Estudo das propriedades adsortivas de carvões magnéticos ativados termoquimicamente com KOH para remoção simultânea de Pb, Cd e Ni. - Nogueira, Gabriela Aparecida. [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
O desenvolvimento de carvões magnéticos (CM) a partir de biomassas tem sido estudado como uma solução para a remediação de efluentes contendo metais tóxicos, como Pb(II), Cd(II) e Ni(II). Neste estudo, dois CM foram preparados por meio da carbonização hidrotérmica (CHT) do bagaço de cana-de-açúcar e nitrato férrico a 230 e 270 °C. Na sequência, os CM foram ativados termoquimicamente com KOH na proporção 1:2 (CM:KOH; m:m) a 500 e 700 °C, resultando em quatro carvões magnéticos ativados (CMA). Esses materiais foram caracterizados quanto às suas composições, estruturas, morfologias, texturas e grupos químicos de superfície. As análises estruturais indicaram a formação das fases α-Fe2O3, γ-Fe2O3 e Fe3O4 após a CHT. A subsequente ativação termoquímica com KOH a 700 °C resultou na presença de Fe0 e Fe4[Fe(CN)6]3, além de maiores áreas superficiais específicas, com formação de cavidades bem desenvolvidas e maior hidrofilicidade. O CM produzido a 270 °C e ativado termoquimicamente com KOH a 700 °C apresentou a maior área superficial específica (702,8 m2 g-1) e maior capacidade de adsorção de Pb(II), Cd(II) e Ni(II), sendo selecionado para os estudos de adsorção multicomponente. A adsorção foi mais eficiente em pH 5,0, com uma dose de 0,50 g L-1 de adsorvente. O equilíbrio foi atingido em 30 minutos de contato, sendo que os modelos de Pseudo-Primeira Ordem e Difusão-Quimissorção melhor se ajustaram aos dados cinéticos, sugerindo que a adsorção ocorre por mecanismos mistos. O modelo de Sips apresentou melhor ajuste aos dados isotérmicos, demonstrando a formação de multicamadas em concentrações menores e apresentando saturação dos sítios de adsorção em concentrações maiores. A adsorção foi favorecida pelo aumento da temperatura, sendo Pb(II) sendo mais influenciado. O estudo termodinâmico indicou que a adsorção foi espontânea e exotérmica para Pb(II), enquanto para Cd(II) e Ni(II) foi espontânea e endotérmica. O processo de dessorção multicomponente foi eficaz utilizando CH3COOH 0,5 mol L-1, preservando as propriedades magnéticas do material. Contudo, após três ciclos, houve uma tendência de diminuição da capacidade de adsorção e aumento na lixiviação de ferro, que afetou o magnetismo do material. O estudo indicou que a adsorção de Pb(II) ocorreu majoritariamente por meio da complexação com fenóis (quimissorção), enquanto a adsorção de Cd(II) e Ni(II) ocorreu principalmente por meio de troca iônica com o íon K+ e interação cátion-π (fisissorção). A ativação termoquímica com KOH a 700 °C foi eficaz, resultando em um material multifuncional com potencial para a remoção simultânea de Pb(II), Cd(II) e Ni(II).

The development of magnetic carbons (MC) from biomass has been studied as a solution for the remediation of effluents containing toxic metals, such as Pb(II), Cd(II), and Ni(II). In this study, two MCs were prepared through hydrothermal carbonization (HTC) of sugarcane bagasse and ferric nitrate at 230 and 270 °C. Subsequently, the MCs were thermochemically activated with KOH at a 1:2 ratio (MC:KOH; m:m) at 500 and 700 °C, resulting in four magnetic activated carbons (MAC). These materials were characterized in terms of their composition, structure, morphology, texture, and surface chemical groups. Structural analyses indicated the formation of α-Fe2O3, γ-Fe2O3, and Fe3O4 phases after HTC. The subsequent thermochemical activation with KOH at 700 °C resulted in the presence of Fe0 and Fe4[Fe(CN)6]3, along with larger specific surface areas, the formation of well-developed cavities, and increased hydrophilicity. The MC produced at 270 °C and thermochemically activated with KOH at 700 °C exhibited the highest specific surface area (702.8 m2 g-1) and the highest adsorption capacity for Pb(II), Cd(II), and Ni(II), and was selected for multicomponent adsorption studies. Adsorption was most efficient at pH 5.0, with a dosage of 0.50 g L-1 of adsorbent. Equilibrium was reached within 30 minutes of contact, with the Pseudo-First Order and Diffusion-Chemisorption models providing the best fit to the kinetic data, suggesting that the adsorption occurs via mixed mechanisms. The Sips model provided the best fit to the isotherm data, demonstrating the formation of multilayers at lower concentrations and saturation of the adsorption sites at higher concentrations. Adsorption was favored by increasing temperature, with Pb(II) being the most influenced. The thermodynamic study indicated that the adsorption of Pb(II) was spontaneous and exothermic, while for Cd(II) and Ni(II), it was spontaneous and endothermic. The multicomponent desorption process was effective using 0.5 mol L-1 CH3COOH, preserving the magnetic properties of the material. However, after three cycles, there was a tendency for the adsorption capacity to decrease and iron leaching to increase, which affected the material's magnetism. The study indicated that the adsorption of Pb(II) occurred primarily through complexation with phenols (chemisorption), while the adsorption of Cd(II) and Ni(II) occurred mainly through ion exchange with the K⁺ ion and cation-π interaction (physisorption). The thermochemical activation with KOH at 700 °C was effective, resulting in a multifunctional material with potential for the simultaneous removal of Pb(II), Cd(II), and Ni(II).
Study of the adsorptive properties of thermochemically activated magnetic carbons with KOH for simultaneous removal of Pb, Cd and Ni.
Keywords: Biomassa; Carvão magnético; Ativação termoquímica; Sustentabilidade; Metais tóxicos; Biomass; Magnetic carbon; Thermochemical activation; Sustainability; Toxic metals