Valorização de lodo biológico e de lixiviado das cinzas da caldeira de recuperação de fábrica de celulose kraft para produção e aplicação de carvão ativado

Abstract

O lodo biológico consiste em um subproduto do tratamento dos efluentes e constitui um precursor promissor para produção de carvão ativado. Por outro lado, a etapa de recuperação química das indústrias de polpa celulósica gera um efluente denominado lixiviado das cinzas do precipitador eletrostático (LCPE). Os elevados teores de potássio e sódio deste efluente motivam estudos quanto à sua viabilidade como fonte de agentes para ativação de carvão produzido a partir de lodo biológico. Este trabalho consistiu em investigar a valorização destes subprodutos da indústria de polpa celulósica por meio da produção de carvão ativado. Utilizou- se três agentes ativantes (NaOH, KOH e LCPE), duas taxas de aquecimento (3,5 e 15 °C/min) e duas proporções de agente ativante:lodo (1:1 e 2:1) para produção dos carvões ativados. Os carvões carbonizados a 3,5 °C/min, com proporção de 2:1 de KOH ou LCPE, apresentaram os valores mais promissores de área superficial e foram denominados KAC-B e EAC-B, respectivamente. Para avaliar a aplicabilidade do KAC-B e do EAC-B, realizou-se testes de adsorção com efluente real de indústria de papel reciclado e efluentes sintéticos com corantes. Para remoção de cor do efluente real, o KAC-B apresentou a maior eficiência (80,45%), seguido do carvão ativado comercial (76,74%) e do EAC-B (70,13%). Para a remoção de DQO, o EAC- B apresentou maior eficiência (53,49%), seguido pelo carvão ativado comercial (40,84%) e pelo KAC-B (36,86%). O modelo de Freundlich descreveu melhor os dados experimentais. Esperava-se que os resultados com KAC-B fossem satisfatórios, uma vez que o KOH é comprovadamente eficaz para ativação de carvões. Os corantes Rodamina B e Vermelho Congo foram utilizados nos testes com efluentes sintéticos. A adsorção dependeu do pH e o EAC-B apresentou maior capacidade de adsorção e eficiência de remoção para ambos os corantes, provavelmente devido ao seu maior volume de mesoporos. O estudo cinético indicou que o ponto de equilíbrio foi alcançado após 60 minutos. O mecanismo de adsorção dos corantes dependeu das forças eletrostáticas existentes entre as superfícies dos adsorventes e das cargas iônicas dos corantes, conforme revelado pelo melhor ajuste dos modelos cinéticos de pseudo- segunda ordem e Elovich, e dos modelos isotérmicos de Freundlich e Sips. A regeneração térmica do EAC-B também foi investigada. O material regenerado foi empregado no tratamento de efluente combinado com sedimentação (ADS+SED) ou filtração por membrana (ADS+MF). As características do efluente variaram de acordo com o ciclo de adsorção-regeneração, exceto turbidez com ADS+MF. Foi demonstrado que o tratamento com EAC-B gerou melhora significativa na qualidade do efluente e que o adsorvente pode ser regenerado em até 3 ciclos, sem perda significativa de suas propriedades adsortivas, principalmente quando empregado junto à filtração por membranas. A valorização dos subprodutos da fábrica de polpa celulósica foi alcançada dentro dos conceitos de transformação de resíduos em recursos e economia circular, através da produção de carvão ativado. Os resultados do EAC-B foram relevantes, mostrando que o LCPE pode ser utilizado como ativante e que pode ser uma opção mais econômica para a ativação. Palavras-chave: Lodo biológico industrial. Valorização de resíduos. Adsorção. Remoção de DQO e cor. Corantes. Tratamento terciário.

Biological sludge is a by-product of wastewater treatment and is a promising precursor material for activated carbon production. On the other hand, the chemical recovery step of the pulp industries generates an effluent denominated leachate from electrostatic precipitator ashes (LCPE). The high potassium and sodium contents of this effluent motivate studies regarding its viability as a source of agents for activation of carbons produced from biological sludge. This work investigated the valorization of pulp industry by-products through the activated carbons production. Three activating agents (NaOH, KOH and LCPE), two heating rates (3.5 and 15 °C/min) and two proportions of activating agent : sludge (1:1 and 2:1) were used for activated carbon production. Carbons carbonized at 3.5 °C/min, with a 2:1 ratio of KOH or LCPE, presented the most promising BET surface area values and were named KAC-B and EAC-B. To assess the applicability of KAC-B and EAC-B, adsorption tests were carried out with real effluent from recycled paper industry and synthetic effluents with dyes. For color removal from the real effluent, KAC-B presented the greatest efficiency (80.45%), followed by commercial activated carbon (76.74%) and EAC-B (70.13%). For COD removal, EAC-B presented greater efficiency (53.49%), followed by commercial activated carbon (40.84%) and KAC-B (36.86%). Freundlich´s model best described the experimental adsorption data. The KAC-B results were expected to be satisfactory, since KOH is proven to be effective for carbon activation. Rhodamine B and Congo Red dyes were used in the adsorption tests with synthetic effluents. The adsorption was pH-dependent and EAC-B presented greater adsorption capacity and removal efficiency for both dyes, probably due to its greater mesoporous volume. The kinetic study indicated the equilibrium was achieved after 60 minutes. The dye adsorption mechanism was a function of the electrostatic forces existing between the adsorbents´ heterogeneous surfaces and the dye´s ionic charge, as revealed through the better fit of the pseudo-second- order and Elovich kinetic models, and of the Freundlich and Sips isotherm models. The thermal regeneration of EAC-B was also investigated. The material was used in effluent treatment combined with sedimentation (ADS+SED) or membrane filtration (ADS+MF). The effluent characteristics varied according to the adsorption-regeneration cycle, except turbidity with ADS+MF. It was demonstrated that treatment with EAC-B generated significant improvement in the effluent quality and that the adsorbent could be regenerated up to 3 cycles, without significant loss of its adsorptive properties. The valorization of pulp mill by-products was achieved within the concepts of waste-to-resource and circular economy through activated carbon production. The EAC-B results were relevant, especially for COD removal, showing that LCPE can be used as an activator and that it can be a more economical option for activation. Keywords: Industrial biological sludge. Waste valorization. Adsorption. COD and color removal. Dyes. Tertiary treatment.