Production of geopolymers from fly ash for wastewater treatment

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Natal, Ana Paula Silva
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10198/28717
Resumo: Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
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spelling Production of geopolymers from fly ash for wastewater treatmentGeopolymersMunicipal solid wasteFly ashAdsorptionCircular economyDomínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia QuímicaMestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáRapid waste generation presents environmental, economic, and social challenges. The circular economy concept aims to reintegrate waste into production cycles, including municipal solid waste (MSW). Geopolymers (GPs) derived from MSW ash offer valuable applications, especially as cost-effective and environmentally friendly adsorbents. This study focuses on developing geopolymeric adsorbents using MSW fly ash (FA) as a precursor and evaluating their efficacy in treating wastewater containing gallic acid (GA). Specific objectives include characterizing the FA, optimizing geopolymer production through a Design of Experiment, and assessing the performance of the produced GPs as adsorbents. The experimental design in this study employed a Box-Behnken design (BBD) with three key factors: Si/Al mass ratio, NaOH molar concentration, and Na2SiO3/NaOH mass ratio. Material characterization was conducted using ICP-OES, porosimetry and surface area analysis, FT-IR, SEM, XRD, acid-base character, and pHpzc determination. Adsorption tests included studying the kinetics using pseudo-first-order and pseudo-second-order models and intraparticle diffusion. Equilibrium isotherms were analyzed using the Freundlich and Langmuir models. Statistical analysis indicated the Si/Al ratio as the most significant factor for GA removal. Characterization of the GPs and FA revealed FA's composition as a suitable source for aluminosilicate synthesis. Porosimetry and surface area analysis demonstrated substantial improvements in the GPs compared to FA, with GP-13 exhibiting the largest surface area equal to 61 m²/g. FT-IR analysis confirmed geopolymerization, while SEM analysis revealed structural variations between the GPs and unreacted FA particles in the GPs. XRD analysis confirmed the amorphous nature of the produced materials and the predominance of calcite. Acid-base characterization demonstrated the basic nature of the GPs, with pHpzc values around 8, showing that electrostatic attraction between the positively charged GPs and GA contributed significantly to the adsorption process. Adsorption kinetics revealed a favorable fit to the pseudo-first-order model, with rapid initial adsorption reaching equilibrium at approximately 200 minutes. Equilibrium studies favored the Freundlich model, indicating favorable adsorption conditions with a significant affinity between GA and the GPs. GP-6 exhibited the highest maximum adsorption capacity of 75.839 mg/g. In conclusion, all the produced GPs showed efficiency to adsorb GA.A geração rápida de resíduos apresenta desafios ambientais, econômicos e sociais. O conceito de economia circular visa reintegrar os resíduos nos ciclos de produção, incluindo os resíduos sólidos urbanos (RSU). Geopolímeros (GPs) derivados de cinzas de RSU oferecem aplicações valiosas, especialmente como adsorventes econômicos e ecologicamente corretos. Este estudo foca no desenvolvimento de adsorventes geopoliméricos utilizando cinzas volantes de RSU como precursor e avaliando sua eficácia no tratamento de águas residuais contendo ácido gálico (AG). Os objetivos específicos incluem caracterizar as cinzas volantes, otimizar a produção de geopolímeros por meio de um Design Experimental e avaliar o desempenho dos GPs produzidos como adsorventes. O delineamento experimental utilizado foi um Design de Box-Behnken (BBD) com três fatores principais: razão mássica Si/Al, concentração molar de NaOH e razão mássica Na2SiO3/NaOH. A caracterização dos materiais foi realizada utilizando ICP-OES, porosimetria e análise de área superficial, FT-IR, SEM, XRD, caracterização ácido-base e determinação do pHpzc. Os testes de adsorção incluíram o estudo da cinética utilizando modelos de pseudo-primeira ordem e pseudo-segunda ordem, além da difusão intrapartícula. As isotermas de equilíbrio foram analisadas utilizando os modelos de Freundlich e Langmuir. A análise estatística indicou a razão Si/Al como o fator mais significativo para a remoção de AG. A caracterização dos GPs e das cinzas volantes revelou a composição das cinzas volantes como uma fonte adequada para a síntese de aluminossilicatos. A análise de porosimetria e área superficial demonstrou melhorias significativas nos GPs em comparação com as cinzas volantes, com o GP-13 apresentando a maior área superficial igual a 61 m²/g. A análise de FT-IR confirmou a geopolimerização, enquanto a análise de SEM revelou variações estruturais entre os GPs e partículas de cinzas volantes não reagidas nos GPs. A análise de XRD confirmou a natureza amorfa dos materiais produzidos e a predominância de calcita. A caracterização ácido-base demonstrou a natureza básica dos GPs, com valores de pHpzc em torno de 8, mostrando que a atração eletrostática entre os GPs carregados positivamente e o AG contribuiu significativamente para o processo de adsorção. A cinética de adsorção revelou um ajuste favorável ao modelo de pseudo-primeira ordem, com rápida adsorção inicial alcançando o equilíbrio em aproximadamente 200 minutos. Os estudos de equilíbrio favoreceram o modelo de Freundlich, indicando condições favoráveis de adsorção com afinidade significativa entre o AG e os GPs. O GP-6 apresentou a maior capacidade máxima de adsorção de 75.839 mg/g. Em conclusão, todos os GPs produzidos mostraram eficiência na adsorção de AG.Gomes, HélderMarin, PricilaDíaz de Tuesta, Jose LuisBiblioteca Digital do IPBNatal, Ana Paula Silva2023-09-08T08:39:14Z20232023-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10198/28717TID:203352025enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-21T11:02:46Zoai:bibliotecadigital.ipb.pt:10198/28717Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T23:18:42.170404Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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