Síntese e caracterização de compósitos ETS-4/PS para tratamento de águas

• Autor(a) principal: Figueiredo, Bruno Reis
• Data de Publicação: 2010
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10773/4135
• topic: Engenharia química; Tratamento de águas residuais; Compósitos com matriz polimérica; Permuta iónica; Remoção de poluentes; Materiais porosos; Separação (Tecnologia)

A descontaminação de águas, particularmente a remoção de metais pesados no âmbito de tratamentos terciários, constitui um desafio omnipresente para a ciência e engenharia, pela necessidade de sintetizar, caracterizar e estudar sorventes com elevadas capacidades e selectividades, desenhar equipamentos e processos adequados e, finalmente, efectuar a sua modelação e optimização. Um exemplo elucidativo é a directiva da União Europeia que impõe a eliminação total de cádmio de efluentes industriais no espaço de vinte anos, e que tem fomentado investigação científica para atingir este objectivo. Esta dissertação surgiu neste enquadramento: pretendeu-se estudar a preparação de compósitos de matriz polimérica do tipo ETS- 4/poliestireno e posterior avaliação do seu potencial como permutador iónico na descontaminação de águas com cádmio(II). Na literatura há alguns estudos que mostram que o titanossilicato ETS-4 possui uma elevada capacidade e selectividade, todavia referem-se a cristais cujas dimensões (da ordem dos micrómetros) impedem a sua aplicação e processamento industriais. Este facto impõe a necessidade de preparar partículas de maiores dimensões, mas que não penalizem a cinética de transporte de massa. Numa primeira fase foram realizados estudos sobre a influência dos parâmetros reaccionais que afectam a polimerização em suspensão de estireno, nomeadamente o tipo de diluente, a concentração de iniciador e de agente de suspensão. Os materiais obtidos foram caracterizados por dispersão de luz e microscopia electrónica de varrimento (SEM). Seguidamente, com vista à preparação dos compósitos, estudou-se a modificação superficial das partículas de ETS-4 com o agente acoplante 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano (MPS), dando ênfase ao efeito da área superficial e da concentração. O material resultante foi caracterizado por análise gravimétrica (TGA). A informação recolhida foi combinada e utilizada na preparação do material compósito. Esta etapa revelou-se complexa dada a variedade de parâmetros a conjugar. Os compósitos obtidos foram caracterizados por SEM e o que apresentou melhores características foi caracterizado por SEM, por espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) e por TGA (calcinação). Por EDS confirmou-se a presença de elementos metálicos na matriz, tendo a calcinação da amostra confirmado a existência de 2,22% (m/m) de ETS-4 na sua estrutura. O diâmetro médio das partículas é 350 μm. O desempenho melhor compósito foi seguidamente estudado através da realização de ensaios de permuta iónica em descontínuo e vaso agitado. Para isso, contactaram-se volumes fixos de soluções de Cd2+ de concentração conhecida com massas rigorosas dos materiais preparados neste trabalho. A evolução da concentração de Cd2+ ao longo tempo foi registada por espectroscopia de massa com plasma acoplado indutivamente. Os resultados mostraram que: i) a matriz de poli(estireno-codivinilbenzeno) não possui capacidade de permuta; ii) o tratamento superficial com MPS introduziu limitações difusionais à transferência de massa nos cristais de ETS-4; iii) a velocidade de remoção registada com o compósito foi inferior à velocidade obtida com os cristais de ETS-4 tratado devido, essencialmente, às maiores dimensões do primeiro (ca. 150 vezes superior). Esta dissertação compreendeu ainda a modelação do processo de permuta. Para isso desenvolveu-se um modelo matemático baseado nas equações de Nernst-Planck, combinando resistências internas e externas à transferência de massa. Os parâmetros a optimizar são os coeficientes de autodifusão dos contra-iões envolvidos, Cd2+ e Na+. Os programas foram elaborados em Matlab R2007a. O modelo forneceu bons resultados: as curvas de remoção com o ETS-4 tratado superficialmente e com o compósito foram representadas com um erro absoluto relativo médio de 5,40% e 0,52%, respectivamente. Os coeficientes de difusão determinados confirmaram a introdução das limitações difusionais atribuídas ao MPS. Os perfis de concentração do cádmio(II) calculados para as partículas de compósito e de ETS-4 tratado superficialmente mostraram que a resistência interna à transferência de massa é fundamental em ambos os casos. Os gradientes junto à superfície são significativos e apenas se esbatem para tempos longos do processo.