Análises experimentais e de modelagem da remoção de COD de efluentes industriais usando o TiO2

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 11088 (2022) Cite este artigo

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No presente estudo, nanopartículas de óxido de titânio (TiO2), quitosana e vários nanocompósitos contendo diferentes dosagens de massa de TiO2 e quitosana foram aplicados como adsorvente para remoção de COD de efluentes industriais (Bouali Sina Petrochemical Company, Irã). Os testes FESEM, XRD e FTIR têm sido empregados para caracterizar nanopartículas de TiO2, quitosana e nanocompósitos fabricados. Em seguida, o efeito dos parâmetros de adsorção, incluindo proporção de massa TiO2-quitosana (1:1, 1:2 e 2:1), conteúdo de adsorvente (0,25–2,5 g), temperatura (20–50 °C), pH (3 –11), o volume da solução (100–500 mL) e o tempo de contato (30–180 min) na redução de COD também foram monitorados experimental e numericamente. O projeto Box-Behnken do experimento aprova que TiO2-quitosana (1:1), conteúdo de adsorvente de 2,5 g, temperatura = 20 °C, pH 7,4, volume de solução de 100 mL e tempo de contato = 180 min são a condição que maximiza a remoção de COD (ou seja, 94,5%). Além disso, os modelos de Redlich-Peterson e Pseudo-segunda ordem são os melhores cenários isotérmicos e cinéticos para descrever os comportamentos transitórios e de equilíbrio da remoção de COD. A capacidade máxima de adsorção de COD em monocamada do nanocompósito de TiO2-quitosana é de 89,5 mg g-1. Os resultados revelaram que o COD de efluentes industriais é melhor removido usando o TiO2–quitosana (1:1) a uma temperatura = 20 °C.

A quantidade de oxigênio necessária para oxidar poluentes orgânicos em águas residuais é definida como COD (demanda química de oxigênio) ou BOD (demanda biológica de oxigênio)1. É possível empregar cenários químicos2, físicos2 e biológicos3, como adsorção4,5, nanoadsorção6, membrana7, troca iônica, eletrocoagulação8, biofloculação9, lodo de esgoto10,11 e filtração12,13 para o tratamento de fluxos de resíduos. De fato, os processos de separação que utilizam os materiais porosos sólidos (ou seja, adsorção) estão entre as técnicas mais populares devido às suas características econômicas/operacionais e uma alta eficiência de remoção alcançável14,15,16. Geralmente, as vantagens do processo de adsorção em relação a outros métodos são: alto desempenho, baixo custo, amplas faixas de pH e fácil operação. Por outro lado, o produto residual e a baixa seletividade são algumas das principais desvantagens do processo de adsorção17.

Hoje em dia, materiais sólidos em nanoescala melhoraram com sucesso as propriedades de fluidos de trabalho18,19, ligas20,21 e polímeros22, eficiência de coletores solares23 e desempenho de processos de tratamento de águas residuais24. Keshtkar et ai. utilizou as nanopartículas de alumina sintetizadas com diferentes áreas de superfície específicas para adsorver íons de níquel de águas residuais sintéticas24. Esmaeili-Faraj et al. estudaram a dessulfuração de uma amostra real de combustível diesel aplicando o nanocompósito de alumina/polímero de perspectivas numéricas e experimentais25.

Os nanocompósitos à base de quitosana têm sido amplamente utilizados para o tratamento de água/esgoto26,27. Essa popularidade está associada ao baixo custo da quitosana e seus grupos funcionais amino ou hidroxila. Chung examinou a aplicabilidade da quitosana com vários graus de desacetilação para o tratamento de águas residuais de aquicultura28. A remoção ótima de COD de 69,7% foi relatada para a quitosana com um grau de desacetilação de 98%. Dionisi et al. inspecionaram o impacto do adsorvente de quitosana e do pH na eliminação de poluentes do efluente pot ale29. Thirugnanasambandham e Sivakumar concentraram-se no nanocompósito de óxido de zinco-quitosana para tratar eficientemente as águas residuais da indústria de processamento de leite30. Foi relatado que DQO e turbidez podem ser reduzidos pela aplicação do nanocompósito de óxido de zinco-quitosana. A eficiência de adsorção de Quitosana-Citral Schiff para o tratamento de efluentes de uma indústria de laticínios foi estudada por Tsaneva et al.31. A eficiência máxima de remoção de DQO foi de aproximadamente 35,3% na condição ótima. Ligaray et ai. estudaram a aplicabilidade do compósito de bentonita-quitosana para a remoção de COD de um fluxo de águas residuais industriais contendo uma concentração inicial de COD de 1348 ppm32. A remoção máxima de DQO de 73,34% foi alcançada na condição ideal. A cinética de remoção de metais pesados ​​(cobre, cádmio e cromo) de águas residuais usando adsorventes à base de quitosana foi estudada por Prakash et al.33,34,35. Os resultados mostram que esse modelo cinético de pseudo segunda ordem se correlaciona melhor com os dados experimentais33 ,34,35.