Caracterização estrutural e adsorção de íons metálicos por carboximetilcelulose e quitosana in natura e impregnada com zeólita

Abstract

Resumo: Biopolímeros de fontes naturais, tais como a carboximetilcelulose (CMC) e a quitosana, são capazes de complexar íons metálicos por possuírem em suas estruturas sítios potencialmente básicos de Lewis que se ligam aos íons metálicos, retirando-os do meio aquoso. Neste contexto, o objetivo geral deste trabalho foi estudar a interação dos íons metálicos FeIII, CrIII, NiII e MoVI com os biopolímeros CMC e quitosana e destes materiais impregnados com zeólita NaP1 (20% m/m), e avaliar o potencial de utilização destes materiais no tratamento de águas residuais contendo íons metálicos. A titulação potenciométrica foi realizada em soluções aquosas dos biopolímeros puros e em soluções dos biopolímeros com os íons metálicos, em diferentes razões íons metálicos-ligante. Os resultados obtidos na potenciometria demostraram a formação de complexos entre os biopolímeros e os íons metálicos nas proporções ligante-metal de 1:1 a 3:1. Os valores das constantes de complexação (obtidas no programa BEST7) e os diagramas de distribuição de espécies (obtidos no programa Hyss), demonstraram a existência de espécies complexadas na faixa de pH 2 a 12. Os estudos dos espectros no IV e as análises térmicas nas amostras sólidas dos produtos de interação dos íons metálicos com os biopolímeros, bem como dos materiais impregnados com zeólita NaP1, confirmaram a presença da zeólita nos sólidos e a interação dos íons com ambos os biopolímeros, impregnados ou não. Houve um aumento da estabilidade térmica dos materiais complexados e dos impregnados com zeólita, sendo este efeito mais pronunciado para o íon NiII. Os estudos dos sólidos por difratometria de raios X demonstraram modificações da estrutura dos biopolímeros impregnados com zeólita, com conservação de parte da estrutura cristalina da zeólita. Após o estudo dos produtos de interação biopolímero-íons metálicos, foi estudada a interação dos íons com os biopolímeros impregnados ou não com zeólita, em sistemas-modelo compostos por água pura, ou por água do Rio Iraí (Curitiba, PR), adicionadas dos íons NiII e MoVI. Observou-se maior eficiência quando foi utilizada a quitosana, com redução de 97% para os íons MoVI e de 92% para os íons NiII em 150 min e pH 5. Em seguida, os mesmos agentes de adsorção foram utilizados para tratar amostras efluentes de indústria de aço, sendo obtida uma eficiência maior quando se utilizou CMC pura ou impregnada com zeólita, no mesmo pH, com remoções acima de 90% para os íons MoVI e acima de 80% para os íons NiII. Os resultados obtidos para remoção dos íons após o tratamento mostram que a utilização dos biopolímeros utilizados neste trabalho pode ser vantajosa na remediação de efluentes contendo íons metálicos.

Abstract: Natural biopolymers, such as carboxymethylcellulose (CMC) and chitosan, are used as agents for the complexation of metallic ions, due to the fact that their structures present sites that are potential Lewis bases that can bind to the ions, removing them from aqueous solution. The objectives of the present work were, firstly, to study the interaction of the metallic ions FeIII, CrIII, NiII and MoVI with CMC and chitosan, both in their pure forms and in a preparation impregnated with zeolite NaP1 (20% m/m), and, secondly, to evaluate the potential of using these natural biopolymers in a process for the remediation of wastewaters containing metallic ions. Potentiometric titrations were done in aqueous solutions of the biopolymers with and without metallic ions, in different ratios of metallic ions to ligands. The values of the complexation constants (obtained with the software BEST7) and the diagrams of distribution of the species (obtained with the software Hyss) showed the formation of complexes between the biopolymers and the metallic ions, when mixed in different ratios (polymer:metal from 1:1 to 3:1), from pH 2 to 12. IR spectroscopy, differential scanning calorimetry and thermogravimetric analyses of solid samples of the metallic complexes and of the impregnated materials demonstrated the presence of zeolite and the interaction of the ions with both biopolymers, impregnated or not with zeolite. Interaction with the ions and zeolite increased the thermal stability of these materials, with the highest thermal stability being obtained for the biopolymers complexed with the ion NiII. X ray diffraction analyses of the solids showed modifications of the crystalline structure of the biopolymers impregnated with zeolite, with partial maintenance of the crystalline structure of the zeolite. After the study of the interactions of the biopolymers with the metallic ions, the potential of using these natural biopolymers in a process for the remediation of wastewaters containing metallic ions was studied. These experiments were done using both biopolymers, impregnated or not with zeolite, added to aqueous solutions containing metallic ions NiII e MoVI, prepared either with pure water or with water of the Irai River (Curitiba, PR). The results showed that pure chitosan was more effective, removing 97% of free MoVI and 92% of free NiII in 150 min at pH 5. The same materials were used to treat samples of a wastewater from stainless steel processing. The efficiency was greater with CMC, either pure or impregnated with zeolite: at the same pH, more than 90% of the MoVI and more than 80% of the NiII were removed. The results obtained for the removal, in both model systems and real effluents containing metals ions, showed that the biopolymers used in this work have potential for the remediation of wastewaters that contain metal ions.