Carvão ativado derivado da cana-de-açúcar e modificado com zeólita natural para adsorção eficiente do corante azul de metileno: abordagens experimental e teórica

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 18031 (2022) Citar este artigo

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A introdução de carvão ativado/zeólita natural (AC/NZ) como um nanoadsorvente eficiente e confiável para melhorar a adsorção do corante azul de metileno (MB). Ao calcinar resíduos de cana-de-açúcar em diversas temperaturas entre 500 e 900 °C, formam-se carvões ativados (CAs). Tanto DRX quanto SEM foram utilizados para a caracterização dos adsorventes preparados. Medições de adsorção para remoção do corante MB foram feitas no impacto do pH, concentração inicial de MB e tempo de contato. A capacidade máxima de adsorção AC500/NZ para corante MB a 25 °C, pH 7 e uma massa AC500/NZ de 50 mg foi de aproximadamente 51 mg/g a uma concentração inicial de 30 ppm. O modelo cinético de pseudo-segunda ordem e o modelo isotérmico de Temkin descrevem o processo de adsorção. O modelo Temkin mostra que a energia de adsorção é de 1,0 kcal/mol, indicando que o processo de adsorção de MB para AC500/NZ ocorre fisicamente. Nossos estudos de simulação de Monte Carlo (MC) apoiaram nossas descobertas e mostraram que a força de dispersão de Van der Waals foi responsável pela adsorção física da molécula MB. Acredita-se que o adsorvente AC500/NZ seja um forte concorrente para remediação de água.

Devido à rápida industrialização, enormes quantidades de resíduos nocivos são despejadas no lago todos os anos. A contaminação da água é considerada uma grande ameaça aos seres humanos e outras formas de vida. Os corantes orgânicos são liberados na água pelas indústrias têxtil, gráfica, alimentícia e de couro1. Esses corantes podem causar problemas de saúde perigosos, como câncer, dermatite e alergia2,3. Como os corantes não são naturalmente biodegradáveis, é crucial removê-los das águas residuais. Um dos corantes comuns, o azul de metileno (MB), é amplamente utilizado em aplicações cruciais nas indústrias alimentícia, têxtil, cosmética e farmacêutica. A presença de MB na água aumenta a demanda de oxigênio que por sua vez afeta os animais aquáticos. Muitas técnicas têm sido envolvidas na remoção de corantes, como adsorção, fotólise, degradação foto-Fenton e também fotocatálise . Infelizmente, a maioria dessas técnicas apresenta desvantagens significativas, como alto custo operacional, longo tempo, baixa eficiência, produção de lodo e formação de poluentes secundários. Dentre essas técnicas, o processo de adsorção é superior às demais técnicas devido à sua alta eficiência de remoção, facilidade de projeto, mínima produção de resíduos e baixa necessidade de energia10,11. Além disso, pode ser aplicado no tratamento de corantes em soluções altamente concentradas. O desenvolvimento de catalisadores heterogêneos com boa relação custo-benefício e ecologicamente corretos é o principal desafio para aplicações comerciais em grande escala12.

O carvão ativado (CA) é um material de carbono como a grafite com uma estrutura de arranjo irregular e imperfeita de carbono microcristalino. O carvão ativado possui uma estrutura porosa que aumenta a área superficial e diminui a densidade. AC é um dos melhores adsorventes para remover vestígios de contaminantes do ar, solo e água devido à sua forte adsorção física13. Isto resulta das vantagens do AC, como propriedades porosas, alta estabilidade química/térmica, área superficial única, grupos funcionais de superfície e natureza físico-química do AC14. Os carvões ativados são preparados através de métodos de ativação física ou química. A ativação física tem sido relatada como mais benéfica devido à sua maior área superficial, maiores rendimentos e estrutura porosa altamente desenvolvida . Os carvões ativados podem ser produzidos a partir de diversos resíduos agrícolas, como cana-de-açúcar, turfa, linhita, madeira e casca de coco. O bagaço de cana-de-açúcar (BCA) é representado como excelente biomassa para síntese de AC devido à sua disponibilidade e baixo custo. O bagaço de cana é produzido a partir das indústrias de bioetanol, açúcar, polietileno e etanol16. A composição do SCB é sobre lignina (20–25%), hemiceluloses (25–30%) e celulose (40–50%). A disposição de grandes quantidades de resíduos de bagaço de cana-de-açúcar tornou-se uma grande poluição ambiental e, consequentemente, um agravo à saúde naquela região. Como resultado, a conversão de SCB em AC reduz os resíduos agrícolas, ao mesmo tempo que produz um adsorvente útil a um preço razoável17.