Remoção de fosfato de solução aquosa por quitosana-ferro(III)-reticulada utilizando smartphone nas análises como um experimento didático

Abstract

O fósforo é um nutriente essencial para qualquer organismo, mas o excesso produzido por efluentes de atividades industriais vem acidificando e degradando corpos d’água devido à eutrofização, gerando a destruição da vida aquática. Assim, torna-se necessário a remoção de fósforo (fosfato) dos efluentes antes de sua descarga nos corpos d’água. Vários métodos têm sido desenvolvidos para eliminar estes poluentes de águas residuárias. A adsorção tem sido considerada como uma técnica promissora, devido ao seu baixo custo e alta eficiência. Dentre os materiais alternativos utilizados para adsorção de fosfato encontra-se a quitosana, a qual é obtida em escala industrial pela desacetilação alcalina da quitina, um dos biopolímeros mais abundantes na natureza. O presente trabalho teve por objetivo avaliar o processo de adsorção de fósforo pelo método de batelada utilizando Quitosana-Ferro(III)-Reticulada (QTS-Fe(III)- R). Os experimentos de adsorção de fósforo em QTS-Fe(III)-R são propostos para serem utilizados como material didático para o ensino de química. Neste trabalho o fosforo foi quantificado por meio da aquisição de imagens digitais RGB, utilizando-se um smartphone. O aplicativo Color Grab foi responsável por fazer a decomposição das imagens em um modelo RGB. A quitosana comercial foi solubilizada em ácido acético formando um gel, sendo posteriormente gotejado por meio de uma bomba peristáltica em uma solução de NaOH 0,5 mol L-1 gerando as esferas. As esferas foram lavadas com água, reticuladas com glutaraldeido 2,5% (v/v) por 2 horas e em seguida complexadas com íons Fe(III). As esferas de QTS-Fe(III)-R foi caracterizado por espectroscopia no infravermelho (IV) e Difratometria de Raios-X (DRX). Estudos de capacidade de adsorção foram realizados pelo processo de batelada, utilizando-se soluções de fósforo em pH = 7,0 na concentração de 50 mg L-1. A adsorção do fósforo foi realizada com uma dosagem do adsorvente de 5 g L-1, avaliando-se os parâmetros: dosagem, pH, cinética e termodinâmico, isoterma, efeitos de íons interferentes e dessorção. O teor do fosfato foi determinado na solução pelo método espectrofotométrico do complexo de azul de molibdênio. Nas análises do fosfato quando empregado o smartphone, o canal R do modelo RGB apresentou a melhor reposta analítica. O pH ótimo de adsorção de fósforo pelas esferas de QTS-Fe(III)-R foi 7,0. Obteve-se um tempo de 4 horas para atingir o equilíbrio de adsorção. O estudo de isoterma de adsorção foram feitos colocando 50 mg de esferas QTS-Fe(III)-R em contato com 10 mL de soluções de fosfato em diferentes concentrações (1 e 160 mg L-1 mg L- ). O pH foi ajustado para 7,0 (pH ótimo) e o sistema mantido sob agitação por 6 horas em banho termostatizado a 25 ºC. Este estudo de isoterma de adsorção foi realizado pela aplicação do modelo de Langmuir, que apresentou um bom ajuste aos dados experimentais (R2 > 0,98). A capacidade máxima de adsorção foi de 22,12 mg g-1 e a constante de afinidade, b, de 0,047 L mg-1. Os modelos cinéticos utilizados nesse trabalho foram: pseudo-primeira ordem, pseudo- segunda ordem e difusão intrapartícula. Houve uma melhor correlação dos dados experimentais para o modelo pseudo-segunda ordem (R2>0,99), sendo este o mais satisfatório para descrever os dados de cinética de adsorção. A taxa de dessorção do fosfato pela QTS-Fe(III)-R foi avaliada através de três ciclos dessorção de 48 horas, utilizando-se solução extratora de HCl 0,1 mol L-1. Observou-se que o HCl proporcionou no primeiro ciclo uma extração de 87% do fosfato. O emprego do HCl 0,1 mol L-1 não proporcionou degradação da QTS-Fe(III)-R, mesmo após vários ciclos de dessorção. O que possibilita a reutilização da QTS-Fe(III)-R e a recuperação dos ânions fosfatos. A esferas de QTS-Fe(III)-R mostraram-se viáveis para serem aplicadas em processos de tratamento de água contendo fósforo, uma vez que apresenta boa capacidade de adsorção e podendo ser recuperado por dessorção. Pode-se concluir também que as análises de fosfato obtidas pelo método proposto utilizando o smartphone quando comparado ao método espectrofotométrico de referência foram próximos, ou seja, obteve-se um erro percentual menor que 2,5%. Assim, o método proposto empregando o smartphone para análise de fosfato exibe vantagens por sua simplicidade de operação e baixo custo, podendo ser levado para análises em campo. Este trabalho permite que o aluno do ensino médio crie hipóteses, organize e obtenha as explicações para entender o fenômeno ocorrido no processo de adsorção de fosfato pela QTS- Fe(III)-R. Assim, o experimento permite o desenvolvimento de habilidades e pensamentos relacionados ao processo de adsorção, compreender os resultados experimentais obtidos, bem como a importância da construção do conhecimento ambiental. O direcionamento ambiental dado pela retirada do fósforo do meio ambiente irá proporcionar aos alunos do ensino médio a aquisição de conhecimentos significativos acerca da importância da química e sua contribuição referente aos cuidados com o meio ambiente. O uso do aplicativo de celular Color Grab permiti que os alunos tenham conhecimento de recurso tecnológico de baixo custo que possa ser utilizado como um espectrofotômetro portátil. Isso possibilitou a aplicação de uma técnica analítica acessível numa aula experimental de química ambiental no ensino médio, sendo também uma alternativa viável para sua utilização em campo.Phosphorus is an essential nutrient for any organism, but the excess produced by effluents from industrial activities has been acidifying and degrading water bodies due to eutrophication, generating the destruction of aquatic life. Therefore, it is necessary to remove phosphorus (phosphate) from effluents before discharging them into water bodies. Several methods have been developed to eliminate these pollutants from wastewater. Adsorption has been considered a promising technique due to its low cost and high efficiency. Among the alternative materials used for phosphate adsorption is chitosan, which is obtained on an industrial scale by the alkaline deacetylation of chitin, one of the most abundant biopolymers in nature. The present work aimed to evaluate the phosphorus adsorption process by the batch method using Chitosan-Iron(III)-Crosslinked (QTS-Fe(III)-R)). Phosphorus adsorption experiments on QTS-Fe(III)-R are proposed to be used as teaching materials for teaching chemistry. In this work, phosphorus was quantified through the acquisition of RGB digital images, using a smartphone. The Color Grab application was responsible for decomposing the images into an RGB model. Commercial chitosan was solubilized in acetic acid, forming a gel, and then dripped using a peristaltic pump into a 0.5 mol L-1 NaOH solution, generating the spheres. The spheres were washed with water, cross-linked with 2.5% (v/v) glutaraldehyde for 2 hours and then complexed with Fe(III) ions. The QTS-Fe(III)-R spheres were characterized by infrared spectroscopy (IR) and X-ray diffraction (XRD). Adsorption capacity studies were carried out using the batch process, using phosphorus solutions at pH = 7.0 at concentrations of 50 mg L-1 and 15 mg L-1. Phosphorus adsorption was carried out with an adsorbent dosage of 5 g L-1, evaluating the parameters: dosage, pH, kinetics and thermodynamics, isotherm, effects of interfering ions and desorption. The phosphate content was determined in the solution using the molybdenum blue complex spectrophotometric method. In the phosphate analyzes when using the smartphone, the R channel of the RGB model presented the best analytical response. The optimum pH for phosphorus adsorption by QTS-Fe(III)-R spheres was 7.0. A time of 4 hours was obtained to reach adsorption equilibrium. The adsorption isotherm study was carried out by placing 50 mg of QTS-Fe(III)-R spheres in contact with 10 mL of phosphate solutions at different concentrations (1 at 160 mg L-1). The pH was adjusted to 7.0 (optimal pH) and the system was kept under agitation for 6 hours in a thermostated bath at 25 ºC. This adsorption isotherm study was carried out by applying the Langmuir model, which presented a good fit to the experimental data (R2 > 0.98). The maximum adsorption capacity was 22.12 mg g-1 and the affinity constant, b, was 0.047 L mg-1. The kinetic models used in this work were: pseudo-first order, pseudo-second order and intraparticle diffusion. There was a better correlation of experimental data for the pseudo-second order model (R2>0.99), which is the most satisfactory for describing the adsorption kinetics data. The rate of phosphate desorption by QTS-Fe(III)-R was evaluated through three desorption cycles of 48 hours, using 0.1 mol L-1 HCl extracting solution. It was observed that HCl provided an extraction of 87% of phosphate in the first cycle. The use of 0.1 mol L-1 HCl did not provide degradation of QTS-Fe(III)-R, even after several desorption cycles. This makes it possible to reuse QTS-Fe(III)-R and recover phosphate anions. QTS-Fe(III)-R spheres proved to be viable for application in water treatment processes containing phosphorus, as they have good adsorption capacity and can be recovered by desorption. It can also be concluded that the phosphate analyzes obtained by the proposed method using the smartphone when compared to the reference spectrophotometric method were close, that is, a percentage error of less than 2.5% was obtained. Thus, the proposed method using a smartphone for phosphate analysis has advantages due to its simplicity of operation and low cost, and can be used for field analysis. This work allows high school students to create hypotheses, organize and obtain explanations to understand the phenomenon occurring in the phosphate adsorption process by QTS-Fe(III)-R. Thus, the experiment allowed the development of skills and thoughts related to the adsorption process, understanding the experimental results obtained, as well as the importance of building environmental knowledge. The environmental direction given by the removal of phosphorus from the environment will provide high school students with the acquisition of significant knowledge about the importance of chemistry and its contribution to caring for the environment. Using the Color Grab cell phone application allows students to learn about a low-cost technological resource that can be used as a portable spectrophotometer. This made it possible to apply an accessible analytical technique in an experimental environmental chemistry class in high school, and was also a viable alternative for its use in the field.