Síntese e caracterização de hidrochar de casca de banana para aplicação na remoção de ferro e manganês em sistemas aquosos

Abstract

Dentre os parâmetros de controle da qualidade da água, destacam-se a concentração de Fe e Mn, que trazem problemas como cor e odor indesejáveis à água. Portanto, faz-se necessário a remoção desses íons em sistemas aquosos. Neste sentido, os processos adsortivos utilizando biocarvões derivados de resíduos agroindustriais podem ser promissores. Diante disso, este trabalho teve como objetivo sintetizar biocarvões a partir de casca de banana para remover ferro e manganês em sistemas aquosos. Um planejamento fatorial 23 com ponto central foi elaborado para avaliar as variáveis que poderiam ser significativas, como (1) agente de ativação (H3PO4 ou NaOH), (2) temperatura (100 e 200 °C) e (3) tempo de residência (8 e 14 h). O ponto central (PC) foi realizado sem agente de ativação, utilizando apenas água no processo, a 150 °C e 11 horas. Foram sintetizados 10 biocarvões codificados por BC. Desses 10, 3 biocarvões (BC2, BC5 e BC9) foram submetidos a tratamento térmico a 300 ºC por 1 h, sendo codificados por BCA. Como resultados, obteve-se que os rendimentos dos biocarvões foram superiores a 50%, exceto para BCA2 (40%). O pHPCZ variou de 4,39 a 6,00, e a concentração de ácidos de Brønsted entre 3,60 e 5,22 mmol g-1. Os biocarvões foram caracterizados por FT-IR identificando a presença de grupos funcionais como carboxilas, hidroxilas, cetonas e amidas. Fez-se uma triagem com os biocarvões na remoção de Fe2+ e Mn2+ ([Fe2+] ou [Mn2+] = 10 mg L-1, sem ajuste de pH, 25 °C, 50 mg de BC por 24 h). A resposta do planejamento foi a % de remoção, sendo temperatura e tempo as variáveis significativas para ambos os metais. O tempo teve efeito positivo para a adsorção de ferro e manganês, enquanto a temperatura foi negativa para ferro e positiva para Mn. A estabilidade térmica dos BC2, BC5 e BC9 foi ligeiramente maior quando comparada à biomassa. Pela análise de MEV, observou-se que BC9 e BCA9 apresentaram morfologia em forma de placas, sendo identificada a presença de C, O e K por EDS. Os BC apresentaram picos largos entre 15º e 30º indicando uma estrutura amorfa. A área superficial específica foi de 0,156 m2 g-1. Esses materiais apresentaram potencial Zeta negativo na faixa de pH entre -2 e -24 mV. Os ensaios de cinética foram realizados para BC9, obtendo-se um tempo de equilíbrio de 200 min para ambos os metais, sendo os modelos pseudo-segunda ordem que melhor se ajustaram aos dados. Em relação as isotermas, os modelos de Langmuir para Fe e Freundlich para Mn se ajustaram melhor aos dados, obtendo-se um qmax para Fe e Mn, respectivamente, de 33,18 e 19,00 mg g-1. Também foi verificado que não há influência de interferentes na remoção desses metais em água de torneira (? = 189 ?S). Portanto, conclui-se que a adsorção por este biocarvão é um método promissor e ambientalmente correto para remoção de ferro e manganês em sistemas aquosos. Palavras-chave: Processo hidrotermal; adsorção; carbonização; biomassa; resíduos agroindustriais; ativação térmicaAmong the water quality control parameters, the determination of Fe and Mn concentration stands out, as they can cause undesirable color and odor in water. Therefore, it is necessary to develop solutions that promote the removal of these ions in aqueous systems. In this sense, adsorptive processes using biochars derived from agro-industrial waste can be quite promising. Accordingly, this study aimed to synthesize biochars from banana peels to remove iron and manganese in aqueous systems. A factorial design of 23 with a central point was developed to evaluate the variables that could be significant in the process, such as (1) activation agent (H3PO4 or NaOH), (2) temperature (100 and 200 °C), and (3) residence time (8 and 14 hours). The central point (CP) was carried out without an activation agent, using only water in the process, at 150 °C for 11 hours. Ten biochars coded by BC were synthesized. Of these 10, 3 biochars (BC2, BC5 and BC9) were subjected to thermal treatment at 300 °C for 1 hour, being coded as BCA. The yields of the biochars were over 50%, except for BCA2 (40%). The pH of the point of zero charge (pHZPC) varied from 4.39 to 6.00, and the concentration of Brønsted acids ranged between 3,60 and 5,22 mmol g-1. The biochars were characterized by FT-IR, identifying the presence of functional groups such as carboxyls, hydroxyls, ketones, and amides. A screening was performed with the synthesized biochars for the removal of Fe2+ and Mn2+ ([Fe2+] or [Mn2+] = 10 mg L-1, without pH adjustment, 25 °C, 50 mg of BC for 24 h). The response of the design was the percentage of removal, with temperature and time being the significant variables for both metals. Time had a positive effect on manganese adsorption and a negative effect on iron, while temperature was negative for iron and positive for Mn. The thermal stability of BC2, BC5, and BC9 was slightly greater compared to the biomass. SEM analysis showed that BC9 and BCA9 exhibited a plate-like morphology, and the presence of C, O, and K was identified by EDS. The biochars showed broad peaks between 15º and 30º, indicating an amorphous structure. The specific surface area was 0.156 m² g-1. These materials presented a negative Zeta potential in the pH range between -2 and -24 mV. Kinetic tests were performed for BC9, achieving an equilibrium time of 200 minutes for both metals, with pseudo-second-order models best fitting the data. Regarding the isotherms, the Langmuir models for Fe and Freundlich for Mn fit the data better, achieving a qmax for Fe and Mn, respectively, of 33,18 and 19,00 mg g-1, comparable to literature values. The influence of interferents on the removal of these metals in tap water (? = 189 mS) was also evaluated, observing that the removal was very similar to that obtained in type I water. Therefore, it can be concluded that adsorption using this biochar stands out as a promising and environmentally friendly method for removing iron and manganese in aqueous systems. Keywords: Hydrothermal process; adsorption; carbonization; biomass; agro-industrial waste; thermal activation