caracterizações vermiculita e isoterma

7/26/2019 Caracterizaes Vermiculita e Isoterma

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APLICAO DA ARGILA VERMICULITA NATURAL E ATIVADA

NA ADSORO DO AZUL DE METILENO.J. L. F. Oliveira1; L. M. B. Batista1; A. P. M.A. Guedes1; H. M. B. Eustquio1; A. S.

Arajo1; L. Di Souza2

1- Instituto de QumicaUniversidade Federal do Rio Grande do NorteCampus Universitrio Lagoa NovaCEP: 59078-970Natal- RNBrasilTelefone: (84) 3215-3883E-mail:[email protected]

2- Departamento de QumicaUniversidade do Estado do Rio Grande do NorteCampus Central, Av. prof. Antnio Campos SN, Costa e Silva, CEP:59620-000,Mossor, RN- Brasil, Telefone: (84) 33152241.

RESUMO: A quantidade de efluentes gerados e descartados indiscriminadamente no meioambiente gera grandes problemas para a sociedade. Dentre os contaminantes descartados existea classe dos corantes, muito utilizados em diversos ramos da indstria. O azul de metileno, vemsendo estudado por diversos pesquisadores que buscam mtodos alternativos para sua remoo,como por exemplo oxidao qumica e adsoro. Neste trabalho foram realizados testes deadsoro do corante azul de metileno como uma funo do tempo e concentrao, utilizandocomo adsorvente vermiculita natural e ativada com HCl em trs diferentes concentraes (0,25;0,50 e 1,00 mol/L). Os slidos foram caracterizados por anlise termogravimtrica (TG/DTG),Difratometria de raios-X, infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR) e adsoro-dessoro de N2. A vermiculita natural apresentou maior potencial para remoo do corante, asisotermas de concentrao apresentaram melhor aplicabilidade ao modelo de Freundlichcomparado aos de Langmuir e Temkin.

PALAVRAS-CHAVE: azul de metileno; adsoro; vermiculita.

ABSTRACT: The amount of waste generated and disposed indiscriminately in the environmentcreates major problems for society. Among the contaminants disposed exists a class of dyes,widely used in various branches of industry. Methylene blue, has been studied by manyresearchers to seek alternative methods of removal, such as chemical oxidation and adsorption.In this study were carried out tests of adsorption of methylene blue as a function of time andconcentration, conducted using natural adsorbent such as vermiculite and activated with HCl inthree different concentrations (0.25, 0.50 and 1.0 mol/L). The solids were characterized by

thermogravimetric analysis (TGA/DTG), X-rays diffraction, Fourier transform infrared (FT-IR)and N2adsorption-desorption. The natural vermiculite showed greater potential to remove thedye, the concentration isotherms showed better applicability of the model compared toFreundlich and Langmuir Temkin.

KEYWORDS: methylene blue; adsorption; vermiculite.

1. INTRODUO

O Azul de Metileno (AM) um coranteorgnico-catinico de frmula molecular,

C16H18N3SCl, bastante utilizado na indstriaalimentcia, txtil, couro, impresso e plsticos, porser um material de fcil aplicabilidade,

durabilidade e boa resistncia (Auta, 2014). Emvirtude da sua vasta aplicao, o AM geraefluentes industriais coloridos, que so descartadoscomo resduo para o meio ambiente, causando

perigo de bioacumulao e risco de ecotoxidade(Hassan et al., 2014; Zhu et al., 2013; Contreras,2012). Em vista disto, uma variedade de mtodos


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para remoo de corantes do ecossistema tm sidoestudados nos ltimos anos tais como a degradao

biolgica, a oxidao qumica, floculao ecoagulao, extrao por solvente, a osmosereversa e a adsoro (Fil, 2012; Wang, 2006;Gupta et al., 2014). Dentre estes, a adsoro vemse destacando por ser de fcil execuo, pelo seubaixo custo e por produzir um efluente de melhorqualidade, sendo assim mais eficaz.

O carvo ativado, os silicatos, argilas,materiais sintticos (MCM-41 e SBA-15), aluminae resduos slidos da indstria esto sendoaplicados como adsorventes de AM (Hassan et al.,2014). Porm, atualmente as argilas naturaisesto

em evidencia como adsorventes sustentveis, porserem encontrados em abundncia na crostaterrestre, sendo materiais de baixo valor comerciale possurem preferncia para adsorver poluentesespecficos (Zhang et al., 2013; Jalil et al., 2013;Liu et al., 2014). Segundo Ugochukwu (2014),argilominerais possuem propriedades superficiaiscomo a capacidade de troca catinica (CTC) e aelevada acidez superficial que lhes oferecem acapacidade de adsoro.

A vermiculita um aluminossilicato deferro, magnsio e alumnio formado pela alterao

hidrotrmica de minerais como mica e biotita(Hongo et al., 2012). A sua elevada capacidade detroca catinica ocasionada pelas substituiesisomrficas entre as camadas octadricas etetradricas, fez com que essa argila fosse relatadaem alguns trabalhos na literatura como um bomadsorvente de AM (Liu et al., 2014). Apesar disso,em alguns casos a alta CTC no suficiente para aremoo de corantes e so realizadas modificaesna estrutura por meio de calcinao, organifizao,pilarizao e tratamentos com cidos inorgnicosfortes, a fim de melhorar a eficincia davermiculita como adsorvente (Liu et al., 2014).

Um dos tratamentos citados anteriormenteempregado no presente trabalho, a lixiviaoseletiva (ativao cida) faz uso de um cidoinorgnico forte com intuito de dissolver onsmetlicos para preparao de slica porosa(Temuujin et al., 2003). Normalmente apsempregar esta metodologia, os argilomineraissofrem modificaes qumicas e estruturais como asubstituio de ctions trocveis presentes noespao interlamelar por ons H+, a desidroxilao

dos grupos OH na estrutura da argila causada pelaliberao de Mg e Fe dos stios octadricos e oaumento na rea superficial (Pentrk et al., 2012).

Nesse contexto, o objetivo do presentetrabalho foi aplicar a argila vermiculita natural

(Santa Luzia - PB) e ativada com cido clordrico adiferentes concentraes, na adsoro do coranteazul de metileno, avaliando-se o tempo de contatoe a concentrao de AM. Os resultados foramaplicados as isotermas de adsoro para osmodelos tericos de Langmuir, Freundlich eTemkin, com o intuito de verificar o maisfavorvel ao estudo e dessa forma conseguircompreender a interao existente entre adsorbato-adsorvente.

2. MATERIAIS E MTODOS

2.2. Preparao do Adsorvente

Inicialmente realizou-se a remoo damatria orgnica contida na argila vermiculitanatural. Em seguida, a argila foi colocada numasoluo de NaCl 1mol/L durante 360 h sobagitao constante a 40C, de forma que o slidoobtido apresentasse uma quantidade elevada deons sdio no espao interlamelar.

A lixiviao cida foi realizada partindo-seda vermiculita sdica obtida anteriormente.Adicionou-se 10mL da soluo de HCl comconcentraes de 0,25 mol/L, 0,5 mol/L e 1 mol/Lpor grama da argila limpa e manteve-se sobagitao por 6 horas 80C. O slido foi lavadocom gua deionizada e seco 100C por 24h. Apsesse processo as argilas foram modas e peneiradaspara uniformizar os gros em peneira de 100mesh.Os slidos obtidos foram denominados por V0-100para vermiculita sdica com granulometria de100mesh e Vx-100 para vermiculita sdica tratada

com cido, onde X indicar a concentrao docido utilizado no tratamento (0,25, 0,5 e 1 mol/L).Em seguida, os materiais foram caracterizadospelas seguintes tcnicas: anlise termogravimtrica(TG/DTG), Difratometria de raios-X,infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR)e adsoro-dessoro de N2.

2.3. Estudo de adsoro

Os ensaios de adsoro do corante azul demetileno (AM) foram realizados de modo estticoa uma temperatura de 25 C, utilizando 10 mL de

uma soluo do corante e10 mg de adsorvente. O


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estudo do tempo de contato foi realizado com umasoluo de AM com concentrao de 120mg/L,

variando o tempo em 10, 20, 30, 40, 50 e 60minutos. E o experimento de adsoro por variaode concentrao foi realizado com o tempo deequilbrio de 10 minutos, variando a concentraoAM (20 120mg/L). Esses ensaios foramacompanhados atravs da espectroscopia de UV-visvel (HACH-DR 5000) usando mx= 665nm.Em seguida, foram calculadas a porcentagem deremoo do corante (%RAM) e a quantidade de azulde metileno adsorvido no equilbrio, qe (mg/g),respectivamente pelas seguintes equaes (Guptaet al., 2014):

100*)(

%i

ti

AM

C

CCR

(1)

sol

ads

tie V

m

CCq *

)( (2)

Onde Ci e Ct so as concentraes inicial e notempo t de AM em (mg/L), mads a massa de

adsorvente utilizada em (g) e Vsol o volume em(L) da soluo de corante.2.3.1. I sotermas de adsoro: Para quepudssemos entender a interao entre a argilavermiculita natural e ativadas com o corante azulde metileno, foram empregados os modelos deisotermas de adsoro de Langmuir, Freundlich,Temkin (Gouamid et al., 2013). A isoterma deLangmuir descrita pela Equao 3 linearizada:

mxL

e

mxe

e

qKC

qq

C

*

1*

1 (3)

Onde qe e qmx so as capacidade de adsoro noequilbrio e mxima (mg/g) respectivamente, Ce eKL so na seguinte ordem a concentrao dasoluo em equilbrio (mg/L) e a constante deequilbrio de Langmuir (L/mg). Esse tipo deisoterma indica que a adsoro do corante acontecea partir de uma monocamada que recobre oadsorvente de superfcie homognea, compostoapenas por um stio de adsoro (Zhang et al.,2013).

A Equao 4 descreve o modelo da isotermade adsoro de Freundlich (Gupta et al., 2014):

fee KCn

q loglog*1

log (4)

Onde Kf e 1/n so na ordem seguinte a constante deFreundlich (L/mg) e a intensidade de adsoro. Omodelo de Freundlich supe que a adsoro docorante acontece em adsorventes que possuemsuperfcies heterogneas e admite que adsoroocorre atravs de multicamadas do adsorbato(Zhang et al., 2013).

A Equao 5 de Temkin dada por:

*ln* ee CQ (5)

Onde e so constantes da isoterma. De acordocom teoria da isoterma de Temkin, o calor deadsoro das molculas da camada do adsorventediminui de forma linear com a cobertura da mesmapelo corante, devido aparecimento de interaesadsorventes-adsorbato (Gupta et al., 2014).

3.0. RESULTADOS E DISCUSSO

3.1. Anlise Termogravimtrica(TG/DTG)

As Figuras 1a, 1b, 1c e 1d, mostram ascurvas TG/DTG da vermiculita natural e ativadas.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 90055

60

65

70

75

80

85

90

95

100

V0,25-100 V0-100Massa(%)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 90055

60

65

70

75

80

85

90

95

100

V1-100V0,5-100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 90055

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Temperatura(C) Temperatura(C)

Mass

a(%)

Temperatura(C)

Massa(%)

Massa(%)

Temperatura(C)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 90055

60

65

70

75

80

85

90

95

100d)c)

a)

DTG

(%/C)

DTG

(%/C)

DTG

(%/C)

DTG

(%/C)

b)

Figura 1.Curvas TG/DTG da vermiculita natural eativadas.


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A curva termogravimtrica da vermiculita

sdica (1a) apresenta duas perdas de massasequivalente a 5,7 e 4,5%, na faixa de 32,4 140C,referente a molculas de gua adsorvidafisicamente na superfcie do material e de guaencontrada no espao interlamelar.

As curvas TG/DTG das argilas ativadas(V0,25/V0,5/V1) diferentemente da V0-100apresentam apenas uma perda de massacorrespondentes a 10,1%, 10,9% e 11,9%respectivamente, na faixa de 30,0-208,0C, asperdas esto relacionadas com a gua adsorvida nasuperfcie da vermiculita. Isto pode ser atribudo a

elevao da concentrao de cido utilizado nalixiviao que fez com que ocorresse um aumentoda rea superficial do adsorvente (Wanderley,2009).

3.2. Espectroscopia Infravermelhocom transformada de Fourier (FT-IR)

Analisando os espectros de absoro na

regio do infravermelho mdio da vermiculitanatural e ativada, Figura 2, observa-se umasimilaridade entre os mesmos. Pode-se notar que asbandas em aproximadamente 3400 e 1653cm-1

referente a gua adsorvida possuem umalargamento com o aumento da concentrao decido, podemos atribuir isso a quantidade de porosque foram formados devido a lixiviao dosctions octadricos (Tyagi, 2006). As bandasintensas em 1003 e 1048 cm-1 so referentes aoestiramento Si-O dentro do plano.

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400

449

670

1048

3228

3614

455

670

1003

3249

3614

455

670

751

1003

1729

1653

1653

1647

2359

2359

2359

3312

3596

455

676

7511

003

1647

2359

3420

Transmitncia(%)

Nmero de Onda (cm-1)

V0-1003570

V0,25-100

V0,5-100

V1-100

Figura 2.Espectros infravermelhos da vermiculita

natural e ativadas.

A banda em 676 cm-1 est relacionada ao

estiramento vibracional AlIV

-O e em 751cm-1

referente s vibraes de deformao do grupo Al-OH (Huo et al., 2012), esses bandas diminuem namedida em que a concentrao do cido aplicadono tratamento aumenta, evidenciando a lixiviaodo alumnio das camadas octadricas do material.A banda dupla em 2359 cm-1 atribuda presenade CO2. Contudo, o tratamento cido realizado naargila vermiculita apenas alterou o deslocamento, aintensidade e o formato das bandas mostradas naFigura 2, indicando que a estrutura da mesma deformada mas no destruda.

3.3. Difratometria de Raios-X (DRX)

Os difratogramas de raios-x da vermiculitanatural e ativadas so mostrados na Figura 3. Omaterial natural estudado apresentou duas fasesdistintas, vermiculita que evidenciada pelo pico(001) com distncia dos planos deaproximadamente 14,83, distancia esta que caracterstica desse material (Chen et al., 2010), a

outra fase apresentada da hidrobiotita, mineralinterestratificado (Biotita/Vermiculita)caracterizado pelos picos com distncia de planosde 12,68; 8,38 e 4,95 apresentados na Figura 3.

0

3800

7600

11400

0

3800

7600

11400

0

3800

7600

11400

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

0

3800

7600

11400

HHH

HV

V1-100

H

V

In

te

n

s

id

a

d

e

(u

.

a

)

V0,5

-100

H

H

V0,25

-100V

H

V

H

V0-100

2 (graus)

Figura 3.Difratogramas raios-X da vermiculita natural eativadas (V-vermiculita; H-hidrobiotita).


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Pode-se observar que a estrutura davermiculita sofre alteraes medida que a

concentrao da soluo de HCl aumenta, oprocesso de lixiviao da vermiculita ocorreprimeiro com a retirada dos ctions interlamelarese em seguida os metais da camada octadrica. Essamodificao da estrutura da vermiculita observada pela diminuio de intensidade do pico(001), evidenciando que o tratamento apresentou-se eficaz para o aumento da porosidade domaterial, confirmado pelos dados de rea a seguir.

3.4. Adsoro-Dessoro de N2(B.E.T.)

Os valores das medidas de rea atravs domtodo B.E.T. so apresentados na Tabela 1.

Tabela 1.Valores de rea especfica da vermiculitanatural e ativadas.

Adsorventes rea Especfica(m2/g)

V0-100 30,71V0,25-100 18,02

V0,5-100 64,96V1-100 163,5

A amostra de vermiculita naturalapresentou uma rea de 30,71 m2/g, sendoaproximadamente a rea obtida para este tipo dematerial (Abate, et al., 2006). As amostraslixiviadas aumentaram sua rea superficial amedida que foram tratadas com uma concentraode HCl mais elevada, comportamento, este, tpicode argilominerais. Isso ocorre devido a parcialremoo dos ctions interlamelares e presentes na

camada octadrica do material (Pentrk et al.,2012).

3.5. Estudo de Adsoro

A Figura 4 mostram o efeito do tempo decontato na porcentagem de remoo AM e naquantidade adsorvida e as isotermas de adsoropara os quatro adsorventes utilizados no trabalho.

A partir da anlise da Figura 4(a e b), nota-se que o equilbrio de adsoro aconteceurapidamente, no tempo de contato de 10 minutos edepois se tornou gradual, assim como no trabalho(Jin, 2012). possvel observar na Figura 4 que o

material V0-100 foi o que apresentou melhorresultado para adsoro do corante, comparado s

argilas lixiviadas, chegando a remover 64% doAM. Isto pode ser explicado pelo fato da adsorodo corante ter ocorrido em grande parte por trocacatinica (Ferreira, 2009).

0 10 20 30 40 50 60

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%R

emooAM

Tempo (min)

V0-100

V0,25

-100

V0,5

-100

V1-100

(a)

0 10 20 30 40 50 60

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Qe

(mg/g)

Tempo (min)

V0-100

V0,25

-100

V0,5

-100

V1-100

(b)

0 20 40 60 80 100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Qe

(mg/g)

Ce(mg/L)

V0-100

V0,25

-100

V0,5-100

V1-100

(c)

Figura 4. Grficos da porcentagem de remoo AMversus tempo de contato (a); da quantidade adsorvidaversus tempo de contato (b) e isotermas de adsoroAM (c).

Com isso pode-se concluir que a lixiviaocida da vermiculita no favoreceu sua interaocom o corante, fazendo com que ocorresse adiminuio da quantidade adsorvida e da sua

porcentagem de remoo do AM (Ferreira, 2009).Fazendo uma comparao apenas entre sargilas lixiviadas, o slido V1-100 foi o queapresentou melhor interao com o AM, chegando


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a remover 24% do corante em soluo, esteresultado pode ser justificado pela sua maior rea

especfica (163,5 m2

/g) comparado aos slidosV0,25-100 e V0,5-100. Isto indica que a reasuperficial tambm tem influncia no processo,mas nas condies estudadas a troca de ons foi oprocesso que prevaleceu.3.5.1. I sotermas de adsoro:Foram realizadostratamentos dos dados experimentais para conhecero tipo de isoterma que o nosso estudo se adequouatravs das equaes linearizadas 3, 4 e 5. E dessaforma, obteve-se os valores dos parmetros dasisotermas de adsoro mostrados na Tabela 2 everificou-se qual dos trs modelos que esto sendo

estudados interpreta o processo de adsoro docorante azul de metileno pela vermiculita natural eativadas.

Tabela 2.Valores dos parmetros das isotermas deadsoro.

TipoIsoterma ADSORVENTES

Langmuir V0-100 V0,25-100 V0,5-100 V1-100

Qmx (mg/g) 13,79 119,47 31,06 29,43

KL (L/mg) 0,019 0,001 0,005 0,005

R2 0,8991 0,0333 0,8011 0,5898

Freundlich

Kf (mg/g) 0,0213 0,1266 0,0796 0,0794

1/n 2,02 1,06 1,24 1,23

R2 0,9800 0,9876 0,9956 0,9565

Temkin

2,987 2,736 3,019 2,651

58,319 8,056 11,761 8,564

R2 0,9664 0,8015 0,9719 0,8179

Dentre os modelos que foram utilizados,nota-se que o modelo de adsoro de Freundlichfoi o que mais se ajustou as isotermas obtidas paraos quatro adsorventes, pelo fato de ter apresentadoos melhores coeficientes de correlao comparadoaos modelos de Langmuir e Temkin. Sendo assim,pode ser afirmado que a adsoro do azul demetileno ocorreu em adsorventes que soconstitudos por uma superfcie heterognea,conforme sugere o modelo de Freundlich.

4. CONCLUSO

Os resultados da caracterizao do materialantes e aps a lixiviao cida demonstraram que otratamento foi eficaz no que se diz respeito aremoo dos ctions interlamelares e constituintesda camada octadrica, no entanto, a vermiculitanatural apresentou maior potencial de adsorocomparada com os materiais modificados. Omodelo de linearizao das isotermas que melhorse aplicou aos materiais de estudo foi o deFreundlich, resultado esperado por se tratar de ummodelo aplicado a slidos de superfcieheterognea, sendo a vermiculita um materialnatural, contendo impurezas como a hidrobiotita.

6. AGRADECIMENTOS

A UFRN, a Capes, ao CNPq e a FAPERN.

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caracterizações vermiculita e isoterma

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