Uso de um copolímero natural de hidrocolóide de nostoc (Nostoc sphaericum)/nanoargila ativada para remoção de metais pesados em águas residuarias

Abstract

Resumo: As atividades antropicas geram resíduos com impacto negativo ao meio ambiente, especialmente nos recursos hídricos, que podem acumular metais, consequentemente causar problemas ao ecossistema. Diferentes métodos tem sido propostos para adsorção de metais, seja empregando materiais naturais ou sintéticos. Assim como as argilas ativadas tem grande capacidade de adsorção de metais, as algas se tornaram um adsorvente promissor para tal finalidade. O objetivo deste trabalho foi de elaborar e caracterizar um copolímero composto de hidrocoloide de nostoc (Nostoc sphaericum) e nanoargila ativada para a remoção de metais pesados em águas residuárias sintéticas. Os copolímeros foram preparados com misturas de hidrocoloide de nostoc pulverizado (HA) e nanoargila ativada (NR) em uma proporção de 2:8 (em massa), respectivamente. As argilas foram coletadas em Huancabamba, Andahuaylas (HMB) e Huanta, Ayacucho (HUT) no Peru e foram ativadas com uma solução de cloreto de sódio 1M e em meio ácido. Já o hidrocoloide foi obtido pela pulverização, a partir do qual foram produzidos os copolímeros NR/HMB-HA e NR/HUT-HA. A capacidade de adsorção dos copolímeros foi testada pela remoção de metais de águas residuárias sintéticas em pH 4,5 e 5,5 com experimentos em batelada. Foram avaliadas a porcentagem de remoção, a cinética e as isotermas de adsorção. Observou-se que as argilas ativadas NR/HMB e NR/HUT aumentam sua CTC, com tamanhos médios em torno de 400 nm, apresentando grupos funcionais quelantes. Também observou-se valores de potencial zeta próximos de -40 mV e estabilidade acima de 600°C. Os copolímeros registraram valores de PCZ em torno de 5,1. O estudo estrutural dos copolímeros, pós-adsorção, foi avaliado por análise FTIR, na qual observou-se variação significativa na intensidade dos grupos funcionais indicando absorção dos íons estudados. Os copolímeros NR/HMB-HA e NR/HUT-HA apresentaram alta afinidade de adsorção no sistema multimetal, sendo maior em pH 5,5, atingindo valores de 99,74% para Pb, 34,78% para As, 17,11% para Cd e 14,29% para Zn pelo copolímero NR/HUT-HA. Enquanto com NR/HMB-HA, foram observados 99,65% para Pb, 33,64% para As, 17,32 para Zn e 15,61% para Cd a partir de concentrações iniciais de 10 ppm para cada íon metálico. Observou-se que o equilíbrio de adsorção ocorre em torno de 90 minutos de exposição para os copolímeros. Os modelos de pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e Elovich registraram valores de R2 próximos à unidade e valores baixos de X2 e ARE. Já as isotermas seguindo os modelos de Langmuir, Freundlich, Redlich-Peterson e Temkin apresentaram ajustes com valores de R2 próximos à unidade e valores baixos para X2, ARE, HYBRID e MPSD. A maior seletividade foi observada para o Pb2+, avaliado através dos parâmetros dos modelos estudados, indicando processo de quimissorção. Finalmente, os copolímeros estudados apresentam alto potencial de remoção de metais em sistemas multimetálicos

Abstract: Anthropogenic activities generate waste with a negative impact on the environment, especially on water resources, which can accumulate metals, causing problems for the ecosystem. Several methods have been proposed for the adsorption of metals using either natural or synthetic materials. In addition to activated clays, which have a high adsorption capacity, algae have become a promising adsorbent for this purpose. This work aimed to develop and characterize a copolymer composed of Nostoc hydrocolloid (Nostoc sphaericum) and activated nanoclay to remove heavy metals from synthetic wastewater. The copolymers were prepared with mixtures of atomized nostoc hydrocolloid (HA) and activated nanoclay (NR) in a 2:8 ratio (w:w), respectively. The clays were collected from Huancabamba, Andahuaylas (HMB), and Huanta, Ayacucho (HUT) in Peru and were activated with 1M NaCl solution and in an acidic medium. The hydrocolloid was obtained by atomization, from which NR/HMB-HA and NR/HUT-HA copolymers were prepared. The adsorption capacity of the copolymers was tested by batch removal of metals from synthetic wastewater at pH 4.5 and 5.5. The percentage of elimination, kinetics, and adsorption isotherms were evaluated. It was observed that the activated clays NR/HMB and NR/HUT increased their CIC, with average sizes of 400 nm, presenting chelating functional groups. Zeta potential values close to -40 mV and stability above 600°C were also observed. The copolymers exhibited PCZ values around 5.1. The post-adsorption structural study of the copolymers was evaluated by FTIR analysis, which showed a significant variation in the intensity of the functional groups, indicating the absorption of the studied ions. NR/HMB-HA and NR/HUT-HA copolymers showed high adsorption affinity in a multimetal system, which was higher at pH 5.5, reaching values of 99.74% for Pb, 34.78% for As, 17.11% for Cd and 14.29% for Zn for the NR/HUT-HA copolymer, while for NR/HMB-HA 99.65% for Pb, 33.64% for As, 17.32 for Zn and 15.61% for Cd were observed from initial concentrations of 10 ppm for each metal ion. Adsorption equilibrium was observed to occur at approximately 90 min of exposure for the copolymers. The pseudo-first order, pseudo second order and Elovich kinetic models as well as the Langmuir, Freundlich, Redlich Peterson and Temkin isotherm models showed fits with R2 values close to unity and low values for X2, ARE, HYBRID and MPSD. The highest selectivity was observed for Pb2+, according to the parameters of the studied models, indicating a chemisorption process. Finally, the studied copolymers show a high potential for metal removal in aqueous multimetallic systems