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Consultar: Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica

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Ttulo [PT]: Modelagem matemtica da biossoro dos ons cu(II), ni(II) e zn(II) utilizando resduo da extrao do alginato da alga marinha argassum filipendula
Ttulo [EN]: Mathematical modeling of cu(ii), ni(ii) and zn(ii) biosorption by residue of alginate extraction from sargassum filipendulla
Autor(es): Pedro Yahico Ramos Suzaki
Palavras-chave [PT]:

Biossoro. Resduo de extrao. Alginato. Metais pesados. Modelagem. Brasil.
Palavras-chave [EN]:
Biosorption. Alginate-extraction residue. Heavy metals. Modeling. Brazil.
rea de concentrao: Desenvolvimento de Processos
Titulao: Doutor em Engenharia Qumica
Banca:
Luiz Mrio de Matos Jorge [Orientador] - UEM
Rosngela Bergamasco
Fabiano Bisinella Scheufele
Mrcia Regina Fagundes Klen
Quelen Letcia Shimabuku
Letcia Nisihi
Resumo:
Resumo: A adsoro tem-se destacado com uma operao simples e eficaz no tratamento de efluentes industriais, sobretudo na remoo de metais pesados a nvel de trao, situao na qual os mtodos tradicionais mostram-se caros e/ou ineficientes. Um dos fatores mais importantes para o sucesso desta operao a escolha adequada do material utilizado como adsorvente. Busca-se materiais que alm da capacidade de remoo dos ons de interesse sejam abundantes e consequentemente de baixo custo. Nesta procura por adsorventes eficientes e pouco onerosos as algas marinhas tm recebido ateno especial. Estudos revelaram que as algas apresentam potencial na remoo de metais pesados, porm, est no a melhor forma de aproveitamento deste tipo de biomassa, que se encontra em quase todo litoral brasileiro. As algas possuem grande quantidade de um biopolmero de valor comercial (alginato) que pode ser extrado e utilizado em diversos tipos de indstrias. Assim, este trabalho teve como objetivo avaliar a utilizao do resduo da alga Sargassum filipendula, aps o processo de extrao do biopolmero alginato. Este estudo se deu por meio da realizao de ensaios experimentais de adsoro em batelada e em coluna de leito fixo dos ons metlicos Cu(II), Ni(II) e Zn(II), bem como por ajustes de modelos matemticos para representao e compreenso do processo, buscando a identificao dos mecanismos que controlam a transferncia de massa da fase lquida para slida. O processo de adsoro dos ons Cu(II), Ni(II) e Zn(II) mostrou-se influenciado pelo tamanho de partcula e tambm pela temperatura de operao. A faixa granulomtrica com o menor dimetro mdio de partcula avaliada apresentou a maior capacidade de remoo para os trs metais avaliados. Porm, como o valor esteve prximo do obtido pela utilizao de toda a mistura granulomtrica, este ltimo grupo foi utilizado nos experimentos subsequentes. Desta forma, toda biomassa pde ser aproveitada nos ensaios. Com relao ao efeito da temperatura, a maior avaliada, 45!C, resultou na maior capacidade de remoo. As temperaturas de 25 e 35!C corresponderam a capacidades de remoes prximas a mxima obtida, logo, para economia de energia, a temperatura de 25!C foi empregada nos demais experimentos. Na investigao do resduo da extrao do alginato da alga Sargassum filipendila (REA) como biossorvente em sistema batelada para remoo do sistema binrio Cu(II)-Ni(II), o modelo de isoterma de Langmuir-Freundlich representou de maneira adequada o equilbrio dos metais nas fases lquida e slida. Na competio pelos stios ativos do material biossorvente, os ons Cu(II) expressaram maior afinidade com esta biomassa do que os ons Ni(II). A remoo dos ons Cu(II) foi pouco afetada pela presena de ons Ni(II), enquanto que a presena dos ons Cu(II) limitou de maneira intensa a capacidade de remoo dos ons Ni(II). O modelo matemtico de resistncia a transferncia de massa interna (RTMI) descreveu de maneira adequada a cintica do processo, indicando a transferncia de massa interna como etapa limitante da adsoro binria. Estudos de adsoro em coluna de leito fixo tambm foram realizados. Nos ensaios monocomponentes dos ons Cu(II), Ni(II) e Zn(II), os dados de equilbrio foram retratados de maneira apropriada pelo modelo de isoterma de Langmuir. A maior remoo foi observada pelos ons Cu(II), seguida dos ons Zn(II) e finalmente Ni(II). A maior eficincia de remoo dos ons Cu(II) foi comprovada pela anlise dos tempos de ruptura (i.e., tempo til do processo), que foram maiores para os ons Cu(II) e muito prximos para os ons Ni(II) e Zn(II). O modelo matemtico que considera a resistncia a transferncia de massa interna como etapa limitante do processo de adsoro descreveu de forma eficiente o comportamento dinmico de biossoro em coluna de leito fixo para todos os sistemas monocomponentes avaliados. Nos sistemas de adsoro multicomponente a mesma ordem de capacidade de remoo foi observada: Cu(II) > Zn(II) > Ni(II). Overshoots (i.e., concentraes de sada maiores que na alimentao do leito) foram detectados em algumas curvas de ruptura dos ons Zn(II) e Ni(II), comprovando a menor seletividade da biomassa para estes ons. A dinmica de adsoro ternria do sistema Cu(II)-Ni(II)-Zn(II), assim como no sistema binrio em batelada e nos sistemas monocomponentes em leito fixo, foram descritos de maneira satisfatria pelo modelo RTMI, sugerindo que a difuso interna tambm controla este processo de adsoro. Portanto, devido a capacidade preditiva nos diversos sistemas de adsoro avaliados, a modelagem matemtica descrita neste trabalho se qualifica como ferramenta para anlise e projeto do processo de adsoro de metais pesados.

Abstract: Adsorption has been highlighted as a simple and effective operation in the treatment of industrial effluents, especially in the removal of heavy metals at trace level, in which traditional methods are expensive and/or inefficient. One of the most important factors for the success of this operation is the adequate choice of material used as an adsorbent. In this search for efficient and inexpensive adsorbents, marine algae have received special attention. Studies have revealed that algae has potential in the removal of heavy metals. However, it might not be the best way to use this type of biomass, which is found in almost all Brazilian coast. Algae have a large amount of a commercially value biopolymer (alginate) that can be extracted and used in many types of industries. Thus, the objective of this work was to evaluate the use of the Sargassum filipendula algae residue after the extraction process of the alginate biopolymer. This study was carried out by conducting both batch and fixed bed column adsorption tests of Cu (II), Ni (II) and Zn (II) ions, as well as fitting of mathematical models for representation and comprehension of the process, seeking the identification of the mechanisms that control the mass transfer from liquid to solid phase. The adsorption process of the Cu(II), Ni(II) and Zn(II) ions was influenced by the particle size and also by the operating temperature. The granulometric range with the lowest evaluated particle diameter showed the highest removal capacity for the three evaluated metals. However, as the value was close to that obtained for the granulometric mixture, the latter group was used in the experiments. In this way, all biomass could be used in the tests. With respect to the effect of the temperature, the highest evaluated, (45!C ), resulted in the greater removal capacity. Temperatures of 25 and 35!C led to similar removal capacities obtained, so for energy savings, the temperature of 25!C was used in the subsequent experiments. In the investigation of the residue of alginate extraction of Sargassum filipendila (REA) as a biosorbent in a batch process to remove the Cu(II)-Ni(II) binary system, the Langmuir-Freundlich isotherm model adequately represented the equilibrium of metals in the liquid and solid phases. In the competition for the active sites of the biosorbent material, the Cu(II) ions expressed higher affinity with this biomass than the Ni(II) ions. The removal of Cu(II) ions was little affected by the presence of Ni(II) ions, whereas the presence of Cu (II) ions greatly limited Ni(II) ions removal capacity. The mathematical model of internal mass transfer resistance (RTMI) has adequately described process kinetics, indicating that the internal mass transfer is the rate limiting step of binary adsorption. Studies of adsorption in a fixed bed column were also performed. In the monocomponent assays of the Cu(II), Ni(II) and Zn(II) ions, the equilibrium data were appropriately represented by the Langmuir isotherm model. The highest removal was observed by the Cu(II) ions, followed by the Zn(II) and finally Ni(II) ions. The highest Cu(II) removal efficiency was demonstrated by the analysis of the rupture times, which were higher for the Cu (II) ions and very close to Ni(II) and Zn(II) ions. The mathematical model that considers the internal mass transfer resistance as the limiting step of the adsorption process adequately described the dynamic biosorption behavior in fixed bed columns for all the monocomponent systems evaluated. In the multicomponent adsorption systems the same order of removal capacity was observed: Cu(II) > Zn(II)> Ni(II). Overshoots were detected in some Zn(II) and Ni(II) ions rupture curves, confirming the lower biomass selectivity for these ions. The ternary adsorption dynamics of the Cu(II)-Ni(II)-Zn(II) system, as well as the batch binary system and fixed-bed column monocomponent systems, were satisfactorily described by the RTMI model, suggesting that diffusion also controls this adsorption process. Therefore, due to the predictive capacity in the different adsorption systems evaluated, the mathematical modeling described in this work can be applied as a tool for the analysis and design of the heavy metal adsorption process.
Data da defesa: 31/03/2017
Cdigo: vtls000226289
Informaes adicionais:
Idioma: Portugus
Data de Publicao: 2017
Local de Publicao: Maring, PR
Orientador: Prof. Dr. Luiz Mrio de Matos Jorge
Co-Orientador: Prof. Dr. Rosngela Bergamasco
Instituio: Universidade Estadual de Maring . Centro de Tecnologia . Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica
Nvel: Tese (doutorado em Engenharia Qumica)
UEM: Departamento de Engenharia Qumica

Responsavel: edson
Categoria: Aplicao
Formato: Documento PDF
Arquivo: TesePedroFinal.pdf
Tamanho: 26180 Kb (26808071 bytes)
Criado: 13-07-2017 19:23
Atualizado: 13-07-2017 19:28
Visitas: 370
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