Avaliação da preparação de biocarvão a partir da pirólise da pele prata de café e sua viabilidade na remoção de íons Pb²⁺ de solução aquosa

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dc.contributor.advisorGuimarães Junior, Mario
dc.contributor.advisor-coPires, Natal Junio
dc.contributor.advisor-coLatteshttp://lattes.cnpq.br/5680725077048575
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4305968856853457
dc.contributor.authorCalciolari, André Ricardo
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/0710024874390951
dc.contributor.refereeGuimarães Junior, Mario
dc.contributor.refereeNobre, João Rodrigo Coimbra
dc.contributor.refereeRios, Cordélia Alves
dc.date.accessioned2025-07-31T19:37:56Z
dc.date.available2025-07-31T19:37:56Z
dc.date.issued2022-06-27
dc.description.abstractO setor mineral destaca-se como uma das atividades que mais impactam o meio ambiente. Neste sentido, tem contribuído sobremaneira na geração de rejeitos e resíduos sólidos que podem conter ampla gama de metais tóxicos. Soma-se a isso, a geração de resíduos de outra natureza, oriundos de atividades agrícolas/agroindustriais que também impactam o meio ambiente quando descartados sem nenhum tratamento. Nessa perspectiva, a utilização do biocarvão vem sendo investigada como uma alternativa promissora para melhorar a qualidade da água e do solo. Suas propriedades adsortivas podem ser aperfeiçoadas por meio da otimização de suas condições de produção e/ou por ativação física ou química. No entanto, embora a ativação apresente várias vantagens, quase sempre resulta em custo elevado e geração de resíduos secundários. Esse trabalho teve como objetivo avaliar o potencial do biocarvão da pele prata de café (coffee silverskin) – BC, na remoção de íons Pb2+ em solução aquosa. O BC foi preparado em forno mufla com baixo teor de oxigênio, em cinco níveis de temperatura (338 °C, 400 °C, 550 °C, 700 °C e 768 °C) e tempos de residência (95, 120, 180, 240 e 265 min) com taxa de aquecimento de 10 °C/min. O design experimental teve origem no planejamento composto central 22, com 5 repetições no centro. Esse planejamento foi aplicado para investigar os efeitos das variáveis temperatura e tempo de residência sobre a capacidade de adsorção de azul de metileno (MB) e rendimento do BC. Estudos de cinética e de equilíbrio de adsorção de MB também foram realizados para se verificar o potencial adsorvente do material. O BC com o melhor desempenho foi selecionado e avaliado quanto à sua capacidade de remover íons Pb2+ de soluções aquosas. Este BC foi submetido a caracterizações adicionais quanto à sua área de superfície específica (Adsorção de N2), presença de grupos funcionais de superfície (FTIR), análise elementar (CHNS-O), carga superficial (Potencial de carga zero - PCZ), estabilidade térmica (TG/DTG), estrutura química e cristalinidade (Espectroscopia Raman/DRX). Os resultados obtidos pela metodologia de superfície de resposta (MSR) revelaram que a temperatura de pirólise exerceu efeitos significativos sobre a capacidade de adsorção e rendimento do BC. A combinação dos parâmetros que mais se aproximou das condições ótimas determinadas pela MSR foi relacionada ao BC preparado a 400 °C e 120 min (BC1). Os dados cinéticos e de equilíbrio foram melhores ajustados pelos modelos de Elovich (R2(aj.) = 0,998; χ2 = 5,495) e Langmuir (R2(aj.) = 0,952; χ2 = 106,714), respectivamente, sugerindo que a quimissorção foi o mecanismo dominante e que a adsorção ocorreu em monocamada. A capacidade máxima de adsorção teórica (Qmax), para o BC1, de 160,08 mg/g e o valor do fator de separação (RL), entre 0,58 e 0,03; indica que a adsorção de MB foi favorável. A quantidade de chumbo remanescente foi quantificada pela técnica de espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por microondas (MIP-OES). O BC1 apresentou eficiência de 93,0% na remoção de íons Pb2+ da solução supracitada. Ensaios adicionais mostraram que a amostra BC7, pirolisada a 550 °C por 95 min, removeu até 96,6% de íons Pb2+ da mesma solução, mostrando um excelente ajuste e confiabilidade dos resultados. Portanto, esses BC’s podem ser considerados adsorventes promissores para a descontaminação de íons de chumbo presentes em solução aquosa, sendo uma alternativa sustentável e mais acessível quando comparada ao carvão ativado.
dc.description.abstractotherThe mineral sector stands out as one of the industrial activities that most impact the environment. In this sense, it has contributed to the generation of a large of tailings and solid wastes that can contain a wide range of toxic metals. Added to this is the generation of waste of another nature from agricultural activities that also impact the environment when discarded without any treatment. From this perspective, biochar has been investigated as a promising alternative to improve water and soil quality. Its adsorptive properties can be enhanced by optimizing of its production conditions and/or by physical or chemical activation. However, although activation has several advantages, it almost always results in high cost and secondary waste generation. This work aimed to evaluate the potential of coffee silverskin biochar (BC) in the removal of the Pb2+ ions from in aqueous solution. The BC was prepared in a low-oxygen muffle furnace at five temperature levels (338 °C, 400 °C, 550 °C, 700 °C, and 768 °C) and residence times (95, 120, 180, 240, and 265 min) with a heating rate of 10 °C/min. The experimental design is based on the central composite design 22, with 5 repetitions in the center. The experimental design was applied to investigate the effects of temperature and residence time variables on methylene blue (MB) adsorption capacity and BC yield. Studies of kinetics and equilibrium of adsorption of MB were also carried out to verify the adsorbent potential of the material. The BC with the best adsorption performance was selected and evaluated regarding its ability to remove Pb2+ ions from aqueous solutions.This BC was subjected to additional characterizations regarding its specific surface area (N2 adsorption), surface functional groups (FTIR), elemental analysis (CHNS-O), surface charge (Zero point charge - ZPC), thermal stability (TG/DTG), chemical structure and crystallinity (Raman Spectroscopy /XRD). The results obtained from the response surface methodology (RSM) revealed that the pyrolysis temperature exerted significant effects on the adsorption capacity and yield of BC. The combination of parameters that came closest to the optimal conditions determined by the RSM was regarding the BC prepared at 400 °C and 120 min (BC1). The kinetic and equilibrium data were better fitted by the Elovich (R2(aj.) = 0.998; χ2 = 5.495) and Langmuir (R2(aj.) = 0.952; χ2 = 106.714) models, respectively, suggesting that chemisorption was the dominant mechanism and that the adsorption occurred in monolayer. The theoretical maximum adsorption capacity (Qmax), for BC1, of 160.08 mg/g and the value of the separation factor (RL), between 0.58 and 0.03; indicate that the adsorption of MB by BC1 was favorable. The amount of lead remaining was quantified by the microwave induced plasma optical emission spectrometry (MIP-OES) technique. The BC1 showed an efficiency of 93.0% in the removal of Pb2+ ions from the aforementioned solution. Additional tests showed that the BC7 sample, pyrolyzed at 550 °C for 95 min, removed up to 96.6% of Pb2+ ions from the same solution, showing an excellent fit and reliability of the results. Therefore, these BC’s can be considered promising adsorbents for the decontamination of lead ions present in an aqueous solution, being a sustainable and more affordable alternative when compared to activated carbon.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.identifier.urihttps://repositorio.cefetmg.br//handle/123456789/2032
dc.language.isopt
dc.publisherCentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.initialsCEFET-MG
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia de Minas
dc.subjectQuímica ambiental
dc.subjectMetais pesados
dc.subjectAdsorção
dc.subjectPirólise
dc.titleAvaliação da preparação de biocarvão a partir da pirólise da pele prata de café e sua viabilidade na remoção de íons Pb²⁺ de solução aquosa
dc.typeDissertação

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