Valorização de resíduos carbonosos de gasificação como precursores de materiais para adsorção de poluentes em fase aquosa

Tese de doutoramento, Energia e Ambiente (Energia e Desenvolvimento Sustentável), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Resíduos carbonosos (de leito e ciclone) resultantes da gasificação de pinho, carvão Puertollano e mistura destes, foram ativados com K2CO3, utilizando diferentes condições experimentais, levando à obtenção de amostras com áreas superficiais específicas atingindo 1500 m2g-1. A realização de pré-tratamentos não se mostrou uma opção viável pois não levaram a um maior desenvolvimento da porosidade (térmico), ou implicavam um processo mais longo e dispendioso (desmineralização). O desempenho de carvões provenientes do resíduo de pinho como adsorventes de fármacos em fase aquosa foi comparável, ou superior, ao de carvões comerciais. No caso da adsorção de cafeína, a afinidade do molécula é determinada pela química de superfície dos carvões. A capacidade de adsorção dos materiais é determinada pela existência de distribuições de microporos contínuas, que permitem maximizar o empacotamento da molécula na microporosidade. Relativamente à adsorção de paracetamol mostrou-se que a velocidade inicial do processo é determinada pela presença de supermicroporos e a afinidade pela existência de distribuições de tamanho de microporos com o máximo coincidente com a dimensão crítica do dímero (espécie predominante em solução). O estudo do efeito da temperatura (20-40C) demonstrou a complexidade do processo e importancia determinante da rede microporosa para justificar o aumento da quantidade adsorvida com a temperatura observado nas amostras obtidas a partir dos residuos de gasificação. Os resultados de adsorção de iopamidol provaram que a velocidade inicial do processo depende da presença de distribuições de mesoporos muito largas e a capacidade de adsorção está diretamente relacionada com o volume de meso+microporos. Um dos materais produzidos no laboratório atingiu uma capacidade da monocamada aproximadamente duas vezes superior à da amostra comercial testada. Tal justificou-se pela presença de uma distribuição de tamanho de microporos contínua em toda a gama de poros. A regeneração dos materais foi considerada apenas como uma primeira abordagem, devendo no futuro ser alvo de um estudo mais aprofundado.

Chars and fly ashes produced by pine, puertollano coal and a blend of them, were activated with K2CO3 using diferent experimental conditions, which allowed to obtain samples with high surface areas, attaining 1500 m2g-1. The use of pre-treatments (demineralization and thermal) was considered a non-viable option, since the higher porosity development was achieve using non-treated materials, and the pre-treatments implied a longer and costly production process. The performance of pine residues-derived carbons as adsorbents of pharmaceutical compounds from aqueous phase was favourably compared with the commercial carbons. In the case of caffeine adsorption, affinity of the molecule was determined by the surface chemistry of the materials. The adsorption capacity was determined by micropore size distributions with micropores in all range of widths, that allowed a more efficient packing of the molecule in the microporosity. Considering acetaminophen adsorption, the initial adsorption rate was linked to the presence of supermicropores and the affinity to the existence of micropore size distributions with the maximum coincident with the critical dimension of the dimer (predominant specie in solution). The study of the temperature effect (20-40C), showed the complexity of the process and the importance of micropore network, to justify the increase of the adsorbed amount with the temperature, observed for the pine residues derived samples. In the case of iopamidol adsorption process, the initial adsorption rate depends on the presence of broad mesopore size distributions, whyle the adsorption capacity is directly related to the volume of meso+micropores. One of the materials produced in the laboratory achieved a mololayer adsorption capacity two times superior to that obtained with the commercial carbon, what was explained by the presence of micropore size distribution with micropores in all range of widths. The regeneration of the materials was considered as a first approach, and should in the future be the target of a further study.

Fundação para a Ciência e a Tecnologia, IP, (FCT)