Aplicação de óxidos de ferro peletizados como adsorvente para a remoção de arsênio dissolvido em água

Abstract

A remoção de arsênio em águas naturais tem sido estudada por diversas técnicas, dentre as quais processo de adsorção utilizando óxidos a base de ferro como meio adsorvente pode ser destacado pela sua eficiência. Entretanto, a dificuldade de aplicação de óxidos de ferro em pó, principalmente pela geração de lodo, dificulta sua aplicação em escala industrial. Este trabalho tem como objetivos produzir óxidos de ferro peletizados visando a sua aplicação na remoção de arsênio em efluentes líquidos da atividade de mineração do carvão.O óxido de ferro peletizado foi preparado adicionando-se três diferentes aditivos ligantes (CMC, bentonita e carvão mineral) visando produzir um material adequado para seu uso em unidades de leito fixo. Sua preparação consistiu na adição de ligantes em diferentes proporções mássicas (de 0 a 7%) ligante, otimização da umidade de operação da máquina peletizadora, ajuste dos parâmetros operacionais e tratamento térmico a 300 ºC.Os sólidos peletizados foram caracterizados pela determinação da friabilidade, teor de umidade residual, microscopia eletrônica de varredura e área BET. Os resultados de friabilidade mostraram que os adsorventes peletizados mais resistentes foram os de composição exclusiva de óxidos de ferro (H) e os de óxido de ferro e bentonita na composição de 7 % (H/Bentonita 7 %). Estes dois materiais peletizados, juntamente com o produto comercial similar (denominado GEH), foram submetidos à caracterização e testes comparativos de desempenho de remoção de arsênio em fase aquosa.A caracterização da área superficial BET dos adsorventes resultou em 136,75 m2?g-1 (H), 142,73 m2?g-1 (H/Bentonita 7%) e 110,41 m2?g-1 (GEH). As análises morfológicas mostraram que os adsorventes peletizados são materiais cristalinos conformados por partículas de geometria acicular. Por outro lado, o GEH tem morfologia irregular e desordenada característica de amostras aparentemente amorfas. A análise elementar confirmou a presença de ferro como maior constituinte para todos adsorventes (> 50 % m/m), acompanhado por traços de outros elementos típicos nas drenagens ácidas para os adsorventes peletizados. O ponto de carga zero dos materiais peletizados resultou próximo da neutralidade. As análises de difração de raios X evidenciaram que o tratamento térmico conduziu à mudança das fases cristalinas, sendo hematita a forma predominante para as amostras peletizadas, e ferridrita a forma predominante no adsorvente comercial. A capacidade adsortiva foi determinada em ensaios em batelada e em coluna de leito fixo, avaliando a eficiência da remoção de arsênio em solução aquosa e efluente derivado da drenagem ácida de mina (DAM). Os modelos de Langmuir e Freundlich foram utilizados para os ajustes matemáticos das isotermas de adsorção, apresentando maiores capacidades adsortivas em pH 4,0 e capacidades adsortivas na monocamada de 9,0 mg.g-1 (H); 7,25 mg.g-1 (H/Bentonita 7 %) e 7,19 mg.g-1 (GEH). Os resultados da adsorção em leito fixo mostraram capacidades 0,00125 mg.g-1 (H); 0,00089 mg.g-1 (H/Bentonita 7 %) e 0,01507 mg.g-1 (GEH).<br>

Abstract : The removal of arsenic from natural waters has been successfully performed using iron oxides as adsorbent. However, this adsorbent is frequently used in batch system due to the small size of iron oxides particles. The main objective of this work is to produce iron oxide pelletized applied to removal of arsenic from a coal mine wastewater. The iron oxide pellet was prepared by adding three different additives binder (CMC, bentonite and mineral coal) in order to produce a material suitable for use in fixed bed units. This preparation consisted in the addition binders in different mass proportions (0 - 7 %) binder, optimization of the operation moisture of the pelletizer machine, adjust operating parameters and heat treatment at 300 °C. The pelletized solids were characterized by determination of friability, moisture content residutal, scanning electron microscopy and BET area. The results of friability showed the most resistant pelleted adsorbent were the unique composition of iron oxides (H) and the iron oxide and bentonite in the composition of 7 % (H/Bentonita 7 %). These two pellets, together with the commercial product GEH were subjected to comparative tests and characterization of arsenic removal performance in the aqueous phase. The characterization of the BET surface area for adsorbing resulted in 136.75 m2·g-1 (H), 142.73 m2·g-1 (H/Bentonite 7 %) and 110.41 m2·g-1 (GEH). The morphological analysis showed that the adsorbents palleted are crystalline materials conformed by acicular geometry particles. On the other hand, GEH has irregular morphology and characteristic disordered of samples apparently amorphous. Elemental analysis confirmed the presence of iron as a major constituent for all the adsorbents (> 50 % w/w), followed by traces of other typical elements in the acid drainage for the pelletized adsorbents. The point of zero charge showed in the neutrality for all the adsorbent means in study. The diffraction analysis of X-ray showed that the heat treatment led to the change of crystalline phases, being hematite the predominant form for the palleted samples and ferrihydrite the predominant form in the commercial adsorbent. The adsorption capacity was determined in tests in batch and fixed bed column, evaluating the removal efficiency of arsenic in aqueous solution and effluent derived from acid mine drainage. The Langmuir and Freundlich models were used for the mathematical adjustments of adsorption isotherms, with higher adsorptive capacity in pH 4.0 and the adsorptive capacity in the monolayer of 9.0 mg.g-1 (H); 7.25 mg.g-1 (H/Bentonite 7 %) and 7.19 mg.g-1 (GEH). The results of the adsorption in fixed bed showed capacity 0,00125 mg.g--1 (H); 0,00089 mg.g-1 (H/Bentonite 7 %) and 0,01507 mg.g-1 (GEH).