Recuperação de metais através da adsorção com aerogéis de sílica

Abstract

Ao longo dos anos, a poluição ambiental através de metais pesados tem vindo a crescer, causando inúmeros problemas nos ecossistemas. As águas são os sistemas mais afetados, havendo necessidade de remoção destes poluentes. Entre muitas técnicas estudadas, destacam-se os processos adsortivos que, através de adsorventes com elevada capacidade de adsorção, permitem a remoção dos metais. Entre muitos adsorventes, destacam-se os aerogéis de sílica que têm sido alvo de estudo intensivo. No entanto, é importante a regeneração e reutilização destes materiais, pois a sua acumulação também causa problemas no ambiente. O presente trabalho apresenta os seguintes objetivos: i) síntese de aerogéis de sílica funcionalizados para remoção de cobre, níquel, chumbo e cádmio de soluções aquosas com um ou dois metais (estudo de seletividade); ii) regeneração do aerogel permitindo a sua reutilização; iii) recuperação dos metais pesados inicialmente adsorvidos. O aerogel utilizado foi sintetizado de acordo com a razão molar de precursores de sílica que se segue, tendo esta sido definida em estudos prévios: 50% MTES, 30% TEOS, 10% APTMS e 10% A3PTMS. Após os testes cinéticos, de seletividade, de dessorção e de eletrodeposição, recorreu-se à espectroscopia de absorção atómica de chama para quantificar os metais pesados em solução. Nos testes cinéticos conclui-se que o modelo de pseudo-segunda ordem é aquele que revela melhores ajustes para os dados obtidos. No caso de soluções com um só metal, verifica-se que o cobre é o que apresenta uma adsorção mais lenta. No estudo da seletividade (soluções com dois metais), conclui-se que o aerogel apresenta maior afinidade para com o cobre. Nas experiências de dessorção testaram-se diversos agentes regenerantes, definindo-se o ácido clorídrico (HCl) como o que apresenta melhores resultados experimentais. No entanto, nas condições definidas como as melhores para uma dessorção eficaz, e recorrendo a uma análise por microscopia eletrónica de varrimento e a uma análise elemental, verificou-se que o aerogel perde certas caraterísticas químicas da sua superfície após o contacto com o ácido. Para recuperação dos metais que ficam em solução após o processo de dessorção, realizou-se uma eletrodeposição, recorrendo a uma célula eletroquímica, através da qual se concluiu que este processo é viável para a recuperação de metais pesados, pois a quantidade removida da solução aumenta consoante o tempo de contacto entre esta e os elétrodos. Neste estudo, é possível concluir que o aerogel sintetizado apresenta boa capacidade de adsorção, e também que a sua regeneração e respetiva recuperação dos metais são dois processos viáveis e que permitem a utilização dos aerogéis mais do que uma vez, apesar de se observar uma redução da capacidade adsortiva.

Over the years, the environmental pollution through heavy metals has been increasing, causing a lot of problems in the ecosystems. The water is the most affected system, requiring the removal of these pollutants. Among other techniques, adsorption processes stand out, because the adsorbents have a high capacity for the removal of heavy metals. The silica aerogels have been the subject of severe studies. However, the regeneration and reuse of these materials is truly important, as their accumulation also causes environmental problems. The present work has the following goals: i) synthesis of functionalized silica aerogels for the removal of copper, nickel, lead and cadmium from aqueous solutions with one or two metals (selectivity study) through adsorption; ii) regeneration of the aerogel for assessment of its reuse; iii) recovery of the heavy metals initially adsorbed. The aerogel used was synthesized according to the following molar ratio of sílica precursors defined in na earlier work: 50% MTES, 30% TEOS, 10% APTMS and 10% A3PTMS. The flame atomic absorption spectroscopy was used to quantify the heavy metals present in the solution, after the kinetics, selectivity, desorption, and electrodeposition tests. In the kinetic tests, the pseudo-second order model is the one that fits better to the obtained data. For solutions with only one metal, we see that copper is the one with the slowest adsorption. In the study of selectivity in binary solutions of the metals, we can conclude that the aerogel adsorbent has more affinity for copper. In the desorption experiments, several regenerating agents were tested, being the hydrochloric acid (HCl) the one with the best experimental results. However, through scanning electron microscopy and elemental analysis results, it was found that the aerogel loses some chemical/structural characteristics of the surface after the contact with acid. In order to recover the metals that remain in the solution after the desorption process, electrodeposition experiments were carried out, using an electrochemical cell, through which it was concluded that this process is viable for the recovery of heavy metals, as the amount removed from the solution increases with the contact time between this and the electrodes. In summary, this study shows that the synthesized aerogel has a good adsorption capacity, and also that the regeneration process and the recovery of the heavy metal are two viable processes that allow the use of aerogels more than once, despite a reduction on adsorption capacity.