Hidrogéis de xilana e poli (ácido acrílico) para adsorção de melamina em batelada e modo contínuo: planejamento experimental, cinética, isoterma, reuso e coluna de leito fixo

Abstract

Dois hidrogéis foram sintetizados, caracterizados e aplicados como materiais alternativos para remover melamina (MEL) de meios aquosos por adsorção. Pela primeira vez, é apresentado um estudo completo da adsorção de MEL, incluindo estudos de otimização, cinética, isoterma, reuso e coluna com esses novos materiais. Um dos hidrogéis é baseado em xilana e poli (ácido acrílico) e foi nomeado HXy, e o outro é baseado nos mesmos componentes com incorporação de carvão ativado e foi nomeado HXy-AC. Os materiais foram sintetizados por polimerização de radicais livres e caracterizados por SEC, RS, MS, NMR, CHNO, FTIR, XRD, TGA, DSC, SEM, ZP, PZC, isotermas de adsorção de N2 (BET), picnometria de gás hélio, método de Arquimedes, análises de intumescimento (SA) e testes de estabilidade (ST). Os resultados da caracterização confirmaram a síntese pretendida e mostraram o perfil térmico, morfológico, textural, estrutural e composicional, bem como as características de adsorção dos materiais. Os estudos de adsorção em processo descontínuo incluíram planejamento experimental, cinética, isotermas e reuso, e em processo contínuo incluíram experimentos em coluna de leito fixo. O planejamento fatorial completo mostrou os fatores singificativos para as respostas capacidade de adsorção (q) e percentual de remoção (R). O planejamento Doehlert permitiu definir os valores de dosagem de adsorvente e pH mais adequados para adsorção de MEL nos materiais, indicando as condições ótimas de adsorção. A cinética foi bem descrita pelo modelo de Pseudo primeira ordem, sendo alcançada em cerca de 180 minutos, enquanto a isoterma seguiu o modelo de Langmuir, com diminuição da capacidade de adsorção com o aumento da temperatura. A capacidade máxima de adsorção experimental foi de 132,46 e 118,96 mg g-1 em pH 7, com dosagem de adsorvente de 0,5 g L-1 e 298 K para HXy e HXy-AC, respectivamente. Além disso, os materiais Hxy e HXy-AC mantiveram cerca de 58 e 70% de sua capacidade inicial de adsorção ao final de cinco ciclos de adsorção/dessorção, respectivamente e a dessorção com NaCl foi adequada. As curvas de ruptura foram descritas pelo modelo de Yan e apresentaram capacidade máxima de adsorção de 30,2 e 30,4 mg g-1, tratando 3,4 e 6,1 L de afluente até o ponto de ruptura de 0,5 mg L-1 com HXy-AC utilizando 2,0 e 4,0 g de material, respectivamente. Esses resultados mostram que os hidrogéis produzidos apresentam potencial para serem aplicados na adsorção de moléculas básicas, como o MEL.

Abstract: Two hydrogels were synthesized, characterized, and applied as alternative materials to remove melamine (MEL) from aqueous media by adsorption. For the first time, a complete study of MEL adsorption is presented, including optimization, kinetics, isotherm, reuse, and column studies with these new materials. One hydrogel is based on xylan and poly (acrylic acid) and was named HXy, and the other is based on the same components functionalized with activated carbon and was named HXy-AC. The materials were synthesized by free radical polymerization and characterized by SEC, RS, MS, NMR, CHNO, FTIR, XRD, TGA, DSC, SEM, ZP, PZC, N2 adsorption isotherms (BET), Helium gas pycnometry, Archimedes method, swelling analysis (SA), and stability tests (ST). The characterization results confirmed the intended synthesis and showed the thermal, morphological, textural, structural, and compositional profile, as well as the adsorption characteristics of the materials. The adsorption studies in batch process included experimental design, kinetics, isotherms, and recyclability, and in continuous process the studies included fixed-bed column experiments. The full factorial design showed the factors that are significant for adsorption capacity (q) and removal percentage (R) responses. Doehlert design enabled the definition of the values of adsorbent dosage and pH that were most suitable for MEL adsorption into the materials, indicating the optimal adsorption conditions. The kinetics was well described by the Pseudo-first order model, being reached in about 180 minutes, while the isotherm followed the Langmuir model, with a decrease in adsorption capacity with increasing temperature. The maximum experimental adsorption capacity was 132.46 and 118.96 mg g-1 at pH 7, with adsorbent dosage of 0.5 g L-1 and 298 K for HXy and HXy-AC, respectively. Furthermore, Hxy and HXy-AC materials maintained about 58 and 70% of their initial adsorption capacity at the end of five adsorption/desorption cycles, respectively, and desorption with NaCl was adequate. Breakthrough curves were described by the Yan model and presented a maximum adsorption capacity of 30.2 and 30.4 mg g-1, treating 3.4 and 6.1 L of influent until the breakthrough point of 0.5 mg L-1 with HXy-AC using 2.0 and 4.0 g of material, respectively. These findings show that the hydrogels produced present the potential to be applied in the adsorption of basic molecules, such as MEL.