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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
CIÊNCIA E TECNOLOGIA (33144010003P0)
Educação Presencial
REMOÇÃO DE NITRATO EM SOLUÇÕES AQUOSAS POR PROCESSOS DE ADSORÇÃO EM COMPÓSITOS ARGILACARVÃO
LUCAS GORITO DOS SANTOS
DISSERTAÇÃO
28/03/2024

O excesso de nitrato em ambientes aquáticos representa uma ameaça aos ecossistemas e à saúde humana ao contribuir para a eutrofização, para a ocorrência de metemoglobinemia grave (síndrome do bebê azul) e ser associada a formação de nitrosaminas (cancerígenas). Visando a adsorção de nitrato em soluções aquosas, foi proposto o preparo de adsorventes a partir das seguintes matérias primas: (1) Glicerol; (2) Compósito argila/lodo de esgoto (LDE1-TechPhos). A matéria prima (1) foi carbonizada hidrotermicamente na presença de H2SO4(l) (95-99%) e FeCl3(s), seguido pela pirólise sob fluxo de N2(g) (ultrapuro) dando origem ao CG0. Os sólidos (1 – CG0) e (2 - LDE1-TechPhos) foram submetidos a pirólise sob fluxo de NH3(g) (amonização) sob diferentes temperaturas (T= 400, 600 ou 800 °C) e concentrações (NH3 30% e 5%), resultando em CG01-NH3-T e LDE1-NH3-T, respectivamente. O LDE1-TechPhos apresentou baixo teor de carbono (11,2%) e grupos funcionais oxigenados com baixa estabilidade térmica, levando a adsorventes (LDE1-NH3-T) com estrutura porosa limitada (<34 m2/g) e sem capacidade de adsorção de nitrato. O CG0 apresentou alta área superficial (652 m2/g), baixo teor de espécies de ferro (<1,1% de Fe), grupos ácidos oxigenados (carboxílicos e sulfonados) e pHPCZ baixo (1,1). O CG0 não apresentou capacidade de adsorção durante os testes preliminares, porém, a etapa de amonização imprimiu capacidade de remoção nos carvões de glicerol (3,7-59,8% de remoção) durante os testes preliminares (5,0 mg/L NO3 - ; dosagem = 1 g/L; 300 rpm por 60 min; 23 °C; pH = 5,5). A 400 °C, a amonização do CG0 promoveu a inserção grupos N2 (amino/imina/amida - 92,1%) e N1 (piridina - 7,9%) não elevando o pHPCZ. A 600 °C os grupos N1 (piridina - 66,8%) foram predominantes, quando somados ao N3 (pirrol/lactama/piridona/anilina – 30,7%) e N5 (Óxido de piridina – 2,5%) elevaram o pHPCZ (3,2) deste sólido. O aumento do teor de piridina acompanhou o aumento na taxa de remoção (400 °C = 3,7% e 600 °C= 41,5% de retenção). A 800 °C não houve inserção de grupos nitrogenados devido a evolução prévia dos grupos carboxílicos (≤600 °C), porém, tivemos um aumento na área superficial (1034 m2 /g), no pHPCZ (3,4) e a maior taxa de remoção (59,8%). O delineamento central composto de face centrada indicou a dosagem ideal (2,0 g/L) para remoção de nitrato (3,0-30,0 mg/L NO3 - ) por CG01-NH3-600 ou CG01-NH3-800. Estudos de cinética e isotermas de adsorção demonstraram que os adsorventes CG01-NH3-600 (Qmax = 1,18 mg/g) e CG01-NH3-800 (Qmax = 2,45 mg/g) atingem o equilíbrio em 60 minutos com preferência pelo mesmo modelo cinético (Pseudo -segunda ordem), mas modelos isotérmicos diferentes (Langmuir e Freundlich, respectivamente). A adsorção foi governada por mais de um processo em ambos os adsorventes, incluindo possivelmente ligações de hidrogênio, interação eletrostática, complexação e troca iônica. Alternativamente, a amonização (800 °C) aplicada a um carvão comercial (CCC -> CC-NH3-800), que não apresentou capacidade de adsorção de nitrato, gerou uma resposta de 1,10 mg/g NO3 - (5,0 mg/L NO3 - ; 300 rpm por 60 min; 23 °C; pH = 5,5). A amonização (30% NH3) mostrou-se uma etapa essencial para gerar capacidade de adsorção de nitrato e aumentar o teor de nitrogênio de um material que contém a presença prévia de grupos ácidos oxigenados (carboxílicos), o que abre portas para o estudo desses materiais não apenas como adsorventes, mas também como fertilizantes (fontes de nitrogênio).

adsorção;argila;carvão ativado;esgotos domésticos;nitrato;tratamento terciário
Excess nitrate in aquatic environments represents a threat to ecosystems and human health by contributing to eutrophication, and the occurrence of severe methemoglobinemia (blue baby syndrome) and being associated with the formation of nitrosamines (carcinogens). Aiming at the adsorption of nitrate in aqueous solutions, it was proposed to prepare adsorbents from the following raw materials: (1) Glycerol; (2) Clay/sewage sludge composite (LDE1-TechPhos). The raw material (1) was hydrothermally carbonized in the presence of H2SO4(l) (95-99%) and FeCl3(s), followed by pyrolysis under a N2(g) (ultrapure) flow giving rise to CG0. The solids (1 – CG0) and (2 – LDE1-TechPhos) were subjected to pyrolysis under a NH3(g) flow (ammonization) at different temperatures (T= 400, 600 or 800 °C) and concentrations (NH3 30% and 5%), resulting in CG01-NH3-T and LDE1-NH3-T, respectively. LDE1-TechPhos presented low carbon content (11.2%) and oxygenated functional groups with low thermal stability, leading to adsorbents (LDE1-NH3-T) with limited porous structure (<34 m2 /g) and no adsorption capacity for nitrate. CG0 presented a high surface area (652 m2 /g), low content of iron species (<1.1% Fe), oxygenated acid groups (carboxylic and sulfonated), and low pHPCZ (1.1). CG0 did not show adsorption capacity during the preliminary tests, however, the ammonization stage created a removal capacity in the glycerol coals (3.7-59.8% rate removal) during the preliminary tests (5.0 mg/L NO3 - ; dosage = 1 g/L; 300 rpm for 60 min; 23 °C; pH = 5.5. At 400 °C, the ammonization of CG0 promoted the insertion of nitrogen groups N2 (amino/imine/amide – 92.1%) and N1 (pyridine – 7.9%) without increasing the pHPCZ. At 600 °C the N1 groups (pyridine – 66.8%) were predominant and added to N3 (pyrrole/lactam/pyridone/aniline – 30.7%) and N5 (Pyridine oxide – 2.5%) raised its pHPCZ (3.2). The increase in pyridine content accompanied the increase in the removal rate (400 °C = 3.7% and 600 °C = 41.5% retention). At 800 °C there was no insertion of nitrogenous groups due to the previous evolution of carboxylic groups (≤600 °C), however, we had an increase in the surface area (1034 m2/g) and in the pHPCZ (3.4) which led to the highest rate removal (59.8%). The central composite face-centered design indicated the ideal dosage (2.0 g/L) for nitrate removal (3,0-30,0 mg/L NO3 - ) by CG01-NH3-600 or CG01-NH3-800. Adsorption kinetics and isotherm studies demonstrated that the adsorbents CG01-NH3-600 (Qmax = 1.18 mg/g) and CG01-NH3-800 (Qmax = 2.45 mg/g) reach equilibrium in 60 minutes with a preference for the same kinetic model (Pseudo-second order), but different isothermal models (Langmuir and Freundlich, respectively). Nitrate adsorption was governed by more than one process in both adsorbents, possibly including hydrogen bonding, electrostatic interaction, complexation, and ion exchange. Alternatively, ammonization (800 °C) applied to a commercial carbon (CCC -> CC-NH3-800), which did not present nitrate adsorption capacity, generated a response of 1.10 mg/g NO3 - (5.0 mg/L NO3 - ; 300 rpm for 60 min; 23 °C; pH = 5,5. Ammonization (30% NH3) proved to be an essential step to generate nitrate adsorption capacity and to increase the nitrogen content of a material that contains the previous presence of oxygenated acid (carboxylic) groups, which opens doors for the study of these materials not only as adsorbents but also as fertilizers (nitrogen sources).
adsorption;clay;carbon;domestic sewage;nitrate;tertiary treatment
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PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
O trabalho possui divulgação autorizada
CTQ - LUCAS GORITO DOS SANTOS.pdf

Contexto

QUÍMICA
PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO
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Banca Examinadora

WAGNER ALVES CARVALHO
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
DENISE DE CASTRO BERTAGNOLLI Participante Externo
WAGNER ALVES CARVALHO Docente - PERMANENTE
ANTONIO CARLOS FERREIRA BATISTA Participante Externo

Financiadores

Financiador - Programa Fomento Número de Meses
CONS NAC DE DESENVOLVIMENTO CIENTIFICO E TECNOLOGICO - Bolsa de Mestrado no País GM 23

Vínculo

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Sim
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