Síntese de materiais carbonáceos a partir de palha de café arábica para remoção de contaminantes em sistemas aquosos

Abstract

A utilização do biochar na remediação de contaminantes em sistemas ambientais tem crescido nos últimos anos, devido às suas características de área superficial específica e superfície funcionalizada com grupos oxigenados. Portanto, esta tese teve como objetivo produzir biochars com diferentes características a partir da palha de café arábica (Coffea arabicca) e aplicá-los na remoção de contaminantes em sistemas aquosos. Essa tese foi dividida em cinco (5) capítulos. No primeiro capítulo é descrita uma breve revisão da literatura sobre as características, métodos de produção, caracterização e aplicações do biochar. No segundo capítulo são descritos os processos de síntese do biochar em diferentes temperaturas (350 e 600 o C) via pirólise, assim como a caracterização e aplicação na remoção de Fe(II). O biochar apresentou características amorfas antes da adsorção do Fe, bem como a formação de uma nova estrutura em forma de agulhas após a adsorção. O processo de remoção desse íon foi endotérmico, apresentando cinética de pseudo-segunda ordem. O modelo de Langmuir foi o que melhor se ajustou aos dados experimentais. No terceiro capítulo o material contendo ferro, produzindo no primeiro capítulo, foi usado na produção do BIOFe, via redução química empregando borohidreto de sódio. Esse material foi usado na remoção dos corantes alaranjado de metila (ALM) e azul de metileno (AZM) em sistemas aquosos. Na remoção de ambos os corantes acontecem, simultaneamente, o processo de adsorção e degradação, sendo o primeiro mais favorável. Por isso, foi proposto um processo de degradação sequencial (adsorção com biochar seguida de redução com nanopartículas de Fe de valência zero), em que a principal vantagem seria a diminuição do volume de efluente a ser degradado. No quarto capítulo foram descritos os resultados de degradação do herbicida dicamba (produto comercial) em solução aquosa empregando BIOFe em um sistema Fenton-like. Pôde-se observar que o compósito apresentou potencial para ser utilizado na degradação do dicamba, uma vez que o ensaio biológico com planta indicadora (feijão - Phaseolus Vulgaris) apresentou resultados de intoxicação considerados aceitáveis (10%). No quinto capítulo, foram descritos os resultados da degradação do herbicida dicamba utilizando um compósito a base de biochar produzido via síntese hidrotérmica. Pôde-se observar que o compósito apresentou melhores resultados que o biochar produzido via pirólise, e o sistema desenvolvido foi relativamente simples e de fácil aplicação. Palavras-chave: Biomassa. Adsorção. Degradação. Alaranjado de metila. Azul de metileno. Dicamba.

The use of biochar in the remediation of contaminants in environmental systems has grown in recent years, due to its characteristics such as specific surface area and functionalized surface with oxygenated groups. Therefore, this thesis aimed to produce biochars with different characteristics from Arabica coffee (Coffea arabicca) straw and apply them in the removal of contaminants in aqueous systems. This thesis was divided into five (5) chapters. In the first chapter a brief review of the literature on the characteristics, production methods, characterization and applications of biochar is described. In the second chapter, the processes of biochar synthesis at different temperatures (350 and 600 ºC) via pyrolysis are described, as well as the characterization and application in Fe(II) removal. The biochar showed amorphous characteristics before Fe adsorption, as well as the formation of a new needle-like structure after adsorption. The process was endothermic, presenting pseudo-second order kinetics. The Langmuir model was the best fit to the experimental data. In the third chapter the iron- containing material produced in the first chapter was used in the production of BIOFe, via chemical reduction employing sodium borohydride. This material was used for the removal of the dyes methyl orange (ALM) and methylene blue (AZM) in aqueous systems. In the removal of both dyes, adsorption and degradation processes take place simultaneously, the first being more favorable. Therefore, a sequential degradation process was proposed, in which the main advantage would be the decrease in the volume of effluent to be degraded. In the fourth chapter the results of the degradation of the herbicide dicamba (commercial product) in aqueous solution employing BIOFe in a Fenton-like system were described. It could be observed that the composite presented potential to be used in the degradation of dicamba, once the biological assay with indicator plant (bean - Phaseolus vulgaris) presented intoxication results considered acceptable (10%). In the fifth chapter, the results of the degradation of the herbicide dicamba using a biochar-based composite produced via hydrothermal synthesis were described. It can be observed that the composite presented better results than the biochar produced via pyrolysis, and the system developed was relatively simple and easy to apply. Keywords: Biomass. Adsorption. Degradation. Methyl orange. Methylene blue. Dicamba.