Planejamento experimental de misturas de óxidos de ferro, caulinita e matéria orgânica na modelagem do fenômeno de adsorção de fósforo

Abstract

Objetivou-se avaliar o comportamento de misturas óxidos de ferro, caulinita e matéria orgânica quanto à adsorção de fósforo (P) em dois diferentes tempos de incubação das misturas. Conduziu-se, assim, um planejamento experimental do tipo Simplex-Lattice para misturas com três componentes em proporções definidas, sendo estes componentes basicamente óxidos de ferro (FeO), caulinita (CAUL) e matéria orgânica (M.O.), com granulometria inferior a 0,21 mm (80 mesh), totalizando 13 pontos distribuídos simetricamente sobre o espaço experimental, com repetições. As misturas foram preparadas totalizando 180 g cada ensaio experimental. As misturas foram homogeneizadas e uma alíquota de 20 g foi retirada de cada uma e reservadas em dessecador, constituindo amostras recém incubadas. As 160 g restantes de cada uma das misturas foram incubadas sob umidade e agitações periódicas por 60 dias. Nas amostras recém incubadas e após 60 dias de incubação foram realizados dois experimentos, o primeiro constituído de ensaios para determinação do P disponível pelo extrator ácido 0,05 mol L−1 HCl/H2SO4 1:1. No segundo experimento foram realizados ensaios de adsorção, onde cada uma das misturas secas foram agitadas com solução de CaCl2 0,01 mol L−1 e concentrações crescentes de P, na forma de KH2PO4, até 50 mg L−1, durante 24 h e a 25,0 °C, e as respectivas isotermas de adsorção de P foram obtidas. Modelos matemáticos foram estimados através da aplicação do método dos mínimos quadrados a dados obtidos direta e indiretamente, associados como respostas, em ambos experimentos, visando explicar o comportamento das misturas na adsorção de P. A disponibilidade de P previamente existente em 60 dias de incubação pelo extrator ácido é reduzida nos sistemas estudados a um mínimo em misturas binárias de proporções em massa, aproximadamente iguais, de FeO e M.O. (40 50 % M.O.), sendo elevada progressivamente pelo aumento da proporção de CAUL na mistura, e se tornando total neste componente puro e em misturas binárias deste. As interações de superfície entre FeO e M.O. revelaram-se significativas na redução da capacidade máxima de adsorção de P, em ambos os tempos de incubação, enquanto que após 60 dias de incubação um novo efeito demonstrou-se significativo, relativo às interações negativas entre CAUL e M.O.. A análise da variação absoluta da capacidade máxima de adsorção, com o tempo de incubação, evidenciou a influência da M.O. na redução desse fator com o tempo, demonstrando também a ampla superioridade das interações com efeitos negativos entre M.O. e FeO em relação às interações entre a primeira e CAUL. Entretanto, a análise da variação percentual da capacidade máxima de adsorção demonstrou a redução neste fator em misturas de M.O. e CAUL como ligeiramente superior comparada às misturas entre a primeira e FeO, sendo que a região de mínimo localizou-se próximo a misturas binárias de M.O. e CAUL de iguais proporções, com valores de redução na capacidade máxima de adsorção em torno de 50 %, enquanto que misturas binárias de M.O. e FeO, com proporções do último variando de 75 a 25 %, exibiram redução de 32 a 42 %.

In order to evaluate the behavior of mixtures of iron oxides, kaolinite and organic matter in phosphorus (P) adsorption, in two different times of incubation of the mixtures, a Simplex-Lattice experimental design for mixtures with three components in defined proportions was conducted, where each component was basically composed by iron oxides (FeO), kaolinite (CAUL) and organic matter (M.O.), with particles size under 0.21 mm (80 mesh), totaling 13 points distributed symmetrically on the experimental space, with repetitions. The mixtures were prepared totaling 180 g each experimental run. The mixtures were homogenized and a 20 g sample was removed from each one and reserved appropriately as recently incubated samples. The 160 g remaining from each mixture were incubated under humidity and periodic agitations, up to 60 days. In samples recently incubated and after 60 days of incubation two experiments were conducted. One of them was performed by tests for determination of available P by acid extractor with 0.05 mol L-1 HCl/H2SO4 1:1. In the other one, adsorption experiments were performed, where each one of the dry mixtures was stirred with CaCl2 0.01 mol L-1 solution and growing P concentrations, as KH2PO4, up to 50 mg L-1, by 24 h at 25.0 °C, and the respective adsorption isotherms of P were obtained. Mathematical models were assessed through application of minimum squares method to the data obtained direct and indirectly, related as answers, in both experiments, in order to explain mixtures behavior on P adsorption. The availability of previously existent P by acid extractor, in 60 days of incubation for studied systems, is reduced into minimum on equal mass proportions for binary mixtures of FeO and M.O. (40-50 % M.O.), being progressively elevated by increasing CAUL proportion in the mixture, and becoming total on pure component and its binary mixtures. Surface interactions between FeO and M.O. revealed significant effect on P adsorption maximum reduction, in both incubation times, meanwhile after 60 days of incubation a new effect showed significant, related to negative interactions between CAUL and M.O.. Analysis for absolute variation in P adsorption maximum with incubation evidenced the influence of M.O. on its reduction, also showing large superiority of negative effects in the interactions between M.O. and FeO compared to interactions between M.O. and CAUL. However, analysis for relative variation in P adsorption maximum showed reduction of this factor as lightly superior in mixtures of M.O. and CAUL compared to mixtures between M.O. and FeO, and the minimum was located close binary mixtures with same proportions of M.O. and CAUL, with reduced values in adsorption maximum around 50 %, while binary mixtures of M.O. and FeO, with FeO proportions varying from 75 to 25 %, exhibited reduction from 32 to 42 % in P adsorption maximum.