Multi-reactional kinetic modeling of phosphate sorption on goethite using artificial neural networks

• Autor(a) principal: Pogorzelski, Denison Queiroz
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: eng
• Título da fonte: LOCUS Repositório Institucional da UFV
• Texto Completo: https://locus.ufv.br//handle/123456789/29467; https://doi.org/10.47328/ufvbbt.2021.120
• topic: Fosfatos - Absorção e adsorção; Dessorção; Hopfield, Modelo de; Redes neurais (Computação); Ciência do Solo

O fósforo (P) é um nutriente limitante para a produção de biomassa vegetal em ecossistemas terrestres e o nutriente que mais preocupa quanto ao seu uso e disponibilidade. A maior parte dessa limitação ocorre em solos altamente intemperizados dos trópicos, onde a baixa biodisponibilidade e o ciclo geoquímico do P são controlados por reações de sorção em minerais do solo, principalmente os óxidos. Goethita é um dos mais importantes óxidos de Fe presentes nesses solos, com reações de sorção ocorrendo na interface goethita-água, definindo o destino do P nesse ambiente. Assim sendo, compreender os mecanismos que controlam a sorção de P nesses materiais é de extrema importância para melhorar nossa compreensão geral do ciclo biogeoquímico de P e assim melhorar a eficiência do uso de P. Para ajudar a resolver esse problema, estamos trazendo uma abordagem que consiste em avaliar a capacidade de sorção e dessorção de P da goethita-goethita previamente carregada com P em diferentes temperaturas e, em seguida, investigar os mecanismos cinéticos por meio da aplicação de modelagem multi- reacional através da rede neural artificial de Hopfield (RNAH). Dois mecanismos foram investigados, um tipo com reação sequencial (P em solução ⇌ B⇌ C) e outro com reações independentes (B ⇌ P em solução ⇌ C). O mecanismo que melhor se ajustou aos dados experimentais foi utilizado para fornecer os parâmetros termodinâmicos. Além disso, esses mecanismos também foram testados em um segundo experimento de sorção em goethita previamente carregada com fosfato. Os resultados mostraram que a goethita adsorveu 13,34, 18,11 e 24,23 μmol g -1 de P e dessorveu 48, 28 e 23% do P adsorvido em água a 278, 298 e 323 K, respectivamente. Após 20 dias de incubação, a goethita carregada com fosfato adsorveu 6,24 μmol g -1 a mais de P e dessorveu 54% desse P a 298 K, demonstrando menor capacidade de adsorção e maior capacidade de dessorção diante de uma nova aplicação de P. O mecanismo com etapas sequenciais se ajustou melhor aos dados experimentais, indicando que a etapa 1 (P na solução ⇌ B) é o gatilho para a etapa 2 (B ⇌ C). A etapa 1 foi mais rápida do que a etapa 2, o que significa que, cineticamente, a etapa 2 é a etapa limitante do mecanismo de sorção de P pela goethita. Ambas as etapas foram espontâneas (ΔG ° <0), mas a etapa 1 foi exotérmica (ΔH ° <0) e conduzida por entalpia (ΔH °> TΔS °), indicando que a espécie B apresenta uma interação molecular forte com a superfície da goethita; enquanto a etapa 2 foi endotérmica (ΔH °> 0) e conduzida por entropia (ΔH ° <TΔS °), indicando que a espécie C está relacionada a precipitação de Fe-P em solução ou em superfície (e.g., estrangita ou um análogo). Ambos os mecanismos testados falharam em modelar os dados de sorção de P do segundo experimento de sorção, indicando que o mecanismo de sorção de P na goethita previamente carregada com fosfato tem mais de duas etapas chaves. Esta abordagem traz informações importantes sobre a sorção de P nos óxidos de Fe, um dos fenômenos mais importantes no controle da ciclagem e disponibilidade do P em solos altamente intemperizados. A modelagem multi-reacional por RNAH foi capaz de fornecer informações sobre o mecanismo de sorção de P e suas etapas específicas. Definir essas etapas e a termodinâmica que as controla nos ajuda a esclarecer e focar nossas pesquisas futuras em nossa busca para elucidar essas reações ambientais importantes. Palavras-chave: Sistema de fluxo sob agitação. Adsorção de P. Dessorção de P. Constantes cinéticas. Rede neural artificial de Hopfield.