Otimização multivariada da síntese one-pot de hidrochar ativado a partir de resíduo de bagaço de malte

Abstract

A indústria cervejeira é um setor em crescimento no país, o qual desponta como o terceiro maior produtor da bebida no mercado internacional. Um dos principais resíduos do processo é o bagaço de malte, tendo como destino principal a alimentação animal. Entretanto, fazem-se necessários novos processos a fim de valorizar essa biomassa, gerando materiais de maior valor agregado. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo obter materiais a partir do bagaço de malte utilizando a carbonização hidrotérmica com ativação ácida one-pot. A Matriz de Doehlert foi implementada avaliando a influência dos parâmetros temperatura (100, 125, 150, 175 e 200 °C) e tempo de residência (4, 14 e 24 h) no rendimento mássico e na capacidade de remoção do corante azul de metileno em solução aquosa. Os materiais obtidos foram caracterizados, a fim de contribuir com a discussão de suas propriedades físico-químicas. O hidrochar otimizado (150 °C, 14 h) apresentou uma área superficial baixa (aproximadamente 9 m2 g -1 ), porém a presença de grupos funcionais oxigenados na superfície do material auxilia em sua capacidade adsortiva. O modelo cinético de pseudo-segunda ordem e o modelo de isoterma de Freundlich ajustaram-se melhor dados experimentais. O equilíbrio de adsorção ocorreu em 8 h e a capacidade máxima de adsorção atingiu 134,78 mg g -1 de azul de metileno a 30 °C. Posteriormente, ainda por via HTC, foi avaliada a produção de um compósito de ferro suportado em hidrochar para aplicação em reação de foto-Fenton para degradação do corante alaranjado de metila. Estudos iniciais demonstraram a viabilidade do material para fotodegradação de poluentes. Ensaios com inibidores verificaram que as principais espécies envolvidas no processo são os radicais ·OH e ·O 2- . O pH inicial e a dose de H 2 O 2 otimizados para a reação foram determinados (pH 3 e C H2O2 = 20 mmol L -1 ). A carbonização hidrotérmica com ativação e funcionalização em uma única etapa se mostrou uma forma adequada para o tratamento do bagaço de malte, com vistas à aplicação do material como adsorvente e suporte de catalisador para degradação de poluentes orgânicos em água. Palavras-chave: Carbonização hidrotérmica. Síntese verde. Adsorção. Foto-Fenton. Corantes.The brewing industry is a growing sector in the country, which emerges as the third-largest producer of this beverage in the international market. One of the main residues of the process is brewer’s spent grains, which are used mainly as animal feed. However, new processes are needed to valorize this biomass, generating materials with higher added value. In this context, the present work aimed to obtain materials from brewer’s spent grains using hydrothermal carbonization with one-pot acid activation. The Doehlert Matrix was implemented evaluating the influence of the parameter’s temperature (100, 125, 150, 175, and 200 °C) and residence time (4, 14, and 24 h) on the mass yield and the capacity of methylene blue dye removal in aqueous solution. The obtained materials were characterized to contribute to the discussion of their physicochemical properties. The optimized hydrochar (150 °C, 14 h) presented a low surface area (approximately 9 m2 g -1 ), but the presence of oxygenated functional groups on the surface of the material helps in its adsorptive capacity. The pseudo-second-order kinetic model and the Freundlich isotherm model fitted the experimental data best. The adsorption equilibrium occurred in 8 h and the maximum adsorption capacity reached 134.78 mg g -1 of methylene blue at 30 °C. Subsequently, still via HTC, the production of a hydrochar supported iron composite was evaluated for application in photo-Fenton reaction for degradation of methyl orange dye. Initial studies demonstrated the feasibility of the material for the photodegradation of pollutants. Tests with inhibitors verified that the main species involved in the process are the ·OH e ·O 2- . radicals. The optimized initial pH and dose of H 2 O 2 for the reaction were determined (pH 3 and C H2O2 = 20 mmol L -1 ). The hydrothermal carbonization with activation and functionalization in a single step proved to be a suitable way for the treatment of malt bagasse, with a view to the application of the material as adsorbent and catalyst support for the degradation of organic pollutants in water. Keywords: Hydrothermal carbonization. Green synthesis. Adsorption. Photo-Fenton. Dyes.