52º CBQ - Otimização das Condições de Adsorção de Cromato pelo Pseudofruto do Cajueiro Através de Planejamento Fatorial

ÁREA: Química Analítica

TÍTULO: Otimização das Condições de Adsorção de Cromato pelo Pseudofruto do Cajueiro Através de Planejamento Fatorial

AUTORES: Medeiros, T.C. (UFC) ; Gomes, M.G. (UFC)

RESUMO: Realizou-se otimização do processo de adsorção de cromato pela fibra do caju através de planejamentos fatoriais e uso de gráficos de contorno. As variáveis estudadas foram: pH, secagem do caju, tamanho de partícula, massa de caju, concentração de cromo, tempo e velocidade de agitação. Os experimentos foram feitos em batelada com 15 mL de solução padrão de K2CrO4. Foi feito planejamento 2^7-4 para estudar o efeito das variáveis e fazer a triagem das mais influentes. Através de um segundo planejamento 2^4-1 com ponto central foi construído um modelo de otimização. O ponto ótimo foi o ponto central do planejamento 2^4-1 apresentando adsorção média de 82,47±0,33% do cromo total. O cromo restante que não foi adsorvido se apresentou como Cr III, menos tóxico.

PALAVRAS CHAVES: Adsorção; Cromo; Planejamento fatorial

INTRODUÇÃO: O cromo é um metal tóxico utilizado na fabricação de aço e outras ligas metálicas, preservação de madeira, curtimento de couro, eletrodeposição, pigmentos, corantes, fluidos de perfuração, inibidores de corrosão e produtos têxteis (RIFKIN et al., 2004). Este metal se apresenta comumente em solução aquosa nos estados de oxidação III e VI. Sendo o cromo VI a forma mais tóxica, responsável por uma série de enfermidades e problemas provenientes do seu contato (JANEGITZ et al., 2007). O uso de adsorventes naturais é uma alternativa no tratamento de resíduos contendo metais, pois geralmente são utilizados como adsorventes resíduos agroindustriais de baixo valor agregado (BLAIS et al., 2003). O planejamento fatorial é uma ferramenta estatística que permite se estudar um sistema de forma mais rápida evitando a abordagem tradicional que consiste em estudar uma variável por vez. Nele a abordagem utilizada é variar todas variáveis ao mesmo tempo. Dessa forma é possível se estudar o sistema com menor número de experimentos e ainda entender como as variáveis se influenciam mutuamente (MONTGOMERY, 1997). O objetivo deste trabalho foi estudar as condições ideais de adsorção do ânion cromato pela fibra do bagaço do caju seco. O bagaço do caju é um resíduo agroindustrial de baixo valor agregado gerado pelas indústrias de sucos em grandes quantidades.

MATERIAL E MÉTODOS: Foram realizados experimentos de adsorção em batelada colocando-se a fibra do caju em contato com 15 mL de solução padrão de K₂CrO₄. Os ensaios foram conduzidos conforme planejamento fatorial fracionário 2^7-
4 (NETO et al., 2010) tendo como resposta a porcentagem de adsorção de cromo pela fibra do caju. Os níveis das variáveis foram: pH: 5,0 (-), 7,0 (+); secagem do caju: estufa 65°C (-), liofilizado (+); tamanho de partícula (mesh): 60-150 (-), 20-60 (+); massa de caju (g): 1,0 (-), 1,5 (+); concentração de cromo (mg/L): 500 (-), 1000 (+); tempo (h): 1 (-), 3 (+); velocidade de agitação (rpm): 0 (-), 150 (+). Cada ensaio foi realizado em duplicata. Após triagem das variáveis foi realizado planejamento fatorial fracionário com ponto central 2^4-1 para alcançar o ponto ótimo do sistema. Os níveis das variáveis foram: massa de caju (g): 1,0 (-), 2,0 (0), 3,0 (+); concentração de cromo (mg/L): 500 (-), 750 (0), 1000 (+); tempo (h): 1 (-), 2 (0), 3 (+); velocidade de agitação (rpm): 0 (-), 150 (0), 300 (+). As variáveis fixas foram: pH: 7,0; secagem do caju: estufa 65ºC; tamanho de partícula: 20-60 mesh. Cada ensaio foi realizado em duplicata. Foram feitas quatro repetições no ponto central. O teor de cromo total foi determinado a 357,9 nm em espectrômetro de absorção atômica Varian AA240FS. O preparo da amostra para análise foi feito tomando-se uma alíquota da mesma e 1,0 mL de HNO₃ e feita a digestão a 120 ºC por 2 h em bloco digestor. O teor de cromo VI foi determinado por método espectrofotométrico da difenilcarbazida (APHA, 2005) em 540 nm utilizando espectrofotômetro Varian Cary 50. Os cálculos e gráficos foram feitos com o software estatístico Minitab^®.

RESULTADOS E DISCUSSÃO: Os dados do planejamento 2^7-4 mostraram o efeito de cada variável na resposta. O tamanho de partícula e a concentração de cromo apresentaram efeito negativo, já o tipo de secagem, massa de caju, tempo e velocidade de agitação apresentaram efeito positivo na resposta. O pH apresentou efeito negativo pouco significativo. Para triagem de variáveis, foi levado em conta o valor de cada efeito na resposta e alguns fatores de ordem prática. As variáveis mantidas no segundo planejamento foram velocidade de agitação, massa de caju, concentração de cromo e tempo, sendo as demais variáveis mantidas em valor fixo. Os gráficos de contorno do planejamento 2^4-1 mostram o comportamento da resposta nas diversas combinações de valores das variáveis (Figura 1). O sistema atingiu um máximo no ponto central, com porcentagem de adsorção de 82,47±0,33%. Os níveis de cada variável no ponto ótimo do sistema foram: (pH: 7,0; secagem do caju: estufa 65ºC; tamanho de partícula: 20-60 mesh; massa de caju: 2,0 g; concentração de cromo: 750 mg/L; tempo: 2 h; velocidade de agitação: 150 rpm). Na figura 2 estão mostrados os gráficos de contorno em função do cromo total e cromo VI. Analisando ambos os gráficos é possível se conhecer a especiação do sistema em cada ponto. Os teores de cromo VI ficaram abaixo do limite de detecção do método espectrofotométrico (0,002 mg/L Cr VI) no ponto central onde a adsorção foi máxima. Na mesma região experimental aparecem valores de cromo total entre 100 e 250 mg/L, estando presente totalmente na forma de Cr III, devido à ausência de Cr VI no mesmo ponto. O Cr III é formado por redução do CrO₄^2- na superfície do adsorvente (BABEL; KURNIAWAN, 2004; LAKATOS et al., 2002) e também por reação com os taninos do caju.

Figura 1

Gráficos de contorno para o planejamento fatorial fracionário 2^4-1 com ponto central.

Figura 2

Gráficos de contorno em função de concentração de cromo total e cromo (VI)

CONCLUSÕES: Através do uso de planejamento fatorial foi possível determinar as condições ótimas de adsorção de cromato pela fibra do caju. Foi possível compreender como as variáveis afetam o processo de adsorção através de gráficos de superfície e uso de ferramentas estatísticas. Os níveis de cada variável foram definidos no ponto ótimo do sistema que apresentou mais 80% de adsorção. Todo o cromo restante que não foi adsorvido se apresentou na forma de Cr III, bem menos tóxico que o ânion cromato, o que mostra o caju como um adsorvente promissor no tratamento de resíduos que contêm cromato.

AGRADECIMENTOS: Agradecemos à Universidade Federal do Ceará, ao CNPq pela bolsa concedida e à Embrapa pelas amostras de caju.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION. 2005. Standard methods for examination of water and wasterwater. 21. ed. Washington: American Public Health Association.

BABEL, S.; KURNIAWAN, T. A. 2004. Cr(VI) removal from synthetic wastewater using coconut shell charcoal and commercial activated carbon modified with oxidizing agents and/or chitosan. Chemosphere, 54: 951-967.

BLAIS, J. F.; SHEN, S.; MEUNIER, N.; TYAGI, R. D. 2003. Comparison of natural adsorbents for metals removal from acidic effluent. Environ. Technol., 24: 205-215.

JANEGITZ, B. C.; LOURENÇÃO, B. C.; LUPETTI, K. O.; FATIBELLO-FILHO, O. 2007. Desenvolvimento de um método empregando quitosana para remoção de íons metálicos de águas residuárias. Quim. Nova, 30: 879-884.

LAKATOS, J.; BROWN, S. D.; SNAPE, C. E. 2002. Coals as sorbents for the removal and reduction of hexavalent chromium from aqueous waste streams. Fuel, 81: 691-698.

MONTGOMERY, D. C. 1997. Design and analysis of experiments. 4th ed. New York: John Wiley and Sons.

NETO, B. B.; SCARMINIO, I. S.; BRUNS, R. E. 2010. Como fazer experimentos: pesquisa e desenvolvimento na ciência e na indústria. 4ª ed. Porto Alegre: Bookman.

RIFKIN, E.; GWINN, P.; BOUWER, E. 2004. Chromium and sediment toxicity. Environ. Sci. Technol., 38: 267A-271A.