Tratamento de efluentes líquidos com aerogéis à base de sílica

Abstract

Resumo A crescente preocupação ambiental relacionada com a deterioração dos recursos hídricos deve-se sobretudo à descarga de materiais poluentes para os cursos naturais. Neste contexto tem sido implementado um controlo mais rigoroso sobre as indústrias relativamente ao modo como fazem a gestão dos seus resíduos. Deste modo, a adsorção é frequentemente utilizada no sentido de remover ou diminuir a concentração de compostos orgânicos existentes na água e um dos adsorventes mais utilizados industrialmente é o carvão activado. Actualmente, os aerogéis de sílica têm sido estudados como potenciais adsorventes de poluentes líquidos. Neste âmbito, o presente trabalho pretende explorar o pré-tratamento de águas residuais contaminadas por compostos orgânicos, utilizando estes materiais como material adsorvente. Os materiais adsorventes utilizados ao longo da parte experimental foram aerogéis e xerogéis à base de sílica, obtidos a partir de metiltrimetoxisilano, e sintetizados no Departamento de Engenharia Química da FCTUC em colaboração com a AST, e os carvões activados comerciais Norit ROW 0.8 e Pragmacarb MG 4×8. Durante a fase experimental, procedeu-se à avaliação da capacidade de adsorção destes adsorventes relativamente ao benzeno, tolueno e fenol, tendo-se concluído que os adsorventes comerciais apresentam uma melhor capacidade adsortiva quando comparados com os aerogéis/xerogéis. Na avaliação das isotérmicas de adsorção, o modelo de Langmuir apresentou melhores previsões comparativamente com o de Freundlich, o que se poderá explicar com base nos materiais serem constituídos por mesoporos da gama inferior. Adicionalmente foi possível verificar que os aerogéis apresentam melhor capacidade de adsorção que os xerogéis devido às diferenças de porosidade resultantes do tipo de secagem utilizado em cada caso. A área de superfície mais reduzida dos aerogéis/xerogéis relativamente aos carvões activados é provavelmente a principal causa justificativa destes resultados. O processo foi mais eficaz quando se utilizou tolueno ao contrário de benzeno e esta diferença está relacionada com o aumento de polaridade dos compostos. Por outro lado, o fenol foi o composto menos adsorvido por todos os adsorventes. Com o intuito de avaliar a viabilidade industrial dos aerogéis/xerogéis, procedeu-se à sua regeneração através da ozonólise após a saturação da superfície. Deste modo, para verificar se os compostos adsorvidos foram efectivamente eliminados da superfície dos adsorventes, realizaram-se análises qualitativas aos materiais, nomeadamente FTIR e DSC/TGA. Apesar de os resultados apresentados serem indicativos da eficiência do processo de regeneração, futuramente, poder-se-ia mudar a estratégia de análise dos materiais e, ao invés de fazer análises qualitativas deste processo, poder-se-ia optar por uma quantificação do mesmo. Desta forma ter-se-ia uma maior reprodutibilidade nos resultados obtidos.

Abstract The increasing environmental concern on the deterioration of hydric resources is mainly due to pollutants discharge into the natural aquifers. In this realm, the governmental entities legislated based on a stringent control and release of liquid effluents by manufacturing industries. In order to remove the organic pollutants concentration, the adsorption processes have been commonly applied to detoxify the liquid stream by means of activated carbon. Recently, silica based aerogels have been studied as potential adsorbent applications for liquid pollutants. In this regard, the present work aims to investigate the pre-treatment of organic residual wastewaters, thereby applying those attractive adsorbents. The adsorbent materials used for the experimental research were aerogels and xerogels based on a silica framework, processed from methyltrimethoxysilane and synthetized in the Chemical Engineering Department, FCTUC in straight collaboration with AST, whereas the commercial activated carbons were Norit ROW 0.8 and Pragmacarb MG 4×8. The adsorption capacity of benzene, toluene and phenol was evaluated experimentally and the commercial adsorbents were found to exhibit a higher proficiency when compared to aerogels/xerogels. In what concerns the adsorption isotherm studies, the Langmuir model agreed better with experimental data in comparison to the Freundlich one, a fact that can be supported by the low range of mesopores. Moreover, the aerogels have shown better adsorption capacities than xerogels given the resulting porosities differences of the drying process for each case. The lower surface area of aerogels/xerogels in comparison to activated carbons is advanced as the main reason to explain the adsorption results. In fact, the process revealed higher efficiencies for the toluene rather than for the benzene, which can be explained by the higher polarity of the pollutant. In addition, the phenol was the less adsorbed compound for all cases. Aiming to evaluate the industrial feasibility of the aerogels/xerogels, the regeneration has been accomplished by an ozonation step after the surface saturation. Hence, the depletion of adsorbed organic pollutants was effectively and qualitatively analyzed by means of FTIR and DSC/TGA characterization techniques. Notwithstanding the results highlighted the efficiency of the regeneration process, in a further stage, it is recommended to enhance the materials characterization in a quantitative approach description. Better-quality results can be attained to reinforce the reproducibility of the experimental findings.