Extração de tanino de engaço de uva para síntese de coagulante e aproveitamento da biomassa final para obtenção de carvão ativado

Abstract

Os coagulantes mais utilizados em processos de coagulação/floculação de água e efluentes pertencem à classe dos inorgânicos. Dentre os principais estão os sais de alumínio, sais de ferro e suas formas pré-polimerizadas. Apesar do excelente desempenho destes agentes coagulantes, nas últimas décadas fomentaram-se discussões acerca da problemática ambiental em relação ao potencial tóxico destes coagulantes e o grande volume de lodo rico em resíduos de hidróxidos metálicos não biodegradáveis. Visando minimizar tais problemas e melhorar a segurança e a qualidade do processo de coagulação/floculação, a comunidade científica tem buscado desenvolver novos agentes coagulantes de origem orgânica, com destaque para os produzidos a base de tanino. Este trabalho propôs sintetizar um coagulante orgânico a base de tanino (TBC) extraído de engaços de uva e o aproveitamento da biomassa final para obtenção de carvão ativado. Os engaços de uva da cultivar Vitis labrusca foram coletados em uma propriedade rural localizada no município de Videira/SC. A extração de tanino dos engaços de uva foi realizada via processo sólido-líquido em extrator de Soxleht. As condições de extração foram otimizadas pelo delineamento composto central rotacional. A reação de Mannich foi aplicada na síntese do TBC, sendo que três composições distintas do coagulante foram testadas. A melhor formulação para o TBC foi a composição C3, a qual resultou em um coagulante com características semelhante aos coagulantes orgânicos comerciais, com aspecto líquido de coloração castanha, concentração de 238 g.L-1, pH de 1,7, viscosidade de 28 cP e concentração de sólidos de 42%. O TBC apresentou caráter anfótero e sua efetividade no processo de coagulação/floculação foi confirmado pelo diagrama de coagulação, o qual avaliou as condições de remoção de turbidez em função da dosagem do coagulante e da variação do pH em água com turbidez de 50 NTU, induzida com caulim. O desempenho do TBC também foi avaliado juntamente com outro coagulante orgânico comercial, o Acquapol. Ambos coagulantes foram aplicados no processo de coagulação/floculação de efluentes da indústria de papel e celulose e de uma agroindústria de processamento de carnes. A partir de 100 mg.L-1 do TBC, obteve-se uma redução substancial da DQO em 53%, ST 38,8%, cor 87% e turbidez até 90% do efluente da indústria de papel e celulose. Para o efluente agroindustrial os índices de remoção foram de 71,3% para DQO, ST 49,2%, cor 95% e turbidez 97%. O Acquapol aplicado na mesma concentração removeu até 55% da DQO, 40,7% dos ST, 85,8% da cor e 84% da turbidez dos efluentes da indústria de papel e celulose. No efluente agroindustrial, o coagulante comercial apresentou uma taxa de remoção de 72% da DQO e 40,5% de ST. Para cor e turbidez os índices de remoção foram de até 97%. Por fim, objetivando aproveitar em sua totalidade os engaços de uva, após a extração de tanino, os mesmos foram convertidos em carvão ativado (CA). O CA produzido foi caracterizado como mesoporoso com diâmetro dos poros de 2,2 nm, área superficial de 475,5 m2.g-1 e volume de poros de 0,263 cm3.g-1. Para os estudos cinéticos de adsorção do CA, o corante azul de metileno foi empregado como adsorvato. A modelagem cinética apontou que o modelo que melhor se ajustou aos dados experimentais foi o de pseudo-segunda ordem, com coeficiente de correlação R² = 1. Quanto às isotermas de adsorção, o melhor ajuste do processo foi obtido com a isoterma de Langmuir (R² = 0,9893), indicando que a adsorção do corante azul de metileno sobre o CA ocorreu em uma superfície homogênea, formando monocamada, sem interação entre espécies adsorvidas.

Abstract: The most commonly used coagulants in water and effluent coagulation/flocculation processes belong to the inorganic class. Among the main ones are aluminum salts, iron salts and their pre-polymerized forms. Despite the excellent performance of these coagulating agents, in recent decades discussions have been fostered about the environmental issue in relation to the toxic potential of these coagulants and the large volume of sludge rich in non-biodegradable metal hydroxide residues. Aiming to minimize such problems and improve the safety and quality of the coagulation/flocculation process, the scientific community has sought to develop new coagulating agents of organic origin, with emphasis on those produced with a tannin base. This work proposed synthesize a tannin-based organic coagulant (TBC) extracted from grape stems and use the final biomass to obtain activated carbon. Grape stems of the cultivar Vitis labrusca were collected in a rural property located in Videira/SC. The tannin extraction from the grape stems was carried out via a solid-liquid process in a Soxleht extractor. Extraction conditions were optimized by the central composite rotational design. The Mannich reaction was applied in the synthesis of TBC, and three distinct compositions of the coagulant were tested. The best formulation for TBC was composition C3, which resulted in a coagulant with characteristics similar to commercial organic coagulants, with a brown liquid appearance, concentration of 238 gL-1, pH of 1.7, viscosity of 28 cP and solids concentration of 42%. The TBC showed an amphoteric character and its effectiveness in the coagulation/flocculation process was confirmed by the coagulation diagram, which evaluated the conditions of turbidity removal as a function of the coagulant dosage and the pH variation in water with turbidity of 50 NTU, induced with kaolin. The performance of TBC was also evaluated along with another commercial organic coagulant, Acquapol. Both coagulants were applied in the coagulation/flocculation process of wastewater from of a paper and cellulose industry and from an agroindustry of meat processing. From 100 mg.L-1 of TBC, a substantial reduction in COD was obtained by 53%, ST 38.8%, color 87% and turbidity up to 90% of the wastewater from the paper and cellulose industry. For agroindustrial wastewater, removal rates were 71.3% for COD, ST 49.2%, color 95% and turbidity 97%. Acquapol applied at the same concentration removed up to 55% of the COD, 40.7% of the TS, 85.8% of the color and 84% of the turbidity of the wastewater from the paper and cellulose industry. In the agroindustrial wastewater, the commercial coagulant presented a removal rate of 72% of COD and 40.5% of TS. For color and turbidity, removal rates were up to 97%. Finally, aiming to fully utilize the grape stems, after the tannin extraction, they were converted into activated carbon (CA). The CA produced was characterized as mesoporous with a pore diameter of 2.2 nm, a surface area of 475.5 m2.g-1 and a pore volume of 0.263 cm3.g-1. For the kinetic studies of CA adsorption, the methylene blue dye was used as an adsorvate. The kinetic modeling showed that the model that best fit the experimental data was the pseudo-second order, with correlation coefficient R² = 1. As for the adsorption isotherms, the best adjustment of the process was obtained with the Langmuir isotherm (R² = 0.9893), indicating that the adsorption of methylene blue dye on the CA occurred on a homogeneous surface, forming a monolayer, without interaction between adsorbed species.