Carbono ativado: Remoção de metais pesados

Na segunda de uma série de cinco partes sobre as aplicações de carbono ativado, é examinada a utilização de carbono ativado para sequestrar metais pesados. Os metais pesados, por exemplo, cádmio e chumbo, são notoriamente difíceis de remover da solução e há consequências graves se estes entrarem em cursos de água, água potável ou mar. O carbono ativado faz parte da solução.

Introdução

Os metais pesados são, em muitos casos, tóxicos para a vida vegetal e aquática. O escoamento das práticas mineiras, dos locais de resíduos mal geridos e da atividade industrial mal regulamentada podem deixar os cursos de água e os solos resultantes incapazes de serem utilizados. É imperativo que os metais pesados sejam removidos o mais rapidamente possível - para prevenir doenças e danos ambientais. A utilização de um filtro de carbono ativado é um dos métodos mais eficazes, fiáveis e resistentes para imobilizar metais pesados. Outras fontes de metais pesados na água incluem a intempéries de edifícios (particularmente cobre e ferro), emissões veiculares e de instalações de canalização. O método primário de filtração é a exclusão do tamanho através da adsorção. Muitos metais pesados são bem adequados à filtração do GAC devido às suas propriedades electrónicas complementares (como a eletronegatividade) e o tamanho atómico.

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Adicionar um filtro de carbono

Os filtros de carvão ativados

podem ser utilizados de várias formas. Na filtragem de linhas como parte de uma estratégia de tratamento industrial ou como método pós-tratamento, em que as águas residuais estagnadas ou de outra forma são transmitidas através de um filtro de carbono ativado antes de outros tratamentos. É importante notar que outros processamentos são normalmente necessários para garantir a adequação da água para voltar aos rios ou ao mar. Isto é feito da forma tradicional, tal como os esgotos domésticos são tratados.

Os resíduos industriais são as principais fontes de contaminação por metais pesados. Os iões de crómio(iii) são uma característica comum nas águas residuais provenientes de curtumes. Devido à prevalência das suas localizações no mundo em desenvolvimento, algum tratamento de água pode ter sido historicamente pobre. Dois tipos de carbono ativado granular comercial foram apresentados na investigação para remover 98,6 e 93% do crómio presente nas águas residuais(1). Esta elevada taxa de sucesso é diretamente atribuída à área de superfície.

A presença de ferro e manganês nas águas subterrâneas apresenta problemas semelhantes ao crómio. Tais águas subterrâneas são muitas vezes avermelhada na aparência devido à oxidação. Quando as águas subterrâneas foram tratadas com carbono ativado granular, a água tornou-se quase completamente clara em apenas seis horas à temperatura ambiente, com o GAC a reportar que removeu até 3,60 e 2,55 mg de ferro e manganês, respectivamente, por grama de carbono(2). Fe e Mn são especialmente adequados para a remoção através do GAC devido às suas eletronegatividades e radii atómicos.

Os materiais mais perigosos incluem cádmio e chumbo. Estudos de simulação na sua remoção sugeriram que a utilização do GAC é eficaz quando implantada numa coluna fixa de cama (destinada a replicar-se em filtração constante de linha), com remoção quase completa(3). Aplicando estas ideias no mundo real, os investigadores conseguiram mostrar que o GAC pode imobilizar - e, portanto, remover - cádmio e chumbo, além de cobre e crómio, de sedimentos fluviais. Os investigadores observaram que o tamanho ideal do poro para este exemplo do mundo real foi na região de 0,075 - 0,18 mm. À semelhança de outras investigações, os autores hipótesem que uma combinação de elevado grau de porosidade e propriedades electrónicas compatíveis foi determinante na remoção efetiva(4).

Quando depositado em outros tipos de carbono, como nanotubos de carbono e nanopartículas magnéticas encapsuladas por carbono, o GAC também pode ser eficaz na remoção de iões de cobalto da solução. Os autores notam, no entanto, que o enxerto em outros tipos de carbono é benéfico para o GAC, mas a adição de GAC aos nanotubos, por exemplo, não aumentaria o comportamento de adsorção desses nanotubos(5). Não obstante, os autores afirmam claramente que o tamanho da partícula do contaminante é um árbitro chave para saber se pode ou não ser removido por filtração.

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Liquid Splash Crown with Reflection Background

Filtros de carbono ativados granulado em configurações biológicas

Os metais pesados tendem a não jogar bem com os sistemas biológicos (excluindo os diretamente envolvidos, claro) e, portanto, a sua remoção é fundamental.

A utilização de sistemas biológicos para melhorar a remoção com GAC foi demonstrada ao utilizar o fermento. Esta combinação GAC-biosorbent demonstrou ser eficaz na remoção do cádmio, do cobre e do zinco da solução. Ao utilizar o filtro heterogéneo combinado GAC-levedura,, cerca de 90% dos iões metálicos são removidos da solução(6). Foram demonstrados novos processos de bio-adsoprão com carbono ativado granular para a remoção de vários metais pesados dos esgotos tratados primários. Uma dose de GAC de 5 g L-1 foi responsável por 54% e 96% da remoção de contaminantes por adsorção e bio-adsorção, respectivamente(7).

Os iões de chumbo e níquel podem ser removidos da solução aquosa e escoamento através da utilização de um reator de lote de sequenciação que utilize bio-lamas e carbono ativado granular. Este sistema composto é, em muitos aspetos, semelhante a um reator de cama fixa, embora um que difere na sua heterogeneidade e temperatura de funcionamento. Curiosamente, a adsorção de contaminantes foi aumentada com um maior tempo de retenção hidráulica. Ou seja, quanto mais tempo gasto no filtro, melhor será a remoção. Isto é de se esperar, até à capacidade total do filtro. Mais de 800 e 750 mg de níquel e chumbo, respectivamente, são facilmente removidos por grama de carbono ativado - composto por biosludge. Os iões metálicos foram posteriormente recuperados do filtro composto por tratamento com ácido nítrico diluído. (8).

O carbono ativado granular pode ser proveniente de meios não comerciais, e o carbono ativado que foi preparado a partir de pedra de damasco é eficaz através de uma gama de metais pesados. A investigação demonstrou, no entanto, que o GAC proveniente de fontes não comerciais sofre de falta de homogeneidade e de propensão para exigir uma gama de pH mais definida para funcionar eficazmente(9).

Modificações para a configuração do filtro de carvão ativado tradicional

Como amplamente discutido acima, o facto de o carbono ativado possuir uma enorme área de superfície em relação ao seu volume é fundamental na sua capacidade de adsorbar metais pesados a partir de solução. A capacidade de um químico ou engenheiro realizar modificações de superfície em carbono granular ativado - isto é, alterar as propriedades da superfície através de uma reação química ou tratamento físico - para melhorar ainda mais as propriedades já estabelecidas representa um desenvolvimento emocionante. Fatores como a maior superfície, níveis mais elevados de inerência química e resistência mecânica ainda mais forte são todas as propriedades comuns procuradas(10) para o tratamento de águas residuais.

Exemplos incluem onde os investigadores procuraram aumentar a acidez na superfície do carbono ativado. Utilizando um processo de acidificação do ácido nítrico, precedido pela despersitura e seguido pelo tratamento a 1.273 K, observaram que a adsorção de metais pesados, incluindo cádmio, era muito mais forte, enquanto a adsorção dos aromáticos era mais pobre(11). Outras melhorias de desempenho deste tipo foram notadas com o carbono ativado granular que foi modificado pelo tratamento de micro-ondas, ativação a vapor e tratamento de ultrassons. Cada um deles foi demonstrado como eficaz na definição laboratorial para melhorar o perfil de remoção de certos metais pesados e seus compostos(12).

Um exemplo primordial da extremidade mais simples da modificação da superfície é o tratamento de um material de carbono ativado granular com ácido cítrico. Os investigadores descobriram que um doping modesto aumentou a área ativa da superfície de carbono em 34% e aumentou a sua capacidade de adsorção de cobre para quase 15 mg de por g(13), cerca de 140% melhor do que o carbono não modificado. Da mesma forma, a remoção de iões metálicos pesados da solução aquosa foi acelerada quando se utiliza o carbono granular tratado com sulfureto de sódio como adsorbrinte para a remoção de mercúrio, chumbo e níquel(14). Curiosamente também, este estudo mostrou que a adsorção neste caso não era dependente de temperatura. O tratamento ácido e base é uma escolha popular, com pré-tratamento de GAC com ácido nítrico de 1,0 M e hidróxido de potássio mostrando adsorção melhorada em uma ampla gama de metais pesados, especialmente cádmio e cobre(15).

Embora a modificação superficial do carbono ativado granular esteja a tornar-se popular, é de notar que acrescenta custos e complexidade extra. Além disso, levanta o problema de como os produtos químicos utilizados para o tratamento devem ser eliminados. Deve ser considerado um estudo mais importante sobre os custos face aos benefícios(16).

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Pouring water from bottle into glass on blue background

Resumo

  • O carbono ativado granular é um excelente material para a filtração de uma grande variedade de materiais e contaminantes da água
  • Alguns dos poluentes mais perniciosos que ocorrem a partir de atividades como a mineração incluem metais pesados. Resíduos de ferro e manganésio são facilmente removidos pela filtração do GAC
  • Os metais pesados muito mais tóxicos (portanto problemáticos) representam um perigo mais perigoso e também são removidos da água em pé ou corrente por filtração do GAC
  • Combinar a filtração do GAC com sistemas biológicos como a levedura pode fornecer uma via de filtração ainda mais eficaz para alguns dos contaminantes mais difíceis de isolar
  • O GAC é facilmente modificado à superfície, por exemplo, por acidificação, o que pode ajudar a modular as propriedades superficiais do GAC para ter casos de utilização ainda mais amplos.
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Referências

1 N. F. Fahim et al., J. Hazard. Mater, o que é que se pode, 2006, 136,303

2 A.bin Jusoh et al., Dessalinnation, 2005, 182, 347

3 L. S. Shiung et al., Dessalinnation, 2007, 206, 9

4 W.-F. Chen et al., O Env. A Sci. Poluição Res., 2016, 23, 1460

5 M, Bystrzejewski et al., Colloids e Surf. A Sci. Um, 2010, 162, 102

6 E. Wilkins e Q. Yang, J. Env. A Sci. e Saúde A, 1996, 31, 2111

7 H. H. Ngo et al., Bioresource Tech., 2008, 99, 8674

8 S. Sirinantapiboon et al., Bioresource Tech., 2007, 98, 2749

9 E. Demirbas et al., Bioresource Tech., 2005, 96, 13

10 W. S. Chai et al., J. Cleaner Prod., 2021, 296, 126589

11 M. Machida et al., O Appl. Surf. A Sci., 2007, 8554

12 A. Khalil et al., J. Water Proc. Eng., 2021, 102221

13 J. P. Chen et al., Carbono, 2003, 41, 1979

14 G. K. Mishra et al., JSIR, 2010, 69,449

15 S. H. Kwon et al., J. Ind. Eng. A quimioterapia., 2008, 14, 131

16 S.-J. Parque et al., Revestimentos, 2019, 103