Otimização de misturas de coagulantes para a remoção de cádmio, cobre e chumbo em sistema aquoso por coprecipitação

Abstract

Neste trabalho otimizou-se o processo de remoção dos cátions metálicos cádmio(II), cobre(II) e chumbo(II) de sistemas aquosos que utiliza o fenômeno da coprecipitação para arrastar os íons do meio reacional. Misturas em diferentes proporções de três agentes coagulantes, Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3 e MnSO4, além de solução de um polímero (PEG 3.500 g mol-1), que reagiram com solução saturada de Ca(OH)2 para elevar o pH, foram utilizadas nos experimentos de otimização. Os experimentos com as referidas misturas foram feitos de acordo com os Planejamentos Experimentais para Mistura do tipo Simplex-Centroid e do tipo Simplex-Lattice. A partir das concentrações dos íons metálicos, obtidas por meio de espectrofotometria de absorção atômica, em cada ponto do planejamento, foi possível fazer a otimização dos sistemas através de programas estatísticos usados para ajustar modelos matemáticos aos dados experimentais. Isto foi feito utilizando o método dos mínimos quadrados ordinários. Com esse procedimento foi possível determinar o comportamento dos componentes da mistura em toda a região experimental. No planejamento do tipo Simplex- Centroid, onde os componentes foram os sulfatos de alumínio, ferro(III) e manganês(II), verificou-se que os efeitos de interação binária entre os componentes Al 2(SO4)3 com MnSO4 ou com Fe2(SO4)3 foram mais eficientes do que os componentes puros na remoção simultânea dos metais estudados. Uma mistura constituída de 70% de Al2(SO4)3 com 30% de MnSO4 a 0,001 mol L-1 foi capaz de remover 99,56% dos metais. Já no planejamento do tipo Simplex- Lattice, onde o Fe2(SO4)3 foi substituído pelo polímero a 0,2% m/v, constatou-se que também as misturas binárias foram as que apresentaram melhores resultados neste planejamento, onde até 98,54% dos metais foram retirados. Em todos os planejamentos, as concentrações do cobre e chumbo ficaram abaixo dos limites máximos estabelecidos pela legislação ambiental para água residual. Já o cádmio foi melhor removido no planejamento do tipo Simplex- Centroid, porém a concentração que ainda permaneceu em solução não alcançou o limite apropriado ficando próximo a ele. Este estudo teve como meta a obtenção de um efluente cujas concentrações de íons metálicos ficassem abaixo dos níveis estabelecido pela legislação ambiental. Com as condições para a coprecipitação otimizadas, a metodologia foi aplicada em efluente de uma indústria de galvanoplastia que possui um elevado teor de cobre(II). O mesmo foi tratado com Al2(SO4)3 comercial e com Al2(SO4)3 de pureza analítica obtendo, após o tratamento, um efluente com características apropriadas segundo a concentração de cobre e pH de acordo com a legislação ambiental vigente. Ao efluente foram adicionados também cádmio(II) e chumbo(II) para deixar o sistema mais complexo, sendo aplicado a ele as proporções das misturas onde as menores concentrações de metais restaram no sobrenadante. Neste caso, foi averiguado que Al2(SO4)3 puro apresentou um melhor resultado onde 99,77% dos metais foram removidos. A difração de raios-X de alguns precipitados mostrou que a presença do cátion metálico induz a formação de novas fases cristalinas e o grau de cristalinidade diminui com a presença do polímero orgânico.

In this work the process of removing metallic ions such as cadmium(II), copper(II) and lead(II) in aqueous solution was optimized using the phenomenon of the coprecipitation to drag the ions from the reaction medium. Mixtures in different proportions of three coagulation agents, Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3 and MnSO4, and also a solution of a polymer (PEG 3500), that reacted with a saturated solution of Ca(OH)2 to elevate the pH, were used in the experimental optimization. The experiments above were done according to the Experimental Planning for Mixture following two types of procedure: Simplex-Centroid and the Simplex-Lattice. The concentrations of metallic ions, determined by atomic absorption spectroscopy, were used to optimized the system through statistical programs used to adjust mathematical models to the experimental data. This procedure was made using the ordinary square minimal method. In this way, with this procedure it was possible to determine the behavior of the components of the mixture throughout the simplex. In the Simplex-Centroid planning, where the components were the sulfates of aluminum, iron(III) and manganese(II), it was verified that the effects of the binary interaction Al/Mn or Al/Fe were more efficient to remove the ions studied than the pure components themselves. A mixture of 70% of Al2(SO4)3 and 30% of MnSO4 or 30% of Fe2(SO4)3 (0,001 mol L-1) was capable to remove 99,56% of the metals. In the Simplex- Lattice planning, where Fe2(SO4)3 was replaced by the polymer (0,2% m/v), the binary mixtures have also given good results, 98,54% of the ions metallic were removed. In all plannings, the copper and lead concentration were below the maximum limits established by the environmental legislation for wastewater. The cadmium was better removed using the Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3 and MnSO4 components, however, the supernatant still have cadmium in a concentration near the limit of 0,2 mg L-1. The aim of this study was to obtain a wastewater whose levels of metallic ions attend the environmental legislation, that is, the removal of those should achieve almost the neutrality of the system. After the conditions of coprecipitation have being optimized, the methodology was applied to a wastewater of galvanizing industry which have a high level of copper(II). The same one was treated with commercial Al2(SO4)3 and also with Al2(SO4)3 of analytical purity. The results, after the treatment, led to a wastewater with appropriate characteristics according to the copper concentration and the pH value, consistent to the effective environmental legislation. Cadmium(II) and lead(II) were also added to the wastewater to leave the system more complex. To the modified wastewater the optimized mixtures were applied to test the efficiency of the procedure developed in this work. The latter, have shown a better result (99,77%) of removing metals when pure Al2(SO4)3 was used. The X- rays diffraction of some precipitates showed that the presence of metallic cation induces the formation of the new crystalline phases and, the crystalline degree decreases with the presence of the organic polymer.