de contaminantes emergentes em águas superficiais tem sido relatada em todo o mundo, indicando a necessidade de tratamentos alternativos de águas e efluentes. Desta forma, a adsorção com carvão ativado é enfatizada. O material adsorvente é geralmente produzido por pirólise, mas a carbonização hidrotérmica (HTC) como pré-tratamento tem vantagens ambientais, tais como temperaturas de operação mais baixas, pressão "autogerada" e baixa emissão de CO2. Assim como o material pirolisado, o hidrocarvão possui baixa porosidade, justificando a necessidade do processo de ativação. A ativação resulta em um material altamente poroso facilitando seu desempenho como adsorvente. O hidrocarvão ativado (AHC) torna-se eficiente na remoção de produtos farmacêuticos, no entanto, o AHC em pó apresenta desafios para aumento de escala, um problema que pode ser superado com a adição de polímeros como o alginato, transformando-o em um compósito esférico e resistente. Portanto, o objetivo da presente tese foi desenvolver um carvão ativado utilizando a técnica de carbonização hidrotérmica com a matéria-prima bagaço de malte, em seguida imobilizá-lo em esferas de alginato de cálcio e por fim aplicar os materiais na adsorção de paracetamol em processo batelada e em coluna de leito fixo. Como principais resultados destacou-se que a HTC gerou um hidrocarvão com alto teor de carbono (70,92%), e após o processo de ativação, uma alta área superficial específica foi encontrada (1512,83–1872,97 m² g–1). Na remoção de paracetamol, o AHC obteve um tempo de equilíbrio de 60 minutos com uma capacidade máxima de adsorção de 318,00 mg g–1, em batelada. Um segundo adsorvente foi desenvolvido com sucesso a partir da imobilização do AHC com o polímero alginato. A caracterização mostrou que esse adsorvente (AL-AHC) apresenta uma área superficial específica de 533,42 m² g–1, e os resultados de FT-IR identificaram que o alginato atribuiu novos grupos funcionais ao compósito. Os estudos em batelada com AL-AHC revelaram um tempo de equilíbrio de 240 minutos com uma capacidade máxima de adsorção de 165,94 mg g–1 e um comportamento endotérmico. Para os ensaios em leito fixo utilizando o compósito, a capacidade máxima de adsorção foi de 127,01 mg g–1 com uma zona de transferência de massa de 5,89 cm, na melhor condição experimental. Assim, comprovou-se que a HTC foi eficiente como pré-tratamento do bagaço de malte, bem como a utilização do polímero alginato na criação de um novo compósito adsorvente para a remoção de paracetamol

ABSTRACT: The occurrence of emerging contaminants in surface waters has been reported around the world, indicating the need for alternative water and effluent treatments. In this way, adsorption with activated carbon is emphasized. Adsorbent material is usually produced by pyrolysis, but hydrothermal carbonization (HTC) as a pre-treatment has environmental advantages such as lower operating temperatures, "self-generated" pressure, and low CO2 emissions. Like the pyrolyzed material, hydrochar has low porosity, justifying the need for the activation process. Activation results in a highly porous material facilitating its performance as an adsorbent. Activated hydrochar (AHC) is effective in removing pharmaceuticals, however, AHC in powder form presents challenges for scaling up, a problem that can be overcome by adding polymers such as alginate, turning it into a spherical and resistant composite. Therefore, the aim of this thesis was to develop an activated carbon using the hydrothermal carbonization technique with the raw material brewer's spent grain, then immobilize it in calcium alginate beads and finally apply the materials in the adsorption of acetaminophen in batch and fixed bed column process. As main results, it was highlighted that HTC generated a hydrochar with high carbon content (70.92%), and after the activation process, a high specific surface area was found (1512.83–1872.97 m² g–1). In the removal of acetaminophen, the AHC obtained an equilibrium time of 60 minutes with a maximum adsorption capacity of 318.00 mg g–1, in batch. A second adsorbent was successfully developed from the immobilization of AHC with the alginate polymer. The characterization showed that this adsorbent (AL-AHC) has a specific surface area of 533.42 m² g–1, and the FT-IR results identified that the alginate attributed new functional groups to the composite. Batch studies with AL-AHC revealed an equilibrium time of 240 minutes with a maximum adsorption capacity of 165.94 mg g–1 and an endothermic behavior. For the fixed-bed tests using the composite, the maximum adsorption capacity was 127.01 mg g–1 with a mass transfer zone of 5.89 cm, in the best experimental condition. Thus, HTC proved to be efficient as a pre-treatment of brewer's spent grain, as well as the use of alginate polymer in the creation of a new adsorbent composite for the acetaminophen removal