Análise da potencialidade de rejeitos industriais na produção de novos materiais adsorventes para tratamento de efluentes aquosos

Abstract

RESUMO: Os contaminantes emergentes (CEs), definidos de forma simples como substâncias que surgiram recentemente ou cuja presença já era conhecida, mas cujos riscos ainda não haviam sido identificados, têm sido detectados em corpos hídricos em todo o mundo. E apesar da baixa concentração, na ordem de nanogramas por litro, seus efeitos deletérios à saúde humana e ao ambiente tem se tornado comprovadamente evidentes através de muitos estudos sobre o assunto. Corantes, pesticidas e fármacos são frequentemente observados. No caso particular dos fármacos, pesquisas recentes têm relacionado sua presença em meios aquáticos, principalmente antibióticos, com algumas estirpes de bactérias multirresistentes. No entanto, a remoção desses contaminantes não é tarefa simples, pois os métodos tradicionais de tratamento de água têm se revelado insuficientes para eliminar vários tipos de contaminantes, o que torna indispensável o uso de tecnologias mais avançadas para garantir padrões adequados de potabilidade. Assim, a adsorção surge como uma opção promissora, pois oferece baixo custo, operação simples e fácil aplicação em diferentes sistemas. Porém, é necessário o desenvolvimento de materiais adsorventes altamente eficientes em termos de desempenho e custo. Dentro desse contexto o objetivo deste trabalho foi explorar as potencialidades de rejeitos industriais na produção de novos materiais adsorventes e possíveis aplicações em tratamento de efluentes aquosos. Para atingir esse objetivo, rejeitos industriais com grande disponibilidade na região norte do Paraná, bagaço-se-cana e serragem de MDF, foram utilizados para sintetizar materiais carbonáceos porosos e suas aplicações em adsorção estão registradas em dois artigos que compõem esta tese. Em ambos, resíduos viii distintos foram utilizados para sintetizar carvões por rota hidrotérmica que foram ativados e posteriormente aplicados de formas distintas. Os resultados, aqui descritos, estão na forma de artigos. No primeiro artigo, um carvão obtido pela hidrocarbonização de bagaço de cana e água de purga de caldeira, foi modificado impregnando-o com alicina, um biocida natural e principal composto do alho, e aplicado para inativar bactérias multirresistentes de efluentes hospitalares sintéticos. A atividade antibacteriana da alicina contra E. coli foi avaliada por meio de ensaios de concentração inibitória mínima (MIC), concentração bactericida mínima (MBC) e difusão em disco, demonstrando uma inibição eficaz do crescimento bacteriano, como esperado. Ensaios de adsorção mostraram que o carvão modificado melhorou a eficiência da inativação de E. coli em efluente hospitalar sintético em 3%, em comparação com água deionizada e estéril. Esta melhoria foi atribuída às interações positivas e aos efeitos sinérgicos entre o carvão e os constituintes das águas residuais. No segundo artigo, o carvão obtido por hidrocarbonização de serragem de MDF e água, foi ativado física e quimicamente, com CO2 e KOH, respectivamente. Os materiais foram avaliados quanto à remoção de seis contaminantes emergentes em soluções padrão: ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D); azul de metileno (MB), laranja de metila (MO), paracetamol (PAR), cafeína (CAF) e hidroxicloroquina (HQC). Dentre as amostras, o carvão ativado com KOH apresentou maior capacidade de adsorção, atingindo 443 mg.g-1 para 2,4-D, 507 mg.g-1 para MB e 280-399 mg.g-1 para os demais contaminantes. Além disso, o pHPZC sugeriu compatibilidade com operações convencionais de estações de tratamento de águas residuais (ETE), indicando uma possível redução no consumo de produtos químicos e em impactos ambientais secundários. As descobertas demonstraram que os resíduos de MDF podem ser efetivamente transformados em adsorventes de alto desempenho usando uma abordagem adequada e escalável. Como conclusão geral têm-se que os carvões sintetizados a partir dos resíduos industriais demonstraram bons desempenhos em aplicações distintas, confirmando a potencialidade dos resíduos empregados na pesquisa.

ABSTRACT: Emerging contaminants (ECs), broadly defined as substances that have recently appeared or whose presence has long been known but whose associated risks had not yet been identified, have been detected in water bodies worldwide. Despite occurring at low concentrations, on the order of nanograms per liter, their deleterious effects on human health and the environment have become increasingly evident, as demonstrated by numerous studies. Dyes, pesticides, and pharmaceuticals are frequently reported. In the particular case of pharmaceuticals, recent research has linked their presence in aquatic environments - especially antibiotics - to the occurrence of multidrug-resistant bacterial strains. However, the removal of these contaminants is not a simple task, as conventional water treatment methods have proven insufficient to eliminate several classes of contaminants, making the adoption of more advanced technologies essential to ensure adequate drinking water standards. In this context, adsorption emerges as a promising option due to its low cost, simple operation, and ease of application in different systems. Nevertheless, the development of highly efficient and cost-effective adsorbent materials remains necessary. Within this framework, the objective of this work was to explore the potential of industrial residues for the production of new adsorbent materials and their possible applications in the treatment of aqueous effluents. To achieve this goal, industrial residues with high availability in northern Paraná, namely sugarcane bagasse and MDF sawdust, were used to synthesize porous carbonaceous materials. Their adsorption applications are reported in two articles that comprise this thesis. In both studies, different x residues were used to synthesize carbon materials via a hydrothermal route, which were subsequently activated and applied in distinct ways. The results are presented in the form of scientific articles. In the first article, a carbon obtained by the hydrothermal carbonization of sugarcane bagasse and boiler blowdown water was modified by impregnation with allicin, a natural biocide and the main active compound of garlic, and applied to the inactivation of multidrug-resistant bacteria in synthetic hospital wastewater. The antibacterial activity of allicin against E. coli was evaluated using minimum inhibitory concentration (MIC), minimum bactericidal concentration (MBC), and disk diffusion assays, demonstrating effective inhibition of bacterial growth, as expected. Adsorption tests showed that the modified carbon improved the inactivation efficiency of E. coli in synthetic hospital wastewater by 3% compared to deionized and sterile water. This improvement was attributed to positive interactions and synergistic effects between the carbon material and the constituents of the wastewater. In the second article, the carbon obtained by the hydrothermal carbonization of MDF sawdust and water was physically and chemically activated using CO? and KOH, respectively. The materials were evaluated for the removal of six emerging contaminants in standard solutions: 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), methylene blue (MB), methyl orange (MO), paracetamol (PAR), caffeine (CAF), and hydroxychloroquine (HQC). Among the samples, the KOH-activated carbon exhibited the highest adsorption capacity, reaching 443 mg.g?¹ for 2,4-D, 507 mg.g?¹ for MB, and 280-399 mg.g?¹ for the other contaminants. In addition, the pHpcz suggested compatibility with conventional wastewater treatment plant (WWTP) operations, indicating a potential reduction in chemical consumption and secondary environmental impacts. These findings demonstrated that MDF residues can be effectively converted into high-performance adsorbents using an appropriate and scalable approach. As a general conclusion, the carbons synthesized from industrial residues exhibited good performance in distinct applications, confirming the potential of the residues employed in this research.