UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM PROCESSOS QUÍMICOS PAULO HENRIQUE HIDEKI ARAKI ADSORÇÃO DE CORANTE AZUL REATIVO 222 EM CARVÃO ATIVADO PRODUZIDO A PARTIR DO BAGAÇO DA CANA-DE- AÇÚCAR TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO APUCARANA 2013
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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM PROCESSOS QUÍMICOS
PAULO HENRIQUE HIDEKI ARAKI
ADSORÇÃO DE CORANTE AZUL REATIVO 222 EM CARVÃO ATIVADO PRODUZIDO A PARTIR DO BAGAÇO DA CANA-DE-
AÇÚCAR
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
APUCARANA 2013
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PAULO HENRIQUE HIDEKI ARAKI
ADSORÇÃO DE CORANTE AZUL REATIVO 222 EM CARVÃO ATIVADO PRODUZIDO A PARTIR DO BAGAÇO DA CANA-DE-
AÇÚCAR Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, do Curso Superior de Tecnologia em Processos Químicos da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo. Orientadora: Profa. Me.Fernanda Lini Seixas Co-orientadora: Profa. Dra. Franciele Rezende Barbosa Turbiani
APUCARANA 2013
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Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Diretoria do Campus Apucarana Pró-Reitoria de Graduação e Educação Profissional
Graduação em Tecnologia em Processos Químicos
TERMO DE APROVAÇÃO
ADSORÇÃO DE CORANTE AZUL REATIVO 222 EM CARVÃO ATIVADO PRODUZIDO A PARTIR DO BAGAÇO DA CANA-DE-
AÇÚCAR
por
PAULO HENRIQUE HIDEKI ARAKI
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentada às 16 horas do dia 05
de abril de 2013 como requisito parcial para obtenção do título de TECNÓLOGO EM
PROCESSOS QUÍMICOS, Programa de Graduação em Tecnologia, Universidade
Tecnológica Federal do Paraná, Câmpus Apucarana. O candidato foi arguido pela
Banca Examinadora composta pelos professores: Me. Fernanda Seixas
(orientadora), Dra. Ana Ueda e Dr. Márcio Eduardo Berezuk. Após deliberação, a
Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado desde que atendidas às
Aos meus pais e, por extensão, a toda minha família, que moveram esforços
para alcançar tudo aquilo que alcancei até hoje e sempre incentivaram a me tornar
um ser humano melhor.
Agradeço aos meus amigos de longa data e, especialmente, a Ana Carolina,
Guilherme, José Augusto, Marcela e Mariane, aqueles com que tive o prazer e a
oportunidade de conviver ao longo da graduação. Que esta amizade aqui
mencionada perdure ao longo de muitos outros anos.
Um agradecimento especial a Professora M.Sc. Fernanda Lini Seixas, pela
paciente e sábia orientação proferida, arquitetando com maestria o presente
trabalho. Uma experiência que, certamente, rendeu preciosos momentos de
aprendizado.
À Professora Dra. Franciele Rezende Barbosa, por todo auxílio fornecido ao
longo de toda sua orientação.
Agradeço à Universidade Estadual de Maringá, pelo auxílio na obtenção dos
resultados que estão dispostos no presente trabalho.
Agradeço a todos os professores com quem tive contato ao longo desta
jornada, cuja instrução e incentivo foram capazes de estimular a constante busca por
conhecimento.
Por fim, mas não menos importante, agradeço a Universidade Tecnológica
Federal do Paraná e, por extensão, aos servidores e funcionários, que fizeram com
que o trabalho e o conhecimento aqui adquirido tornassem realidade.
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Para se ter sucesso, é necessário amar de verdade o que
se faz. Caso contrário, levando em conta apenas o lado
racional, você simplesmente desiste. É o que acontece
com a maioria das pessoas.
(JOBS, Steve, 2007)
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RESUMO
ARAKI, Paulo H. H. Adsorção de corante azul reativo 222 em carvão ativado produzido a partir do bagaço da cana-de-açúcar. 2013. 55 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso Superior de Tecnologia em Processos Químicos), Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Apucarana, 2013.
A crescente demanda de produtos e serviços por parte da população traz à tona a questão da geração de efluentes e resíduos versus as novas técnicas de tratamento dos compostos gerados. Visando solucionar este problema, o presente trabalho apresenta um método de produção de carvão ativado a partir de resíduos provenientes de usinas de cana-de-açúcar. O material assim obtido pode ser usado para a adsorção de corante Azul Reativo 222 presente em solução aquosa, simulando um efluente real proveniente do processo de tinturaria de tecidos jeans das indústrias têxteis. Partindo-se do processo de ativação química do substrato, com posterior caracterização, é possível determinar a cinética da adsorção do corante, além do ajuste de isotermas de adsorção através dos métodos de Langmuir e Freundich. A influência que os distintos valores de pH exercem sobre o processo também pode ser observada. A caracterização da matéria-prima indicou umidade de 6,9%, teor de cinzas equivalente a 1,2% e cinzas insolúveis iguais a 53,87% em massa de cinzas. Analisando-se as propriedades dos carvões, descobriu-se que o carvão ativado com NaOH possuiu maior área específica em relação ao comercial, evidenciando sua melhor eficiência na remoção de cor. Nos testes cinéticos de adsorção do corante, encontrou-se um tempo de equilíbrio correspondente a 4 horas. Nesta condição, a quantidade de corante adsorvida foi de 18,52 mg de corante por grama de adsorvente utilizado. Ao avaliar o efeito do pH para operação do sistema, descobriu-se que em meios básicos, o procedimento se mostrou ligeiramente mais eficaz. Ao analisar o tipo de isoterma que melhor ajustou os dados obtidos, definiu-se que a isoterma de Freundlich foi a que possuiu melhor representatividade. Este experimento contribui de maneira efetiva quanto ao entendimento do processo de adsorção no geral.
ARAKI, Paulo H. H. Reactive blue 222 dye adsorption in activated carbon produced from sugar cane bagasse. 2013. 55 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Tecnologia em Processos Químicos), Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Apucarana, 2013.
The increased public demand for products and services bring together the effluent and residue generation versus new treatment techniques issue. Aiming a solution to this problem, the present study proposes a method of activated carbon production from sugar cane mills residues. The obtained material can be used in the adsorption of Reactive Blue 222 in aqueous phase, simulating a real effluent from jeans fabric dyeing on textile industries. Starting with chemical and physical substrate activation processes, followed by characterization, it is possible to determinate the dye’s adsorption kinetics, in addition to the adsorption isotherm adjust by the Langmuir and Freundlich methods. The influence caused by different pH values was also observed. The characterization of raw materials indicated 6,9% of humidity, ash content equivalent to 1,2% and 53,87% by ash mass of ashes insoluble in acid medium. Analyzing carbon properties, it was found that the carbon activated with NaOH had larger specific area than the commercial one, highlighting its better color removal efficiency. By dye’s adsorption kinetics trials, it was found a stabilizing time corresponding to 4 hours. In this condition, the quantity of adsorbed dye was 18.52 mg of dye per gram of adsorbent. Assessing the pH effect on system operation, it was discovered that in alkaline mediums, the process showed slightly more efficiency. Analyzing the type of isotherm that showed the best fit to the experimental data, it was defined that Freundlich isotherm had the best representation. In general, this experiment contributes effectively to the understanding of adsorption processes.
Figura 1 – Molécula de corante Azul Reativo 222 ..................................................... 25 Figura 2 – Isoterma de adsorção/dessorção de N2 para diversos adsorventes ........ 30 Figura 3 – Tipos de isotermas segundo classificação da IUPAC .............................. 30 Figura 4 – Curvas de ATG para os diversos adsorventes ......................................... 32 Figura 5 – MEV para o bagaço de cana sem tratamento .......................................... 33 Figura 6 – MEV para o bagaço calcinado a 500 ºC e ativado com NaOH ................. 34 Figura 7 – Curva de calibração do corante Azul Reativo 222 .................................... 35 Figura 8 – Cinética de adsorção do corante sobre carvão ativado de bagaço de cana-de-açúcar ......................................................................................................... 37 Figura 9 – Cinética de adsorção do corante sobre carvão ativado comercial ........... 37 Figura 10 – Capacidade de adsorção do corante versus pH da fase aquosa ........... 39 Figura 11 – Isoterma de Langmuir referente à adsorção de corante sobre carvão ativado de bagaço de cana, em diferentes concentrações ....................................... 40 Figura 12 – Isoterma de Freundlich referente à adsorção de corante sobre carvão ativado de bagaço de cana, em diferentes concentrações ....................................... 41
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Análise textural. ....................................................................................... 29 Tabela 2 – Dados para análise cinética do carvão ativado de bagaço de cana ........ 35 Tabela 3 – Dados para análise cinética do carvão ativado comercial ....................... 36 Tabela 4 – Dados obtidos para ensaios com variação de pH do corante .................. 38 Tabela 5 – Dados obtidos para ensaios com variação de concentração do corante . 39 Tabela 6 – Parâmetros das isotermas de Langmuir e Freundlich .............................. 41
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 10 2 OBJETIVOS ......................................................................................................... 12 2.1 Objetivo Geral ................................................................................................... 12 2.2 Objetivos Específicos ........................................................................................ 12 3 JUSTIFICATIVAS ................................................................................................ 13 4 REFERENCAL TEÓRICO......... ........................................................................... 14 4.1 INDÚSTRIA TÊXTIL .......................................................................................... 14 4.2 CORANTES ...................................................................................................... 14 4.2.1 Corantes Reativos .......................................................................................... 15 4.3 TRATAMENTO DE EFLUENTES TÊXTEIS....................................................... 15 4.3.1 Métodos Destrutivos ....................................................................................... 16 4.3.2 Métodos Não-destrutivos ................................................................................ 17 4.4 CARVÃO ATIVADO ........................................................................................... 17 4.4.1 Produção de Carvão Ativado .......................................................................... 17 4.4.2 Caracterização Textural dos Carvões Ativados .............................................. 18 4.5 ADSORÇÃO DE CORANTE POR CARVÃO ATIVADO PROVENIENTE DE RESÍDUOS AGROINDUSTRIAIS .............................................................................. 19 4.5.1 Isotermas de Adsorção ................................................................................... 19 4.5.1.1 Isoterma de Langmuir .................................................................................. 20 4.5.1.2 Isoterma de Freundlich ................................................................................ 20 5 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................... 21 5.1 MATÉRIA-PRIMA .............................................................................................. 21 5.2 CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA ...................................................... 21 5.2.1 Umidade ......................................................................................................... 21 5.2.2 Conteúdo de Cinzas ....................................................................................... 22 5.2.3 Teor de Sílica .................................................................................................. 22 5.3 ATIVAÇÃO QUÍMICA DO CARVÃO .................................................................. 22 5.4 CARACTERIZAÇÃO DO CARVÃO ATIVADO ................................................... 23 5.4.1 Análise Textural .............................................................................................. 23 5.4.2 Análise Termogravimétrica ............................................................................. 24 5.4.3 pH ................................................................................................................... 24 5.4.4 Morfologia ....................................................................................................... 24 5.4 CINÉTICA DE ADSORÇÃO ............................................................................... 25 5.6 AVALIAÇÃO DO EFEITO DE VARIAÇÃO DE pH .............................................. 26 5.7 ISOTERMAS DE ADSORÇÃO .......................................................................... 27 6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................ 28 6.1 CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA ...................................................... 28 6.2 CARACTERIZAÇÃO DO CARVÃO ATIVADO ................................................... 29 6.2.1 Análise Textural .............................................................................................. 29 6.2.3 pH ................................................................................................................... 32 6.2.4 Morfologia ....................................................................................................... 33 6.3 CINÉTICA DE ADSORÇÃO ............................................................................... 34 6.4 EFEITO DE VARIAÇÃO DE pH ......................................................................... 38 6.5 ISOTERMAS DE ADSORÇÃO .......................................................................... 39 7 CONCLUSÕES .................................................................................................... 43 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 44 ANEXOS ................................................................................................................... 50
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1 INTRODUÇÃO
A constante taxa de crescimento populacional observada ao longo das
últimas décadas, aliada ao surgimento de uma enorme demanda por parte da
sociedade, ocasionou em uma ampla evolução no setor das indústrias têxteis. Aliado
a isso, o volume de efluente gerado foi diretamente proporcional à ampliação das
Observa-se que, mesmo com a variação da concentração inicial do corante,
todos os testes analisados corresponderam a ótimas capacidades de adsorção,
sendo um percentual mínimo de 90% de remoção de cor foi obtido para todos os
casos.
Para o ajuste da isoterma de Langmuir aos dados experimentais, é
necessário realizar a linearização da Equação 1, de modo a se obter uma equação
de reta, como pode ser observado na Equação 6.
e
mLme
e CqKqq
C
11 (6)
Para a obtenção dos parâmetros, é necessário plotar um gráfico
correlacionando os valores de Ce no eixo x e a razão Ce/qe no eixo y, conforme
observado na Figura 11.
Figura 41 – Isoterma de Langmuir referente à adsorção de corante sobre carvão ativado de bagaço de cana, em diferentes concentrações
O ajuste da isoterma de Freundlich segue o mesmo princípio abordado na
linearização da isoterma de Langmuir. Primeiramente, fez-se a linearização da
Equação 2 para a determinação dos parâmetros, conforme disposto na Equação 7.
eFe Cn
Kq log1
loglog
(7)
41
Com isso, obteve-se o gráfico demonstrado na Figura 11, com respectivos
valores para a equação da reta proposta e coeficiente de determinação.
Figura 52 – Isoterma de Freundlich referente à adsorção de corante sobre carvão ativado de bagaço de cana, em diferentes concentrações
Deste modo, os parâmetros encontrados para ambas as isotermas, a partir
dos coeficientes angulares e lineares de suas respectivas isotermas, estão dispostos
na Tabela 6.
Ao avaliar os coeficientes de determinação para os processos de adsorção
em diferentes concentrações, descobre-se que a isoterma de Freundlich obteve
melhor ajuste que a isoterma de Langmuir, devido ao maior coeficiente de
determinação, portanto, esta isoterma é a que possui melhor ajuste aos dados
experimentais obtidos.
Tabela 6 – Parâmetros das isotermas de Langmuir e Freundlich
Parâmetros de Langmuir Parâmetros de Freundlich
qm (mg g-1) KL (L mg-1) R² KF n R²
140,85 0,0409 0,9446 5,82 1,15 0,9966
42
Observa-se que o parâmetro n encontrado para a isoterma de Freundlich,
parâmetro responsável pela determinação da intensidade de adsorção, indica que
houve a interação adsorvente/adsorvato de modo favorável, ou seja, o carvão
ativado adsorveu o corante reativo em proporções significativas.
43
7 CONCLUSÃO
No presente trabalho, foi possível avaliar a capacidade de adsorção de um
material proveniente de uma técnica de produção de carvão ativado que aproveita
um resíduo agroindustrial.
O bagaço de cana-de-açúcar utilizado possuiu umidade de 6,9%, teor de
cinzas correspondente a 1,2 % e cinzas insolúveis na faixa de 53,87%, em massa de
cinzas totais. As cinzas insolúveis em ácido correspondem, majoritariamente, ao teor
de sílica presente na amostra.
Através da análise textural, é possível observar que o carvão proveniente do
bagaço calcinado a 500 ºC com posterior ativação com NaOH, possuiu maior
elevada área específica (1328 m² g-1), valor superior à área apresentada pelo carvão
ativado comercial.
Ao avaliar a cinética da reação, em diferentes intervalos de tempo,
descobriu-se que o tempo de equilíbrio para o processo de adsorção foi de 4 horas
para o carvão ativado produzido a partir de bagaço de cana e para o carvão ativado
comercial não foi possível ser determinado, visto que o processo não atingiu o
equilíbrio mesmo depois do tempo de 24 horas utilizado no presente estudo.
Em relação à influência gerada mediante o uso de diferentes valores de pH,
sob concentração constante, ficou evidenciado a melhor capacidade de adsorção em
pH alcalinos encontrado, equivalente a 10.
Quanto às isotermas de adsorção obtidas ao longo do trabalho, foi proposto
que o modelo de Freundlich foi o que melhor ajustou aos dados experimentais.
Com relação à perspectiva de futuros trabalhos envolvendo a mesma
temática, seria interessante estender a avaliação da adsorção para outros tipos de
corante, sejam eles sintéticos ou naturais, ou ainda o uso de efluentes reais, de
modo a avaliar a viabilidade de se aplicar um scale up para nível industrial, até
mesmo por se tratar de um resíduo que é encontrado com abundância em algumas
regiões do país.
Assim como proposto por outros autores, todavia para resíduos distintos,
seria interessante o uso do próprio bagaço de cana-de-açúcar como adsorvente
primário, sem a necessidade de ativação.
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ANEXOS ANEXO A – Absorbância para ensaios com carvão ativado de bagaço de cana em diferentes tempos