Desenvolvimento e avaliação de adsorventes sustentáveis para tratamento de água

Abstract

RESUMO: A contaminação dos recursos hídricos por poluentes emergentes e microrganismos produtores de toxinas configura-se como uma problemática ambiental de elevada complexidade e relevância para a saúde pública contemporânea. Os contaminantes de preocupação emergente, incluindo compostos farmacêuticos ativos, agrotóxicos e produtos de cuidado pessoal, juntamente com patógenos resistentes aos métodos de tratamento tradicionais, têm sido sistematicamente identificados em concentrações de nível traço (ng/L a ?g/L) em diversas matrizes aquáticas superficiais e subterrâneas. Esta ocorrência representa uma ameaça multifacetada aos ecossistemas aquáticos e à segurança sanitária, demandando abordagens inovadoras de monitoramento, avaliação de risco e tecnologias de tratamento para a mitigação dos impactos adversos sobre a biota aquática e a saúde humana. Neste contexto, os adsorventes de origem natural, incluindo aluminossilicatos zeolíticos e biomassa residual de atividades agroindustriais, emergem como uma alternativa tecnológica sustentável e economicamente viável, apresentando características físico-químicas favoráveis, elevada disponibilidade e custo-efetividade superiores aos materiais sintéticos convencionais. As zeólitas naturais são aluminossilicatos microporosos e estáveis, com alta área superficial e capacidade de troca iônica, adequadas para adsorção de contaminantes em meio aquoso. A casca da sapucaia, por sua vez, é um biomaterial lignocelulósico rico em grupos funcionais ativos e dotado de estrutura porosa, características que favorecem interações químicas e físicas com diferentes poluentes. Dessa forma, a presente tese teve como objetivo desenvolver, caracterizar e avaliar materiais adsorventes para purificação de água, com foco em sistemas baseados em materiais naturais funcionalizados e biomateriais obtidos de resíduos agroindustriais. A pesquisa buscou investigar a eficiência desses adsorventes na remoção de contaminantes emergentes, como fármacos e cianobactérias, visando o avanço de tecnologias de tratamento de água mais sustentáveis e de baixo custo. No primeiro estudo, a zeólita homoiônica modificada com nanopartículas de prata foi caracterizada utilizando microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), difração de raios X (DRX) e medidas de potencial zeta. Essas análises comprovaram tanto a distribuição uniforme das nanopartículas quanto a estabilidade química do material desenvolvido. Quando aplicado na remoção da cianobactéria Microcystis aeruginosa, umas das principais espécies responsáveis por florações algais nocivas (Cyano-HABs), o sistema demonstrou eficiência de adsorção celular satisfatória, atingindo capacidade máxima (qe) de 324,750 cel/g. Esse resultado representa um desempenho promissor para aplicações no controle de florações algais nocivas.O segundo estudo examinou a aplicação de casca de sapucaia (SPC) como bioadsorvente para remoção de cloroquina (CQN) de soluções aquosas. A cinética de adsorção seguiu um modelo de pseudo-segunda ordem, sugerindo que a quimissorção constitui o mecanismo predominante no processo. A análise isotérmica demonstrou excelente ajuste tanto aos modelos de Langmuir quanto de Freundlich (R² > 0,96), com capacidade máxima de adsorção de 250,09 mg g?¹ a 298 K. Os resultados obtidos comprovam que o SPC representa um adsorvente eficiente, de baixo custo e ambientalmente sustentável para remoção de fármacos, apresentando potencial significativo para aplicações práticas e escalabilidade em sistemas de tratamento de águas residuais. Por fim, o terceiro estudo consistiu em uma revisão abrangente sobre a ocorrência de cianobactérias e cianotoxinas em ambientes aquáticos e captações de água, abordando relatos de incidência, diversidade de congêneres, métodos de detecção por espectrometria de massas e implicações para a saúde humana. Assim, esta tese propõe o uso estratégico de zeólitas naturais funcionalizadas e de materiais derivados de resíduos agrícolas como alternativas inovadoras e ambientalmente responsáveis no enfrentamento dos desafios atuais relacionados à qualidade da água.

ABSTRACT: The contamination of water resources by emerging pollutants and toxin producing micro-organisms constitutes an environmental issue of great complexity and of critical importance to contemporary public health. Emerging contaminants, including active pharmaceutical compounds, agrochemicals and personal-care products, together with pathogens resistant to conventional treatment methods, have been systematically detected at trace concentrations (ng L?¹ to ?g L?¹) in a variety of surface and ground water matrices. Their presence represents a multifaceted threat to aquatic ecosystems and sanitary security, calling for innovative monitoring approaches, risk assessment protocols and treatment technologies capable of mitigating adverse impacts on aquatic biota and human health. Within this context, naturally derived adsorbents, such as zeolitic aluminosilicates and residual biomass from agro-industrial activities, are emerging as sustainable, economically viable technological alternatives, offering favorable physicochemical properties, high availability and cost effectiveness superior to conventional synthetic materials. Natural zeolites are stable microporous aluminosilicates with high specific surface area and ion-exchange capacity, well suited to adsorb contaminants in aqueous media. Sapucaia shell, in turn, is a lignocellulosic biomaterial rich in active functional groups and endowed with a porous structure, both of which promote chemical and physical interactions with a range of pollutants. Accordingly, the present thesis aimed to develop, characterise and evaluate adsorbent materials for water purification, focusing on systems based on functionalized natural materials and biomaterials obtained from agroindustrial residues. The research investigated the efficiency of these adsorbents in removing emerging contaminants, such as pharmaceuticals and cyanobacteria, with a view to advancing more sustainable, low-cost water-treatment technologies. In the first study, homoionic zeolite modified with silver nanoparticles was characterized by scanning electron microscopy (SEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) and zeta-potential measurements. These analyses confirmed both the uniform distribution of the nanoparticles and the chemical stability of the material developed. When applied to the removal of the cyanobacteria Microcystis aeruginosa, one of the principal species responsible for harmful algal blooms (Cyano-HABs), the system displayed satisfactory cellular adsorption efficiency, achieving a maximum capacity (q?) of 324.750 cells g?¹, an encouraging performance for controlling harmful algal blooms. The second study examined the application of Sapucaia shell (SPC) as a bioadsorbent for removing chloroquine (CQN) from aqueous solutions. Adsorption kinetics followed a pseudo-second-order model, suggesting that chemisorption is the predominant mechanism. Isotherm analysis fitted the Langmuir and Freundlich models equally well (R² > 0.96), with a maximum adsorption capacity of 250.09 mg g?¹ at 298 K. The results demonstrate that SPC is an efficient, low cost and environmentally sustainable adsorbent for pharmaceutical removal, with significant potential for practical application and scalability in wastewater-treatment systems. Finally, the third study comprised a comprehensive review of the occurrence of cyanobacteria and cyanotoxins in aquatic environments and water intakes, covering incidence reports, congener diversity, mass-spectrometric detection methods and implications for human health. This thesis, therefore, proposes the strategic use of functionalized natural zeolites and materials derived from agricultural residues as innovative and environmentally responsible alternatives to address current challenges in water-quality management.