Interação entre íons inorgânicos e metálicos em soluções líquidas

Abstract

Resumo: A remoção de íons inorgânicos de dispersões aquosas contendo íons metálicos pode ocorrer por reações iônicas em fase líquida envolvendo o poluente inorgânico e o íon metálico solúvel, bem como por adsorção destes íons na superfície de hidróxidos metálicos formados por reações de precipitação. O objetivo desta dissertação foi propor uma estratégia para determinação da contribuição individual dos referidos mecanismos de remoção de íons inorgânicos. O procedimento envolveu a realização de experimentos cinéticos na ausência de sólidos, exceto o complexo sólido resultante da reação de complexação entre o íon metálico e os ortofosfatos, o que evitaria a remoção do poluente por adsorção. A condição de concentração de reagentes e produtos necessária para evitar a formação de fases sólidas demandou análise da solubilidade de todos os sólidos iônicos potencialmente presentes no meio reacional. Neste sentido, para o caso particular de remoção de ortofosfatos com íons de alumínio, foram conduzidos experimentos de determinação de solubilidade do fosfato dihidrogenado de potássio, do hidróxido de alumínio e do fosfato de alumínio. Com os dados de solubilidade, obtidos a partir de soluções supersaturadas a 25 ºC em diferentes pH, foram construídos diagramas de equilíbrio sólido-líquido capazes de estabelecer regiões de solubilidade de todos os íons reagentes. O fosfato dihidrogenado de potássio apresentou solubilidade experimental entre aproximadamente 1,5 e 5,1 mol L-1. A solubilidade experimental do hidróxido de alumínio manteve-se na faixa de 3,0×10-6 e 1,0×10-2 mol L-1, e a do fosfato de alumínio entre 6,8×10-5 e 2,9×10-3 mol L-1. Os diagramas de equilíbrio foram descritos matematicamente por solução numérica de um sistema de equações algébricas não lineares representando as diferentes reações reversíveis de hidrólise/dissociação e de dissolução dos sólidos iônicos em equilíbrio. A etapa final consistiu na execução de experimentos cinéticos em meio inicialmente homogêneo para determinação da constante de velocidade da reação de complexação entre ortofosfatos solúveis e alumínio solúvel. O modelo cinético proposto considerou uma única reação de complexação, de segunda ordem e irreversível, com constante de velocidade aproximadamente igual a 4,4x10-5 L mol s-1. Os resultados cinéticos evidenciam que a reação de complexação apresenta participação mensurável na remoção de íons fosfato de meios aquosos.

Abstract: The removal of inorganic ions from aqueous dispersions containing metallic ions may happen by ionic reactions between the inorganic pollutant and soluble metallic ion in a liquid phase, as well as by adsorption of these ions on the surface of metal hydroxides formed by precipitation reactions. The aim of this dissertation was to propose a valid approach to determine the individual contribution of the mechanisms of removal of inorganic ions indicated. The procedure consisted of carrying out kinetic experiments without a solid phase, except the one containing the product of the complexation reaction between the inorganic contaminant ion and the metallic ion, which would avoid the pollutant removal by adsorption. The condition, in terms of concentration of reactants and products, necessary to avoid the presence of any solid phases demanded a preliminary step of determination of the solubility of the ionic solids expected to be found in the reacting system. For the particular case of removal of orthophosphates with aluminum ions, the solubility experiments were carried out to determine the solubility of potassium dihydrogen phosphate, aluminum hydroxide, and aluminum phosphate. The solubility data obtained from supersaturated solutions at 25 ºC and different pH were used to build solid-liquid equilibrium diagrams that defined the solubility regions for all the ionic reactant species. Potassium dihydrogen phosphate showed experimental solubility between approximately 1.5 and 5.1 mol L-1. The experimental solubility of aluminum hydroxide was in the range of 3.0×10-6 and 1.0×10-2 mol L-1 and that of aluminum phosphate was between 6.8×10-5 and 2.9×10-3 mol L-1. The equilibrium diagrams were theoretically described by numerical solution of systems of non-linear algebraic equations that represent the several reversible reactions of hydrolysis/dissociation and dissolution of ionic solids at equilibrium. The final remarkable step was to perform kinetic experiments in an initial homogeneous ionic solution to determine the rate constant for the reaction between soluble orthophosphates and soluble aluminum. The proposed kinetic model considered a single, irreversible and second order reaction of complexation whose rate constant was approximately 4.4x10-5 L mol s-1. The kinetic results make it evident that the complexation reaction has measurable participation in the removal of phosphate ions from aqueous media.