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Título: Carvão ativado de casca de maracujá como adsorvente alternativo na remoção de corantes alimentícios sintéticos em solução aquosa mono e multicomponente
Título(s) alternativo(s): Passion fruit peel activated carbon as an alternative adsorbent for the removal of synthetic food dyes in mono and multicomponent aqueous solution
Autor(es): Cabral, Lucas Lacerda
Orientador(es): Carvalho, Karina Querne de
Palavras-chave: Resíduos industriais
Águas residuais - Purificação
Estatística - Planejamento
Adsorção
Corantes
Factory and trade waste
Sewage - Purification
Statistics - Planning
Adsorption
Colorings matter
Data do documento: 5-Mai-2022
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: CABRAL, Lucas Lacerda. Carvão ativado de casca de maracujá como adsorvente alternativo na remoção de corantes alimentícios sintéticos em solução aquosa mono e multicomponente. 2022. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia Ambiental) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022.
Resumo: Uma parcela considerável de corantes sintéticos é descartada em corpos hídricos devido à grande quantidade utilizada no processo industrial, sendo a toxicidade destes compostos prejudicial à comunidade aquática. A adsorção tem sido investigada como um processo de tratamento eficiente para estes poluentes, aliada ao uso de adsorventes alternativos. O maracujá, fruto amplamente produzido e consumido no Brasil, possui como principal resíduo a casca, com grande potencial de reaproveitamento como adsorvente. Com isso, o objetivo deste trabalho foi avaliar a aplicação de um carvão ativado produzido da casca do maracujá (CCM) como adsorvente alternativo na remoção dos corantes alimentícios sintéticos azul de indigotina (AI), amarelo tartrazina (AT) e ponceau 4R (P4R) em solução aquosa mono e multicomponente. O adsorvente foi caracterizado físico-química e texturalmente. A eficiência de remoção foi otimizada por planejamento experimental fatorial com delineamento composto central rotacional (DCCR) 22, para investigar a influência da dosagem do adsorvente (D) e temperatura (T) na adsorção dos corantes. Ensaios cinéticos foram realizados para obter o tempo de equilíbrio, com ajustes dos dados experimentais aos modelos de pseudo-primeira ordem de Lagergren, pseudo-segunda ordem de Ho-McKay e Elovich. Ensaios de isotermas de equilíbrio foram conduzidos e os dados ajustados aos modelos de Freundlich, Langmuir, Sips, Temkin e Redlich-Peterson. Ensaios termodinâmicos foram executados nas temperaturas de 25, 40 e 55 ºC para determinação das variações de entalpia (ΔHº), entropia (ΔSº) e energia de Gibbs (ΔGº). Ensaios em soluções binárias e ternárias foram conduzidos para investigar a competitividade dos corantes pelos sítios disponíveis no adsorvente. Nas condições ótimas obtidas no planejamento foram tratados efluentes sintéticos contendo os corantes. O adsorvente apresentou característica macroporosa, área superficial pequena (0,08 m2 g-1), pH alcalino (10,90) e predominância de grupos básicos pelo método de Boehm (0,56 mmol g-1). Pelo DCCR foi verificada maior eficiência de remoção para AI (100%) em D = 8,8 g L-1 e T = 45,3 ºC, para AT (79%) em D = 9,6 g L-1 e T = 52,5 ºC e para P4R (84%) em D = 8,7 g L-1 e T = 52,9 ºC. Os dados experimentais foram melhor ajustados pelo modelo cinético de Elovich (R2 > 0,98) e de isotermas por Redlich-Peterson (R2 > 0,99), ambos preconizando influência de processos químicos na adsorção. Os resultados termodinâmicos denotaram processo endotérmico (ΔHº > 0), com alto grau de aleatoriedade das moléculas (ΔSº > 0) e espontâneo (ΔGº < 0). Nas soluções multicomponentes foram notados efeitos antagônicos de interação entre os corantes, em que a presença de um adsorvato suprimiu a adsorção do outro, levando a menores quantidades adsorvidas em comparação aos ensaios monocomponente. Estudos dos mecanismos indicaram a ocorrência da adsorção por preenchimento de poros, atração eletrostática, ligação de hidrogênio, interação do tipo π-π e formação de ligação covalente. A aplicação do CCM no tratamento de efluentes sintéticos apresentou resultados promissores com boas eficiências de remoção para AI (99,87%), AT (52,51%) e P4R (67,90%). Portanto, foi possível constatar a potencial aplicação do CCM como adsorvente alternativo de corantes alimentícios, com base nos resultados obtidos neste trabalho.
Abstract: A considerable portion of synthetic dyes is discarded in water bodies due to the large amount used in the industrial process, and the toxicity of these compounds is harmful to the aquatic community. Adsorption has been investigated as an efficient treatment process for these pollutants, combined with the use of alternative adsorbents. Passion fruit, a fruit widely produced and consumed in Brazil, has the peel as its main residue, with great potential for reuse as an adsorbent. Thus, the objective of this work was to evaluate the application of an activated carbon produced from passion fruit peel (PFAC) as an alternative adsorbent in the removal of synthetic food dyes indigotine blue (IB), tartrazine yellow (TY) and ponceau 4R (P4R) in mono and multicomponent aqueous solution. The adsorbent was physical-chemically and texturally characterized. Removal efficiency was optimized by factorial experimental design with central composite rotational design (CCRD) 22, to investigate the influence of adsorbent dosage (D) and temperature (T) on dye adsorption. Kinetic assays were performed to obtain the equilibrium time, with fitting of the experimental data to Lagergren pseudo-first-order, Ho-McKay pseudo-second-order and Elovich models. Equilibrium isotherm assays were conducted and the data fitted to Freundlich, Langmuir, Sips, Temkin and Redlich-Peterson models. Thermodynamic assays were performed at temperatures of 25, 40 and 55 ºC to determine enthalpy (ΔHº), entropy (ΔSº) and Gibbs energy (ΔGº) variations. Assays in binary and ternary solutions were conducted to investigate the competitiveness of dyes for available sites in the adsorbent. In the optimal conditions obtained in the planning, synthetic effluents containing the dyes were treated. The adsorbent presented macroporous characteristics, small surface area (0.08 m2 g-1), alkaline pH (10.90) and predominance of basic groups by the Boehm method (0.56 mmol g-1). By the CCRD, higher removal efficiency was verified for IB (100%) in D = 8.8 g L-1 and T = 45.3 ºC, for TY (79%) in D = 9.6 g L-1 and T = 52.5 °C and for P4R (84%) at D = 8.7 g L-1 and T =52.9 °C. The experimental data were better fitted by the Elovich kinetic model (R2 > 0.98) and the Redlich-Peterson isotherm model (R2 > 0.99), both advocating the influence of chemical processes on adsorption. The thermodynamic results denoted an endothermic process (ΔHº > 0), with a high degree of randomness of the molecules (ΔSº > 0) and spontaneous (ΔGº < 0). In the multicomponent solutions, antagonistic effects of interaction between the dyes were noticed, in which the presence of one adsorbate suppressed the adsorption of the other, leading to smaller amounts adsorbed in comparison to the single component assays. Mechanism studies indicated the occurrence of adsorption by pore-filling, electrostatic attraction, hydrogen bonding, π-π interaction and covalent bond formation. The application of PFAC in the treatment of synthetic effluents showed promising results with good removal efficiencies for IB (99.87%), TY (52.51%) and P4R (67.90%). Therefore, it was possible to verify the potential application of PFAC as an alternative adsorbent for food coloring, based on the results obtained in this work.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/29292
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