Avaliação do processo de biossorção na remoção de íons cobre de soluções aquosas e da cachaça

Abstract

Resumo: A cachaça, aguardente de cana-de-açúcar, é uma bebida destilada, tipicamente brasileira, sendo estimada como a terceira mais consumida no mundo. A legislação define as concentrações limites para contaminantes e compostos secundários presentes na cachaça. Dentre os potenciais contaminantes da bebida, destacam-se os íons de Cu(II) e o carbamato de etila. A formação de carbamato de etila na bebida é potencializada logo após a etapa de destilação, mediante ação catalítica de íons cobre presentes no destilado. Desta forma, a avaliação de processos de separação, como a adsorção, para o processamento da cachaça, possibilita a padronização da bebida no tocante aos limites legais, removendo os íons de cobre e minimizando a formação de carbamato de etila. A utilização de biomateriais em processos adsortivos vem demonstrando resultados positivos para separação de componentes em diversos processos, porém a aplicação desta tecnologia ainda não foi testada para remoção de contaminantes em cachaça. O presente trabalho avaliou o potencial da biossorção, utilizando um biomaterial produzido a base de alginato de sódio e sericina, para remoção de íons cobre de soluções aquosas e da cachaça. Experimentos de adsorção em batelada de íons Cu(II) em solução aquosa foram realizados, utilizando o biossorvente confeccionado, o qual apresentou grande potencial para remoção de íons cobre, com uma capacidade de adsorção de 87,27 mg g-1 a 20 °C. Com base na modelagem cinética, foi verificado que a transferência de massa interna é a limitante da taxa de biossorção dos íons cobre no biossorvente confeccionado. Foi avaliada a reutilização do biossorvente, após cinco ciclos de adsorçãodessorção, o biossorvente manteve a capacidade de biossorção. Ensaios de adsorção em leito fixo foram realizados em distintas vazões de alimentação (1,0 a 2,0 mL min-1) e massa de biossorvente no leito (1,0 a 2,0 g). Observouse que a saturação do leito se deu em tempos elevados, chegando a 168 horas para o ensaio com vazão de 1,0 mL min-1, massa de biossorvente de 2,0 g e concentração inicial de 25 mg L-1 de íons Cu (II). Um estudo de caso foi realizado para avaliação da remoção de íons cobre e perda de compostos voláteis de uma cachaça artesanal, utilizando o biossorvente desenvolvido e dois tipos de adsorventes comerciais, carvão ativado e Amberlite, para fins comparativos. As partículas de sericina e alginato se mostraram eficientes para remoção de íons Cu(II) em cachaça, com concentração inicial de 1,5 mg L-1, sendo mais eficientes que o carvão ativado (remoção de 79,7% para o biossorvente e 54,3% para o carvão ativado), porém, foi observada a remoção de compostos responsáveis pelo aroma da bebida, dentre eles o acetato de etila, 1- propanol e isobutanol. Por fim, foi feita uma análise econômica para avaliação da viabilidade da produção em escala do biossorvente de sericina e alginato de sódio e sua aplicação em escala para o tratamento da cachaça. O custo estimado do adsorvente foi de 10,00 U$/kg, para uma taxa de retorno de 20%. Em um cenário considerando o tratamento em batelada de 500 L de uma cachaça com concentração inicial de 10 mg L-1 de Cu(II), visando a remoção de 90% do contaminante, são necessários apenas 0,70 kg do biossorvente, em contrapartida, são necessários 17,55 kg de carvão ativado.

Abstract: Cachaça, a sugarcane spirit, is a typically Brazilian distilled beverage, it is estimated to be the third most consumed in the world. The legislation sets limit concentrations for contaminants and secondary compounds present in cachaça. Among the potential contaminants, Cu(II) ions and ethyl carbamate stand out. The formation of ethyl carbamate is favored immediately after the distillation stage, through the catalytic action of copper ions present in the distilled beverage. Thus, the evaluation of separation processes, such as adsorption, for the processing of cachaça enables the standardization of the beverage concerning legal limits, by removing copper ions and minimizing the formation of ethyl carbamate. The use of biomaterials in adsorption processes has shown satisfactory results for the separation of components in various processes; however, the application of this technology has not yet been tested for the removal of contaminants in cachaça. This study evaluated the potential of biosorption using a biomaterial made from sodium alginate and sericin for the removal of copper ions from aqueous solutions and cachaça. Batch adsorption experiments of Cu(II) ions in aqueous solution were conducted using the biosorbent, which showed great potential for copper ion removal, with an adsorption capacity of 87.27 mg g?¹ at 20 °C. Based on kinetic modeling, it is verified that internal mass transfer limits the biosorption rate. Tests to evaluate the reusability of sericin–alginate particles are performed. it is discovered thateven after five adsorption–desorption cycles, the biosorbent shows excellent biosorption capacity. Fixed-bed adsorption tests were conducted at different feed flow rates (1.0 to 2.0 mL min?¹) and biosorbent masses in the bed (1.0 to 2.0 g). It was observed that the bed saturation occurred at extended times, reaching 168 hours for the test with a flow rate of 1.0 mL min?¹, biosorbent mass of 2.0 g (bed height of 106 mm), and initial concentration of 25 mg L?¹ of Cu (II) ions. A case study was conducted to evaluate the removal of copper ions and the loss of volatile compounds from an artisanal cachaça, using the developed biosorbent and two types of commercial adsorbents, activated carbon and Amberlite, for comparative purposes. The sericin-alginate particles proved to be efficient in removing Cu(II) ions from cachaça, with an initial concentration of 1.5 mg L?¹, being more efficient than activated carbon (removal of 79.7% for the biosorbent and 54.3% for activated carbon). However, the removal of compounds responsible for the aroma of the beverage, including ethyl acetate, 1-propanol, and isobutanol, was observed. Finally, an economic analysis was conducted to assess the feasibility of scale-up producing the sericin-alginate biosorbent and its application for the treatment of cachaça. The estimated cost of the adsorbent was $10.00 USD/kg, for a return rate of 20%. In a scenario considering the batch treatment of 500 L of cachaça with an initial concentration of 10 mg L?¹ of Cu(II), aiming to remove 90% of the contaminant, only 0.70 kg of the biosorbent is needed. In contrast, 17.55 kg of activated carbon is required.