Baixe Preparação e uso de uma argila organofílica como adsorvente da mistura de benzeno e tolueno e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity! PREPARAÇÃO E USO DE UMA ARGILA ORGANOFÍLICA COMO ADSORVENTE DA MISTURA DE BENZENO E TOLUENO. R. L. AMARAL 1 , J. V. F. L. CAVALCANTI 2 , J. G. A. CÂMARA 1 , D. D. C. da SILVA 1 , J.M. FERREIRA 1 , O.S. BARAÚNA 3 , C.A.M. ABREU 1 , M. A. MOTTA SOBRINHO 1 1 Universidade Federal de Pernambuco, Campus Recife, Departamento de Engenharia Química e-mail: rodrigo.amaral01@hotmail.com, josemar_camara@yahoo.com.br, joelma@ufpe.br, cesar@ufpe.br, mottas@ufpe.br, 2 Universidade Federal Rural de Pernambuco, Campus Serra Talhada, Departamento de Química e-mail: jorge@uast.ufrpe.br 3 Instituto Tecnológico de Pernambuco, Laboratório de Materiais e-mail: osmar@itep.br RESUMO – As argilas apresentam viabilidade técnico-econômica decorrente dos seus potenciais de adsorção que, associados as suas disponibilidades, as tornam adsorventes de baixo custo. Por outro lado, sua capacidade adsortiva para moléculas orgânicas é muito baixa, devido à natureza hidrofílica das superfícies do mineral. Buscou-se desenvolver um processo de remoção dos compostos orgânicos, particularmente o benzeno e tolueno, presentes em efluentes gerados na indústria petrolífera, empregando argilas provenientes de Campina Grande-PB. O material adsorvente foi preparado através de um tratamento com carbonato de sódio seguido de um com sal quaternário de amônio, visando uma troca catiônica efetiva nas suas regiões intercamadas. Para a caracterização das argilas foram feitas as análises de capacidade de troca de cátions, difração de raios X e inchamento de Foster. Foi realizado um planejamento fatorial avaliando o efeito da massa, pH, tempo de contato e concentração inicial de benzeno e tolueno na capacidade de adsorção da argila. PALAVRAS-CHAVE: argila organofílica, caracterização, adsorção, benzeno, tolueno 1. INTRODUÇÃO. As principais formas de contaminação, originada do petróleo, no solo, ar e águas superficiais e sub-superficiais são advindas das atividades de prospecção, exploração, transporte e refino do petróleo. A prospecção e exploração são responsáveis pela geração de resíduos sólidos e efluentes líquidos, envolvendo óleos, graxas, fenóis, BTEX (Benzeno, Tolueno, Etilbenzeno e Xilenos) e fluidos de perfuração. No Brasil, apesar de não existir legislação específica para efluentes gerados em refinarias, o Conselho Nacional de Meio Ambiente (CONAMA), através da Resolução 357/2005, estabelece parâmetros orgânicos e inorgânicos como padrões de lançamento de efluentes de qualquer fonte poluidora. As argilas apresentam alta viabilidade técnico-econômica, decorrente do seu potencial de adsorção, que, associado à sua disponibilidade abundante, as tornam adsorventes de baixo custo (Baraúna, 1991). A definição clássica designa argila como um material natural, terroso, de granulação fina que quando umedecido com água apresenta plasticidade (Souza Santos, 1992). Os minerais constituintes das argilas são os argilominerais, sendo os mesmos silicatos hidratados que possuem estrutura em camadas constituídas por folhas contínuas formadas por tetraedros de silício (ou alumínio) e oxigênio, e folhas formadas por octaedros de alumínio (magnésio ou ferro), oxigênio e hidroxilas (Neumann et al., 2000). As unidades da estrutura cristalina em vista estereoscópica podem ser vista na Figura 1. Figura1- Unidades da estrutura cristalina de uma esmectita em vista estereoscópica (Carastan, 2007). As substituições de átomos de Si 4+ das folhas tetraédricas por átomos de Al 3+ , ou de Al 3+ por Mg 2+ ou Ca 2+ nas folhas octaédricas, são chamadas substituições isomórficas, e não causam distorção na estrutura das lamelas, por serem todos esses átomos de tamanhos similares. Em compensação, estas substituições geram um excesso de carga negativa nas camadas das argilas, que é responsável por algumas das propriedades interessantes das mesmas. Uma forma de classificar as argilas está relacionada ao tipo de cátion presente na folha octaédrica. Se esse cátion for bivalente (como por exemplo, Ca 2+ ou Mg 2+ ) todos os sítios octaédricos estarão ocupados e a argila será classificada como do tipo trioctaédrico. Para íons trivalentes (como o Al 3+ ), apenas 2/3 dos sítios estarão ocupados, denominando-se assim argilas do tipo dioctaédrico. A nomenclatura para os tipos de camadas é uma simples expressão da razão entre as folhas tetraédricas e as folhas octaédricas. Assim sendo, um argilomineral com camada 1:1 tem uma folha tetraédrica e uma folha octaédrica, enquanto que um argilomineral do tipo 2:1 apresenta duas folhas tetraédricas e uma folha octaédrica interna. (Neumann et al., 2000). A estrutura cristalina para argila 2:1 é ilustrada na Figura 2. Figura 2 - Ilustração esquemática do empilhamento de camadas de uma argila 2:1, enfatizando os cátions trocáveis presentes nas galerias (Carastan, 2007). Tabela - 3 CTC das argilas in natura e Chocolate sódica (meq/100 g) AMOSTRAS CT (meq/100g) CTC (meq/100g) pH Ca Mg Na K Al H Lagoa de Dentro In natura 67,50 12,80 5,60 1,60 0,00 - 87,50 7,10 São Jorge In natura 21,75 13,65 1,40 0,64 0,00 - 37,44 7,60 Verde Lodo In natura 7,40 19,65 6,40 0,62 0,00 1,56 35,60 6,00 Bofe In natura 5,15 17,40 6,60 0,28 0,00 2,39 31,80 5,60 Chocolate In natura 17,55 36,20 13,13 0,55 0,10 3,78 71,31 5,90 Chocolate Sódica 1,60 2,35 74,74 0,55 0,00 0,00 79,34 10,10 Os espaçamentos basais(nm), para as argilas in natura seca a 300°C e hidratada, sódica seca a 100°C e hidratada e organofílica antes da adsorção estão apresentados na Tabela 4. Tabela 4 - Espaçamentos basais das formas in natura seca e hidratada, sódica seca e hidratada e organofílica antes e após adsorção do fenol, da argila Chocolate. TIPO DE ARGILA ESPAÇAMENTO BASAL (nm) In natura 1,549 In natura Hidratada 1,963 Sódica Seca 1,263 Sódica Hidratada 2,454 Organofílica 2,092 O fato da difração de raios-X da argila sódica ter revelado um pico de 1,260 nm possível fazer-se uma análise muito precisa sobre o que aconteceu na região intercamadas da argila sódica nas condições em que elas foram analisadas (por DRX). Isto acontece porque a amostra sódica foi submetida a uma secagem à temperatura de 100 ºC por um tempo longo para permitir o peneiramento. Desta forma ocorre uma desidratação da região intercamadas, que é tanto mais severa quanto maior for o tempo de secagem. A melhor forma de comparar a eficiência da troca iônica cálcio/sódio corresponde àquela em que se faz um tratamento com água. Neste caso, colocaram-se as duas argilas (in natura e sódica) em condições equivalentes de hidratação e a diferença de comportamento adsortivo entre elas fica evidente. Para o inchamento de Foster, a argila Chocolate in natura mostrou inchamento de 4 mL.g -1 , enquanto que a sódica revelou inchamento de 15 mL.g -1 , como pode ser vistos na Figura 3a . Figura 3 - Inchamento de Foster das argilas in natura e sódica (a), das argilas organofílicas III e II (b). Valores iguais ou inferiores a 2 mL.g -1 são onsiderados como não inchamento, de 3 a 5 mL.g -1 como inchamento baixo, de 6 a 8 mL.g -1 como inchamento médio e acima de 8 mL.g -1 como inchamento alto (DIAZ,1994). A argila referente ao experimento II (Figura 3b), proveniente da argila preparada com concentração de SQA igual a 100% da CTC da argila sódica, obteve um inchamento de 11 mL.g -1 , enquanto que a argila referente ao experimento III, preparada com concentração de SQA igual a 150% da CTC da sódica, obteve um inchamento de 9 mL.g -1 . 3.2. Planejamento fatorial 24 Com a utilização do planejamento experimental fatorial foi possível fazer um estudo mais abrangente das variáveis independentes (tempo, pH, concentração do contaminante e massa da argila), realizando de maneira mais organizada uma quantidade mínima de experimentos. A Tabela 5 apresenta os resultados obtidos do planejamento para o benzeno e tolueno, monocomponente e bicomponente, com a resposta (quantidade adsorvida por unidade de massa do adsorvente), em duplicata, em cada combinação de níveis e limite de confiança de 95%. Foram realizados também três ensaios para o ponto central. Tabela 5 - Matriz do Planejamento experimental fatorial 2 4 , em duplicata, com a quantidade adsorvida para o benzeno monocomponente (Qb), tolueno monocomponente (Qt), benzeno bicomponente (Q * b) e tolueno bicomponente (Q * t) m (g) pH t (min) Co (mg.L -1 ) Qb (mg/g) Qt (mg/g) Q*b (mg/g) Q*t (mg/g) Exp.1 Exp.2 Exp.1 Exp.2 Exp.1 Exp.2 Exp.1 Exp.2 + + + + 0,207 0,205 0,227 0,225 0,103 0,105 0,113 0,111 + - + + 0,217 0,213 0,257 0,267 0,110 0,107 0,114 0,112 + + - + 0,214 0,220 0,253 0,254 0,102 0,101 0,111 0,109 + - - + 0,216 0,215 0,254 0,256 0,104 0,102 0,112 0,110 - + + + 3,881 3,821 4,084 4,089 1,425 1,433 1,476 1,474 - - + + 3,558 3,521 3,758 3,856 1,527 1,503 1,575 1,574 - + - + 3,161 3,206 3,461 3,470 1,291 1,301 1,388 1,386 - - - + 3,192 3,185 3,292 3,252 1,203 1,333 1,420 1,417 + + + - 0,021 0,022 0,027 0,029 0,006 0,008 0,012 0,010 + - + - 0,020 0,021 0,023 0,022 0,008 0,009 0,013 0,012 + + - - 0,021 0,020 0,024 0,023 0,011 0,010 0,014 0,011 + - - - 0,195 0,194 0,207 0,205 0,007 0,008 0,012 0,011 - + + - 0,301 0,304 0,333 0,334 0,302 0,301 0,303 0,301 - - + - 0,292 0,296 0,299 0,297 0,104 0,102 0,146 0,142 - + - - 0,255 0,245 0,245 0,235 0,101 0,102 0,144 0,148 - - - - 0,260 0,263 0,269 0,273 0,152 0,156 0,190 0,187 0 0 0 0 0,062 0,067 0,504 0,490 0,050 0,051 0,302 0,303 0 0 0 0 0,065 - 0,503 - 0,056 - 0,307 - A partir dos resultados obtidos nos planejamentos foi feito a estimativa dos efeitos e realizada uma regressão linear, dos dados experimentais, utilizando o programa “STATISTICA”. Na analise dos efeitos estimados, os termos destacados correspondem as variáveis independentes cujos efeitos apresentam significância estatística. O sinal indica um efeito favorável, sinal positivo, ou um efeito desfavorável, sinal negativo, na variável de resposta. De acordo com os resultados apresentados na tabela 6, os efeitos principais das variáveis independentes, tendo como resposta a quantidade absorvida para o benzeno monocomponente (Qb) e bicomponente (Q * b) e para o tolueno monocomponente (Qt) e bicomponente (Q * t), considerando o planejamento fatorial 2 4 , são as seguintes: Apenas as variáveis (m), (CO) e a interação (m)(Co) apresentaram efeitos estatisticamente significativos sobre a variável resposta Qb e Q * b; Para a variável de resposta Qt, apenas as variáveis (m), (CO), a interação (m)(t) e a interação (m)(Co) apresentaram efeitos estatisticamente significativos; Para a variável de resposta Q*t, apenas as variáveis (m), (t),(CO), a interação (m)(t) e a interação (m)(Co) apresentaram efeitos estatisticamente significativos.; A diminuição da massa e o aumento da concentração inicial aumenta a quantidade absorvida em todos os casos estudados (Qb, Qt,Q * b e Q * t). O efeito da massa, (m), é maior que os das outras variáveis independentes e das interações entre elas. O pH e as interações com o pH não apresentam efeitos significativos sobre as variáveis de resposta Qb, Qt,Q * b e Q * t. Tabela 6 – Estimativa dos efeitos para a quantidade absorvida para o benzeno monocomponente (Qb) e bicomponente (Q * b) e para o tolueno monocomponente (Qt) e bicomponente (Q * t). Variáveis Independentes Efeitos Estimados Qb Qt Q * b Q * t Média 0,919 1,016 0,383 0,435 (m) -1,717 -1,812 -0,715 -0,768 (pH) 0,013 0,032 0,01 -0,003 (t) 0,113 0,134 0,067 0,045 (Co) 1,654 1,778 0,654 0,684 (m)(pH) -0,063 -0,086 -0,012 0,002 (m)(t) -0,164 -0,184 -0,065 -0,044 (m)(Co) -1,510 -1,597 -0,558 -0,584 (pH)(t) 0,065 0,038 0,016 0,016 (pH)(Co) 0,062 0,076 -0,026 -0,031 (t)(Co) 0,140 0,149 0,03 0,017 (m)(pH)(t) -0,019 0,001 -0,018 -0,017 (m)(pH)(Co) -0,015 -0,044 0,025 0,030 (m)(t)(Co) -0,094 -0,109 -0,028 -0,016 (pH)(t)(Co) 0,011 -0,025 -0,045 -0,033