Estudo de adsorção de Cr(VI) em coluna de leito fixo utilizando rejeito de carvão de beneficiamento de Moatize

Abstract

Nos processos de mineração e beneficiamento do carvão existe a produção elevada de rejeitos. Esses materiais são,geralmente, dispostos inadequadamente provocando problemas ambientais como,por exemplo, a drenagem ácida de mina. Uma alternativa para a utilização desses materiais é a aplicação como materiais adsorventes para o tratamento de efluentes líquidos. Dentre os mais importantes poluentes, destacam-se os metais pesados e, dentre eles, o cromo hexavalente devido aos seus efeitos carcinogênicos e mutagênicos. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo utilizar o rejeito do beneficiamento de carvão de Moatize, Moçambique como sólido adsorvente em águas contaminadas. O sólido aqui chamado de R1 com granulometria de 0,7 a 1,5 mm, foi caracterizado segundo sua massa específica, densidade aparente, área superficial (BET), volume de poros e diâmetro de poros (BJH), ponto de carga zero, composição química (FRX) e mineralógica (DRX). Os ensaios foram realizados em coluna de leito fixo a 293K utilizando a variação dos efeitos dos parâmetros de concentração de entrada (3; 6,5 e 10 mg.L-1), taxa de fluxo de alimentação (5, 10 e 15 mL.min-1) e profundidade do leito (7, 16 e 30 mm) nas curvas de ruptura utilizando planejamento experimental. O tempo de ruptura (tr) apresentou aumentou em menores vazões e em maiores concentrações iniciais de cromo hexavalente. O tempo de saturação diminuiu em maiores concentrações de adsorvente. O aumento da vazão ou taxa de fluxo de alimentação apresentou diminuição no tempo de saturação. Foram aplicados os modelos analíticos de Thomas, Yan, Adams-Bohart e Dose-Resposta e BDST para ajustar os dados experimentais das curvas de avanço sob diferentes condições de operação da coluna de leito fixo. A predição da quantidade de poluente em mg adsorvida por grama de sólido, q0, obtido pelo modelo de Thomas foi satisfatória com erros menores de 12%, enquanto para a modelagem da curva de avanço os erros variaram de 12 a 33%. O modelo de Yan apresentou a predição da quantidade de poluente em mg adsorvida por grama de sólido, q0, o valor calculado pelo modelo de Yan foi menos adequado do que para o modelo de Thomas, com erros de 6% a erros máximos de 239%. Para a modelagem da curva de avanço os erros variaram de 19 a 45%. O modelo de Bohart-Adams utilizado para reproduzir o início da curva de ruptura até 15% da concentração inicial. Os parâmetros do modelo utilizado apresenta erros de 10 a 81%. O modelo Dose-Resposta é o que melhor reproduz de modo geral toda a curva para todas as concentrações de entrada de cromo hexavalente com erros médio que variam de 4 a 20%. O valor da concentração de cromo na fase sólida, q0, apresenta erros maiores do que os modelos de Thomas e Yan variando de 28 a 95% de erro médio. Para o modelo BDST (Bed Depth Service Time) os erros referentes ao modelo estão entre 0,64 a 3,48% e o coeficiente de correlação acima de 0,985 mostram que o modelo é adequado aos dados experimentais. O modelo também pode ser aplicado para predizer linhas de iso-concentração para a vazão de 5 ml.min-1 apresentando erros para o modelo entre 14-23%. Assim, tem-se o rejeito de beneficiamento de carvão como potencial sólido adsorvente para ser aplicado em colunas de leito fixo para tratamento de efluentes contendo cromo hexavalente.

In coal mining and processing, there is high production of tailings. These materials are generally inappropriately disposed causing environmental problems such as acid mine drainage. An alternative use of these materials is the application as adsorbent materials for liquid effluents. Among the most important pollutants are heavy metals and, among them, hexavalent chromium due to the carcinogenic and mutagenic effects. In this context, the objective of this work is to use the coal tailings from Moatize, Mozambique as a solid adsorbent in contaminated waters. The solid called R1 with a grain size of 0.7 to 1.5 mm was characterized by the specific mass, apparent density, surface area (BET), pore volume and pore diameter (BJH), zero load point, chemical composition (FRX) and mineralogical (XRD). The assays were performed in a fixed bed column at 293 K observing the variation of parameters: input concentration (3, 6.5 and 10 mg.L-1), feed flow rate (5, 10 and 15 mL.min -1) and bed depth (7, 16 and 30 mm) in the breakthrough curves. The rupture time (tr) increased in lower flows and in higher initial concentrations of hexavalent chromium. The saturation time decreased at higher adsorbent concentrations. The increase in flow rate or feed flow rate showed a decrease in saturation time. The analytical models of Thomas, Yan, Adams-Bohart and Dose-Response and BDST were applied to adjust the experimental. The prediction of the amount of pollutant in mg adsorbed per gram (g) of solid, q0, obtained by the Thomas model was satisfactory with errors of 12%. And for adjust the breakthrough curve the errors ranged from 12-33%. The model of Yan presented the prediction of the amount of pollutant in mg adsorbed per gram of solid, q0, was less adequate than for the Thomas model with errors of 6% to maximum errors of 239%. And for the breakthrough curve the errors ranged from 19-45%. The Bohart-Adams model used to reproduce the start of the breakthrough curve up to 15% of the initial concentration shown the errors of 10-81%. The Dose-Response model shows the best fit for all input concentrations of hexavalent chromium with average errors ranging 4-20%. The value of the chromium concentration in the solid phase, q0, presents larger errors than the Thomas and Yan models ranging average errors from 28-95%. For the BDST (Bed Depth Service Time) model errors are between 0.64-3.48% and the correlation coefficient above 0.985 shows that the model is suitable for experimental data. It can also be applied to predict lines of iso-concentration for the flow of 5 ml.min-1 presenting errors between 14-23%. Thus, the coal beneficiation tailing is a potential solid adsorbent that could be used in a fixed bed column for the treatment of effluents containing hexavalent chromium.