Adsorção de arsênio(V) pela quitosana ferro - III reticulada

Asorption of arsenic (V) by crosslinked iron-III-chitosan

crosslinked iron(III)-chitosan; arsenate; adsorption

ARTIGO

Adsorção de arsênio(V) pela quitosana ferro – III reticulada

Asorption of arsenic (V) by crosslinked iron-III-chitosan

Tathyane Fagundes; Amanda Wolff Ledra Bachmann; Heloísa Sonálio Overrath Tomaz; Clóvis Antonio Rodrigues^*

Núcleo de Investigações Químico-Farmacêuticas, Universidade do Vale do Itajaí, CP 360, 88302-202 Itajaí - SC, Brasil

ABSTRACT

The removal of As(V) by a crosslinked iron(III)-chitosan adsorbent was evaluated under various conditions. The adsorption capacity of CH-FeCL was around 54 mg/g of As(V). The kinetics of adsorption obeys a pseudo-first-order model with rate constants equal to 0.022, 0.028, and 0.033 min^-1 at 15, 25 and 35 ºC respectively. Adsorption data were well described by the Langmuir model, although they could be modeled also by the Langmuir-Freundlich equation. The maximum adsorption capacity, calculated with the Langmuir model, was 127 mg g^-1 of As(V). The inhibition by competing anions is dependant on their kind and valence.

Keywords: crosslinked iron(III)-chitosan; arsenate; adsorption.

INTRODUÇÃO

Algumas atividades humanas podem favorecer a disponibilização do arsênio presente no solo.¹ A presença de arsênio em água foi relacionada a dermatites, câncer de pele, problemas neurológicos, hepatomegalia, problemas cardíacos, cânceres internos e intoxicações.² A Agência de Proteção Ambiental (EPA-US), dos Estados Unidos, baixou o limite regular de arsênio para água potável de 50 para 10 µg L^-1, sendo que a data limite para atingir tais níveis foi em janeiro de 2006. Como resultado desta nova norma, vários trabalhos estão sendo desenvolvidos com o enfoque em novas tecnologias para a redução dos níveis de arsênio, tais como melhoria do sistema de coagulação, sistemas de membrana e novos adsorventes.³

O processo de adsorção em fase sólida é uma alternativa para a remoção de compostos de arsênio. Diversos materiais baseados na presença de ferro têm sido empregados como adsorvente, devido principalmente à necessidade de pouco pré-tratamento químico da solução e por apresentarem vantagens, principalmente devidas à formação do complexo Fe:As muito estável.^4-11

Além dos materiais contendo ferro, uma série de outros materiais também tem sido utilizada na adsorção de arsênio como, por exemplo, zeolitas,² pasta de cimento Portland,¹² oxisol,¹³ polímeros contendo zircônio (IV),¹⁴ cinzas,¹⁵ sub-produtos da atividade agrícola.¹⁶

Dentre estes materiais alternativos utilizados na adsorção de arsênio encontram-se a quitina e quitosana^17,18 e quitosana impregnada com íons molibdato.^19,20 Por outro lado, em estudos anteriores mostramos que complexos de quitosana com íons Fe³⁺, na forma insolúvel, apresentam grande capacidade de adsorção de oxianions como, por exemplo, fosfato^{21, 22} e cromato.²³

Com base no que foi mencionado acima, o complexo de quitosana-ferro reticulado (QTS-FeR) foi utilizado como adsorvente de As(V). Foram avaliados os efeitos de vários parâmetros sobre a capacidade de adsorção de As(V), entre os quais a quantidade de ferro no polímero, o pH e a temperatura das soluções de As(V), efeito salino, concentração e tipo de sal. Também foram estudadas a cinética de adsorção e a capacidade máxima de adsorção através da aplicação de modelos matemáticos de adsorção.

PARTE EXPERIMENTAL

Preparação e caracterização do polímero QTS-FeR

Os complexos foram preparados com a quitosana da Purifarma com grau de desacetilação de 83% e massa molecular de 165.000. Todos os outros reagentes foram de procedências Vetec e utilizados sem purificação prévia.

Os complexos quitosana ferro(III)-reticulado (QTS-FeR) foram preparados e caracterizados de acordo com o descrito na literatura.²² Foram preparados 4 lotes de QTS-FeR com diferentes quantidades de ferro sendo denominados QTS-FeR(A), QTS-FeR(B), QTS-FeR(C) e QTS-FeR(D) contendo 32,4; 54,2; 80,6 e 111,3 mg g^-1 respectivamente.

Estudo de adsorção do As(V) (Métodos de banho)

Estudo das isotermas de adsorção

A adsorção do As(V) foi estudada através do método de banho, num sistema termostatizado, 25 ± 0,5 ºC. Neste experimento foram utilizados 25 mg dos diferentes QTS-FeR em 20 mL de solução de arsenato de sódio com concentração de 25, 50, 75, 100, 125, 150 mg L^-1, respectivamente, durante 60 min. O pH das soluções foi ajustado para valores entre 2,0-8,0, com NaOH ou HCl. Posteriormente o polímero foi removido por filtração e a concentração de As(V) foi determinada através pelo método de azul de molibdênio.⁵

Estudo da cinética

A cinética de adsorção foi realizada em sistema termostatizado, nas temperaturas de 15, 25 e 35 ºC. Foram utilizados 25 mg de polímero e 20 mL de solução com a concentração de As(V) (75 mg L^-1) sendo o pH ajustado em 4,0. O polímero e a solução ficaram em contato por uma variação de tempo entre 10-90 min. Após o tempo determinado para cada amostra, elas foram filtradas e analisadas pelo método de azul de molibdênio.⁵

Estudo do efeito salino

Foram realizados testes para estudar o efeito salino na adsorção de As(V) pela QTS-FeR; numa solução contendo 75 mg L^-1 de As(V) e pH 4,0 foram adicionados diferentes sais na concentração de 0,1 mol L^-1, durante 60 min. Os sais utilizados para o teste foram K₂SO₄, NaNO₃, NaCl, KI. Paralelamente, foram feitos experimentos com o NaCl variando sua concentração para 0,01; 0,025; 0,05; 0,1; 0,5 mol L^-1. Após 60 min, as amostras foram filtradas e analisadas pelo método de azul de molibdênio.⁵

Quantificação do As(V)

O As(V) foi quantificado através do método de azul de molibdênio, medindo-se a absorbância do complexo arsenomolibdato em 875 nm,⁵ utilizando o espectrofotômetro UV/vis Shimadzu 1601. A quantidade de As(V) adsorvido foi determinada pela diferença entre a quantidade adicionada e a quantidade encontrada após a remoção do polímero.

Modelo matemático da cinética de adsorção

Apesar de diversos modelos matemáticos que procuram explicar o processo de cinética de adsorção estarem disponíveis na literatura, optou-se pelo modelo de Lagergreen (pseudo-primeira ordem) utilizado por Zhang et al.⁸ para avaliar a velocidade de adsorção do As(V) em óxido de ferro contendo Ce(IV), Equação 1.

onde: q_e é a capacidade de adsorção no equilíbrio (após 90 min) (mg g^-1); q_t é a capacidade de adsorção no tempo t (mg g^-1) e k_ad é a constante de velocidade de adsorção (min^-1).

Isotermas de adsorção

As curvas que relacionam a quantidade de um determinado soluto adsorvida por uma superfície adsorvente, numa determinada temperatura, chamadas isotermas de adsorção, foram utilizadas para a determinação da quantidade máxima de adsorção a constante de equilíbrio de adsorção.

No processo de adsorção normalmente são empregados os modelos de isoterma de Langmuir e Langmuir-Freundlich para interpretar os dados experimentais de adsorção, devido à facilidade de transformar estas equações para a forma linear e, conseqüentemente, os parâmetros podem ser estimados graficamente. A escolha do modelo de isoterma, bem como o ajuste dos dados para determinação dos parâmetros foi realizada em função da equação que melhor produziu os dados experimentais, isto é, o menor desvio médio relativo e os parâmetros ajustado pelo método não linear.^24,25

A Equação de Langmuir é:

onde, q é a quantidade de soluto adsorvido (mg g^-1), C é a concentração de equilíbrio do soluto na solução (mg L^-1), K_L é a constante de Langmuir (L mg^-1), M é a quantidade máxima de adsorvida (mg g^-1).

A Equação de Langmuir-Freundlich é:

onde, β é um parâmetro empírico que varia com o grau de heterogeneidade da superfície do adsorvente, tem valor entre 0 e 1; K_LF é a constante de Langmuir-Freundlich (L mg^-1) e os demais parâmetros correspondem ao modelo de Langmuir.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Efeito da quantidade de ferro

Na Tabela 1 é mostrada a quantidade de As(V) adsorvido pelos polímeros preparados com diferentes quantidades de ferro. Neste estudo a concentração de As(V) foi mantida em 75 mg L^-1, tempo de agitação 60 min, quantidade de adsorvente 25 mg, volume da solução 20 mL e pH 4,0. Nestas condições é possível observar que a capacidade de adsorção aumenta com a quantidade de ferro presente no adsorvente. A escolha do íon Fe³⁺ está relacionada com o princípio de acidez e basicidade de Pearson, isto é, ácidos duros como o Fe³⁺, têm grande afinidade por bases duras, como é o caso do As(V).²⁶ A quantidade de As(V) adsorvida pela QTS-FeR é superior à relatada para outros adsorventes contendo ferro como, por exemplo, resíduos de indústria de processamento de suco de laranja,⁹ óxidos de ferro contendo Ce(V).⁸

O processo de adsorção de As(V) por adsorventes contendo ferro está baseado na formação do complexo entre o Fe(III) e o As(V), segundo mostrado na Figura 1. Este esquema é uma simplificação uma vez que o As(V) pode coordenar-se ao íon Fe³⁺ na forma monodentado e mononuclear, bidentado e monuclear ou bidentado e binuclear pelo mecanismo de formação de complexo de esfera interna.^5,6,9

Com base nestes resultados, os estudos sobre o efeito do pH, temperatura, capacidade de adsorção e efeito salino foram conduzidos utilizando o adsorvente contendo 80,6 mg de ferro por grama de polímero (QTS-FeR (C)).

Efeito do pH

Os estudos envolvendo diferentes pHs estão relacionados principalmente com o ácido arsênico. Ele possui três constantes de dissociação que podem interferir no processo de adsorção. Portanto, o estudo da variação do pH foi realizado com o objetivo de encontrar o pH ótimo de adsorção do As(V).²⁷

H₃AsO₄→H₂AsO₄^- pK_a1 = 2,1

H₂AsO₄^- → HAsO₄^2- pK_a2 = 6,7

HAsO₄^2- → HAsO₄^3- pK_a3 = 11,2

A influencia do pH foi estudada nos pHs 2,0; 4,0; 6,0 e 8,0, utilizando para o ajuste das soluções HCl e NaOH.

A Tabela 2 mostra o efeito do pH da solução sobre a capacidade de adsorção de As(V). A concentração inicial de As(V) foi de 75 mg L^-1, tempo de agitação de 60 min, temperatura de 25 ºC e 25 mg de adsorvente. Como podemos observar, o pH tem grande efeito sobre a quantidade de As(V) adsorvido. Na faixa de pH entre 4,0–8,0 a capacidade praticamente permanece constante, entretanto, quando o pH está próximo a 2,0 a capacidade diminui significativamente.

A explicação para este comportamento está relacionada com a distribuição das espécies do Arsênio (V) em meio aquoso, à medida que diminui o pH da solução aumenta a quantidade de H₃AsO₄ e diminui a quantidade de H₂AsO₄^-, que está presente nesta forma preferencialmente entre pH 4,0 – 6,0, para ser adsorvido deve estar nas formas carregadas negativamente. À medida que o pH aumenta, acima de 7,0, a espécie principal é HAsO₄^-2, que também é adsorvida pelo ferro.⁹

Os equilíbrios responsáveis pela adsorção do As(V) no adsorvente podem ser representados pelas Equações:

Fe³⁺ + H₂AsO₄^-→ [FeH₂AsO₄]²⁺ em pH 4,0- 6,0

Fe³⁺ + HAsO₄^2-→ [FeHAsO₄]⁺ 7,0 > pH > 10

Estes resultados mostram que este adsorvente pode ser empregado em condições que variam entre levemente ácidas a levemente básicas sem perda da eficiência, diferente do adsorvente POW no qual a faixa ótima situa-se entre 2,0 e 5,0.⁹ Comportamento semelhante foi relatado por Fagundes et al.,²¹ para a adsorção de HPO₄^-2 pela QTS-FeR, mostrando um comportamento similar entre os oxiácidos.

Efeito da temperatura

O estudo do processo de adsorção em diferentes temperaturas teve como objetivo a obtenção de informações para calcular os parâmetros termodinâmicos da adsorção.

A Figura 2 mostra o efeito da temperatura sobre o processo de adsorção do As(V). Como pode ser observado, não existe diferença significativa da capacidade de adsorção, após 90 min, em função da temperatura. A quantidade de As(V) adsorvida pela QTS-FeR(C) ficou em torno de 59 mg g^-1.

Cinética de adsorção

O processo cinético de adsorção foi realizado com o objetivo de verificar a velocidade com que o polímero QTS-FeR adsorve o As(V). Este estudo é essencial para empregar este adsorvente na purificação de amostras ambientais.

A adsorção de arsênio pela QTS-FeR(C) é dependente do tempo de contato. A Figura 3 mostra o efeito do tempo de contato sobre a concentração de As(V) na solução e no adsorvente. De acordo com os dados, ocorre uma diminuição muito grande da concentração de As(V) na solução após 20 min de contato (redução de 94%).

Este resultado mostrou que a QTS-FeR é muito mais efetiva quando comparada com a pasta de cimento Portland endurecido que, na dose 15 g L^-1 de adsorvente e 0,2 mg L^-1 de As(V), conseguiu remover apenas 70% do As(V) inicial.¹² A redução na concentração de As(V), também foi maior quando comparadas com a quitina e quitosana, que nas concentrações de adsorvente de 5 e 25 g L^-1, foram de 30 e 60%, para os dois adsorventes respectivamente, sendo que o tempo de contato entre os adsorventes e o As(V) foi de 10 dias.¹⁷

Modelo matemático da cinética de adsorção

Na Figura 4 é mostrado um gráfico referente à aplicação do modelo de cinética de adsorção de pseudo-primeira ordem de Lagergreen. Na Tabela 3 são mostrados as constantes de velocidade de adsorção e o coeficiente de correlação. A constante de velocidade de adsorção, segundo o modelo aplicado, teve uma pequena diminuição na faixa de temperatura estudada, considerando que os coeficientes encontrados neste trabalho não estão muito próximos da unidade. Os valores de k estão acima daqueles relatados por Zhang et al.,⁸ 1,84 x 10^-3 min^-1 (r = 0,98), em estudos utilizando Ce(IV) incorporado em oxido de ferro como adsorvente.⁸

Isotermas de adsorção

Na Figura 5 são mostradas as isotermas de adsorção do As(V) em função do pH da solução. Fica nítido, nesta figura, que o processo de adsorção em pH > 4,0 é favorecido, uma vez que a concentração de As(V) na solução diminui e, conseqüentemente, aumenta a concentração no adsorvente. As curvas entre os pontos foram geradas a partir do modelo de adsorção de Langmuir (Equação 2).

Na Figura 6 são mostradas as isotermas de adsorção bem como a curva gerada após a aplicação dos modelos matemáticos das isotermas de Langmuir-Freundlich (Equação 3).

Os resultados dos parâmetros de adsorção para a QTS-FeR empregada no estudo estão listados na Tabela 4; os coeficientes de correlação estão muito próximos uns dos outros.

Outra observação importante é a proximidade dos valores da capacidade de adsorção quando comparamos os dois modelos matemáticos empregados. Quando o parâmetro β (Equação 3) aproxima-se da unidade, o comportamento de adsorção segue o modelo de Langmuir, que admite um único sítio de adsorção. Este comportamento mostra o processo de adsorção num único sítio de adsorção ativo, que neste caso é o íon Fe³⁺.

Os valores da quantidade máxima adsorvida, encontrados neste trabalho, estão bem acima daqueles observados para o hidróxido de ferro granulado (5,0 mg g^-1)²⁸ ou óxido de Ce(IV) contendo ferro (70,4 mg g^-1) segundo o modelo de Langmuir;⁸ também estão bem acima dos valores relatados por Kundu et al.,¹² para a pasta de cimento Portland (3,98 mg g^-1). Os valores da quantidade de arsênio adsorvida estão muito próximos dos valores encontrados para o subproduto da indústria de suco contendo íons ferro (126,0 mg g^-1)⁹. Bradruzzaman et al.⁴ relataram uma capacidade de adsorção de 4,4 mg g^-1 para o hidróxido de ferro granular aplicando o modelo de Freundlich e 18 dias de agitação. Os valores da quantidade máxima adsorvida de As(V) para QTS-FeR são maiores que a maioria dos adsorventes; no caso do subproduto da indústria de suco os valores são praticamente os mesmos. Entretanto, as vantagens da QTS-FeR em relação ao anterior estão nas etapas de preparação do adsorvente.

Efeito de outros íons

A presença de outros ânions na solução pode provocar uma competição pelo sítio de adsorção Fe³⁺. Na Tabela 5 são mostrados os valores da capacidade de adsorção de As(V) em soluções contendo outros sais. Como é possível observar, ocorre uma diminuição na capacidade de adsorção na presença de sal. Quando se analisa em termos de concentração de NaCl ocorre uma redução que varia de 12,7-45,5% na adsorção de As(V), dependendo da concentração de sal, quando comparada com a adsorção na ausência de NaCl, sendo que a redução máxima ocorreu quando a razão Cl^-/As(V) foi de 250.

A mesma ordem de efeito salino foi observada no estudo de adsorção de fosfato pela QTS-FeR, entretanto o efeito no presente estudo é menos pronunciado.²²

A presença de outros íons, na razão ânion/As(V) de 250, também provocou uma redução na capacidade de adsorção. No caso do SO₄^2- a redução na adsorção foi de aproximadamente 82% quando comparada com a ausência de ânion. Este mesmo efeito foi observado para a adsorção de HPO₄^2- pela QTs-FeR, entretanto, no caso do As(V) o efeito salino é menos pronunciado.²² O comportamento observado neste trabalho foi diferente do relatado para a sílica funcionalizada com Fe³⁺, no qual a presença de cloreto, sulfato e nitrato não provocou redução significativa na adsorção de As(V).²⁹

Segundo Cumbal e Sengupta,³⁰ as interações entre o ferro imobilizado na superfície de polímeros e o As(V) e As(III) em solução ocorrem através do mecanismo de formação do complexo de esfera interna. Por outro lado, a interação entre os outros íons presentes na solução ocorre através de mecanismo de esfera externa, geralmente através de interações eletrostática. Como as interações por esfera-interna são fracas, a diminuição da quantidade de As(V) adsorvida pode estar relacionada com a quantidade dos outros íons presentes.

CONCLUSÕES

Os resultados obtidos no presente estudo permitem concluir que a adsorção de As(V) é dependente da concentração de ferro presente no QTS-FeR, onde quanto maior a concentração de ferro maior a quantidade de arsênio adsorvido. Na faixa de pH entre 4,0-8,0 a capacidade praticamente permanece constante. A adsorção de arsênio pela QTS-FeR é dependente do tempo de contato, ocorre uma diminuição muito grande da concentração de As(V) na solução após 20 min de contato (redução de 94% da concentração inicial) mostrando uma cinética de adsorção muito rápida. A presença de outros ânions na solução pode provocar uma competição pelo sítio de adsorção Fe³⁺, diminuindo a quantidade de As(V) adsorvido.

AGRADECIMENTOS

À ProPPEC/UNIVALI pelo financiamento do projeto.

Recebido em 21/3/07; aceito em 17/12/07; publicado na web em 31/7/08

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  10 Out 2008
• Data do Fascículo
  2008

Histórico

• Recebido
  21 Mar 2007
• Aceito
  17 Dez 2007