Adsorption kinetics of removal of yellow lanasol dyestuff using gallinaceous feathers

Gallinaceous feathers are an abundant solid waste from the poultry processing industries, which poses disposal problems. A kinetic study dealing with the adsorption process of wool reactive dye, Yellow Lanasol 4G (CI Reactive Yellow 39), on gallinaceous (Gallus gallus, Cobb 500) feathers was carried out. The main research goals of this work were to evaluate the viability of using this waste as adsorbent and to study the kinetics of the adsorption process, using a synthetic effluent. The characterization of feathers was performed by scanning electron microscopy, mercury porosimetry and B.E.T. method. The study of several factors (stirring, particles size, initial dye concentration and temperature) showed their influence over the adsorption process. An adapted version of the Schumckler and Goldstein´s unreacted core model fitted the experimental data. The best fit was obtained when the rate-limiting step was the diffusion through the reacted layer, which was expected considering the size of the dyestuff molecules. The comparison with the granular activated carbon (GAC) Sutcliffe GAC 10-30 indicate that in spite of the high adsorption capacities shown by feathers the GAC presented higher values, the values obtained were respectively 150 and 219 mg g-1, for an initial concentration of 500 mg L-1. The results obtained might open future perspectives both to the valorization of feathers and to the economical treatment of textile wastewaters.

Removal of sulfamethoxazole from solution by raw and chemically treated walnut shells

Purpose: The sorption of sulfamethoxazole, a frequently detected pharmaceutical compound in the environment, onto walnut shells was evaluated. Methods: The sorption proprieties of the raw sorbent were chemically modified and two additional samples were obtained, respectively HCl and NaOH treated. Scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and thermogravimetric (TG/DTG) techniques were applied to investigate the effect of the chemical treatments on the shell surface morphology and chemistry. Sorption experiments to investigate the pH effect on the process were carried out between pH 2 and 8. Results: The chemical treatment did not substantially alter the structure of the sorbent (physical and textural characteristics) but modified the surface chemistry of the sorbent (acid–base properties, point of zero charge—pHpzc). The solution pH influences both the sorbent’s surface charge and sulfamethoxazole speciation. The best removal efficiencies were obtained for lower pH values where the neutral and cationic sulfamethoxazole forms are present in the solution. Langmuir and Freundlich isotherms were applied to the experimental adsorption data for sulfamethoxazole sorption at pH 2, 4, and 7 onto raw walnut shell. No statistical difference was found between the two models except for the pH 2 experimental data to which the Freundlich model fitted better. Conclusion: Sorption of sulfamethoxazole was found to be highly pH dependent in the entire pH range studied and for both raw and treated sorbent.

Minimização de odores em contentores de resíduos sólidos

Mestrado em Engenharia Química

Basic dyestuffs removal from textile effluents using feathers: equilibrium, kinetic and column studies

This research work has been focused in the study of gallinaceous feathers, a waste that may be valorised as sorbent, to remove the Dark Blue Astrazon 2RN (DBA) from Dystar. This study was focused on the following aspects: optimization of experimental conditions through factorial design methodology, kinetic studies into a continuous stirred tank adsorber (at pH 7 and 20ºC), equilibrium isotherms (at pH 5, 7 and 9 at 20 and 45ºC) and column studies (at 20ºC, at pH 5, 7 and 9). In order to evaluate the influence of the presence of other components in the sorption of the dyestuff, all experiments were performed both for the dyestuff in aqueous solution and in real textile effluent. The pseudo-first and pseudo-second order kinetic models were fitted to the experimental data, being the latter the best fit for the aqueous solution of dyestuff. For the real effluent both models fit the experimental results and there is no statistical difference between them. The Central Composite Design (CCD) was used to evaluate the effects of temperature (15 - 45ºC) and pH (5 - 9) over the sorption in aqueous solution. The influence of pH was more significant than temperature. The optimal conditions selected were 45ºC and pH 9. Both Langmuir and Freundlich models could fit the equilibrium data. In the concentration range studied, the highest sorbent capacity was obtained for the optimal conditions in aqueous solution, which corresponds to a maximum capacity of 47± 4 mg g-1. The Yoon-Nelson, Thomas and Yan’s models fitted well the column experimental data. The highest breakthrough time for 50% removal, 170 min, was obtained at pH 9 in aqueous solution. The presence of the dyeing agents in the real wastewater decreased the sorption of the dyestuff mostly for pH 9, which is the optimal pH. The effect of pH is less pronounced in the real effluent than in aqueous solution. This work shows that feathers can be used as sorbent in the treatment of textile wastewaters containing DBA.

Produção de carvão activado a partir de resíduos da indústria de curtumes

As aparas de wet-blue e de wet-white constituem um resíduo sólido da indústria de curtumes com um elevado teor em carbono, tornando relevante a sua utilização na preparação de materiais de interesse tecnológico. Este trabalho teve como objectivo a preparação de carvões activados a partir de resíduos da indústria de curtumes. Os métodos de activação utilizados para a preparação dos carvões activados foram a activação física com dióxido de carbono e activação química com hidróxido de potássio. A carbonização dos resíduos foi estudada na gama de temperaturas de 500 ºC a 800 ºC, verificando-se que a sua carbonização se pode considerar completa para a temperatura de 800 ºC. Na activação física os precursores foram previamente carbonizados sob uma atmosfera inerte a 800 ºC e posteriormente activados a 940 ºC usando o CO2 como agente activante. Na etapa de activação variou-se o tempo de activação (20, 40 e 60 minutos) de modo a estudar a influência do grau de queima nas propriedades texturais dos carvões activados. O carvão activado obtido pelo método de activação física com maior área superficial específica foi o carvão preparado a partir do resíduo de wet-blue para um tempo de activação de 40 minutos e grau de queima de 23 % (SBET = 152 m2/g). Para a activação química, procedeu-se à impregnação dos precursores com KOH usando razões mássicas de impregnação KOH:precursor de 0,5:1, 1:1 e 3:1. A impregnação foi efectuada directamente nos resíduos de wet-blue e de wet-white e nos resíduos de wet-blue e de wet-white carbonizados. A activação foi efectuada a 940 ºC sob uma atmosfera inerte, com uma velocidade de aquecimento de 5 ºC/min, e um tempo de activação de 1 hora. No caso da série de carvões activados obtidos por impregnação do precursor, o carvão que exibe melhores propriedades texturais é o carvão activado preparado por impregnação na razão de 1:1 a partir do resíduo de wet-blue (SBET = 1696 m2/g). Na série de carvões activados preparados por impregnação do precursor carbonizado, o carvão com melhores propriedades texturais é o carvão proveniente da impregnação do carbonizado do resíduo de wet-blue na razão de 3:1 (SBET = 1507 m2/g). Os carvões activados obtidos por este método de activação são essencialmente microporosos e com elevada área superficial específica. Testes de adsorção preliminares mostram que estes carvões activados têm um bom desempenho para a remoção de cor de efluentes da indústria de curtumes. Concluiu-se que por activação química com KOH dos resíduos de wet-blue e wet-white se obtêm carvões activados com boas propriedades texturais, elevadas áreas superficiais específicas e elevado volume de microporos, quando comparadas com as dos carvões activados resultantes da activação física. Deste modo, chegou-se à conclusão que ambos os resíduos são bons precursores para a produção de carvão activado, mais propriamente recorrendo à activação química, reduzindo assim o volume de resíduos da indústria de curtumes destinados ao aterro.

Estudo da tratabilidade laboratorial e optimização experimental do tratamento de águas residuais de indústrias lácteas

O presente trabalho experimental teve como objectivos estudar a tratabilidade dum efluente lácteo utilizando a técnica de coagulação/floculação e avaliar a possibilidade de utilização do carvão activado granulado (CAG) Aquasorb 2000 como adsorvente para a remoção de compostos orgânicos presentes nos efluentes lácteos pré–tratados por coagulação/floculação, funcionando como um tratamento de polimento. No estudo da tratabilidade do efluente por coagulação/floculação investigou-se a influência de determinadas variáveis como o tipo e dose de coagulante e pH, a fim de encontrar as melhores condições operatórias. A utilização da referida técnica visou a redução do valor de concentração de alguns parâmetros: carência química de oxigénio (CQO); fósforo total e turvação, tendo sido utilizados efluentes desta indústria recolhidos em diferentes datas e após tratamento biológico, designados por A, B, C e D apresentando características diferentes. Sendo que o efluente A apresentava valores de CQO, fósforo total e turvação de 500 mg O2/L;32 mg P/L e 40 NTU respectivamente, o efluente B 1400 mg O2/L; 120 mg P/L e 80 NTU respectivamente, o efluente C 12300 mg O2/L; 87 mg P/L e 350 NTU respectivamente e o efluente D 340 mg O2/L; 33 mg P/L e 42 NTU respectivamente. Os coagulantes estudados foram hidróxido de cálcio (HC), sulfato de alumínio (SA) e tricloreto de ferro (TF). Verificou-se que o coagulante com maior eficácia nos efluentes estudados foi o TF. As maiores remoções de CQO, fósforo total e turvação, 89%, 99,9% e 99%, respectivamente, foram obtidas para o efluente C, com uma dosagem de TF de 4 g/L e com um pH entre 6 e 7. Entre os efluentes estudados este era o que apresentava valores iniciais mais elevados para qualquer um destes parâmetros. As melhores percentagens de remoção obtidas com o HC, para a CQO, fósforo total e turvação foram de 59%, 99% e 91%, respectivamente, com uma dosagem de HC de 1 g/L e com um pH entre 10 e 11,5 foram conseguidas no tratamento do efluente D, com o qual se alcançaram também as melhores remoções de CQO, fósforo total e turvação de 65%, 99% e 87%, respectivamente, quando se utilizou o coagulante SA, com uma dosagem de 2 g/L e com um pH entre 7 e 7,5. Relativamente ao volume de lamas produzido neste processo pela utilização dos diferentes coagulantes no tratamento dos efluentes referidos concluiu-se que o coagulante que gera menor volume de lamas é o HC, sendo o SA aquele que origina um maior volume. Submeteu-se posteriormente o efluente D, pré-tratado por coagulação/floculação, a um processo de adsorção em batch utilizando o CAG Aquasorb 2000, onde se conseguiu uma remoção de CQO de 48%, alcançando para este parâmetro o valor de 63 mg O2/L, nas condições operatórias que correspondem a uma massa de CAG de 12,5 g/L e um tempo de contacto de 3 horas. Quanto aos custos associados com os coagulantes, o que menores custos apresenta é o HC (150 €/ton), seguido pelo TF (250 €/ton) e por ultimo o SA (340 €/ton). Sendo que o efluente quando tratado com TF e SA é necessário uma correcção do pH do meio para que estes coagulantes actuem eficazmente, em que essa correcção de pH é realizada com hidróxido de sódio (540 €/ton). Realizaram-se ainda estudos de equilíbrio de adsorção com o carvão activado referido e o azul-de-metileno usando diferentes concentrações deste (50 mg/L; 100 mg/L e 200 mg/L) e diferentes massas de CAG (0,1g; 0,2g; 0,3g; 0,4g e 0,5g). A temperatura a que se realizaram estes ensaios foi de 28,7ºC e o volume de azul-de-metileno foi de 200 mL. Verificou-se que os melhores resultados obtidos foram para uma concentração de adsorvato de 100 mg/L. Ajustaram-se os modelos de Langmuir e Freundlich às isotérmicas obtidas tendo correlações mais elevadas para a concentração de 100 mg/L de corante (azul de metileno), sendo o modelo de Freundlich aquele que melhor se ajustou apresentando uma correlação quadrática de 0,9744 e os seguintes parâmetros Kf = 6,59 e n = 5,33, enquanto que o de Langmuir apresentou uma correlação quadrática de 0,9583 e os seguintes parâmetros qmáx = 83,3 mg/g de adsorvente e K = 20 L/mg de adsorvato.. Verificou-se que a capacidade de adsorção promovida pelo CAG, em relação ao azul-demetileno, obtida experimentalmente, 83,3 mg/g, é muito inferior à capacidade de adsorção teoricamente prevista pela ficha técnica deste carvão, 280 mg/g a uma temperatura de 25ºC, o que pode indiciar que o carvão utilizado não estaria nas melhores condições.

Preparação de materiais de carbono para a adsorção de compostos orgânicos voláteis (COV).

A presente dissertação estudou a produção de carvão ativado a partir de resíduo de wet-blue, proveniente da indústria de curtumes, para a adsorção de compostos orgânicos voláteis, nomeadamente o acetato de etilo. Este estudo teve como principais objetivos: a otimização das condições de preparação de carvões ativados a partir deste tipo de resíduo; a avaliação do seu desempenho na adsorção do acetato de etilo e a correlação das propriedades texturais dos adsorventes com o seu desempenho na adsorção do COV. O método de ativação para a preparação dos carvões ativados foi a ativação química com hidróxido de potássio. Nesta etapa foi estudado o efeito da temperatura de ativação e da razão de impregnação KOH:precursor nas propriedades texturais. Nestes ensaios observou-se uma diminuição do rendimento de carbonizado com o aumento da temperatura de ativação e da razão KOH:precursor. Para a caracterização dos carvões ativados foram determinados os seus parâmetros texturais a partir das isotérmicas de adsorção/dessorção de N2 a 77 K. O carvão ativado com melhores propriedades texturais foi o ativado a 900ºC e com razão de impregnação de 3:1, m ca_900 3:1, com área superficial específica de 1902 m2/g, seguindo-se o carvão preparado a 800 ºC e com a mesma razão de impregnação, m ca_800 3:1, com área superficial específica de 1830 m2/g. Por fim, foi avaliado o desempenho do carvão ativado selecionado, m ca_800 3:1, na remoção de acetato de etilo de uma corrente gasosa. Foram efetuados ensaios de adsorção/ dessorção de acetato de etilo e o modelo de Langmuir foi ajustado aos resultados experimentais obtidos, tendo-se determinado uma capacidade de saturação de 500 mgCOV/ gadsorvente.

Gestão da rede de hidrogénio da Refinaria de Matosinhos

Até há bem pouco tempo o hidrogénio não era considerado um elemento crucial nas refinarias, sendo por isso queimado juntamente com o fuel gás. Actualmente, o hidrogénio é considerado uma utilidade do processo e como tal deverá ser utilizado de forma eficiente. A procura crescente está também relacionada com as limitações ambientais exigidas bem como as especificações que os combustíveis devem apresentar, nomeadamente o teor de enxofre. Assim, torna-se necessário um melhor aproveitamento do hidrogénio presente na refinaria e como tal procede-se à gestão da rede de produção/distribuição/consumo do mesmo, dado ser um subproduto dos processos de refinação. Com tudo isto, a integração de processos tem sido a base de inúmeras metodologias sistemáticas que permitem identificar o ponto onde se poderá intervir. A gestão da rede de hidrogénio é baseada na metodologia pinch, que apresenta um procedimento que permite estabelecer a meta mínima de importação de hidrogénio à rede assim como localizar a corrente onde se pode aproveita-lo, e com isso reduzir os custos associados e obter novas especificações dos combustíveis. Esta dissertação de mestrado, teve como objectivo minimizar o hidrogénio presente no fuel gás da Refinaria de Matosinhos de forma a ser aproveitado na UN3700, unidade de hidrodessulfuração do gasóleo. Foi desenvolvida com base no trabalho proposto por Alves (1999), pois as correntes são consideradas em termos de qualidade (pureza em H2) e quantidade (caudal). Devido à existência de duas situações distintas nos resultados obtidos, concluise que para a situação em que se considera a corrente de reciclo, consegue-se obter uma percentagem de 55,21% de hidrogénio no fuel gás. Para a situação sem a corrente de reciclo é possível obter uma percentagem de 49,90%. Em ambas as situações será benéfico a ligação da UN1500 à UN1700 bem como do acumulador D- 4701 à UN1700.

Copper, nickel and zinc removal by peanut hulls: batch and column studies in mono, tri-component systems and with real effluent

The main goal of this research study was the removal of Cu(II), Ni(II) and Zn(II) from aqueous solutions using peanut hulls. This work was mainly focused on the following aspects: chemical characterization of the biosorbent, kinetic studies, study of the pH influence in mono-component systems, equilibrium isotherms and column studies, both in mono and tri-component systems, and with a real industrial effluent from the electroplating industry. The chemical characterization of peanut hulls showed a high cellulose (44.8%) and lignin (36.1%) content, which favours biosorption of metal cations. The kinetic studies performed indicate that most of the sorption occurs in the first 30 min for all systems. In general, a pseudo-second order kinetics was followed, both in mono and tri-component systems. The equilibrium isotherms were better described by Freundlich model in all systems. Peanut hulls showed higher affinity for copper than for nickel and zinc when they are both present. The pH value between 5 and 6 was the most favourable for all systems. The sorbent capacity in column was 0.028 and 0.025 mmol g-1 for copper, respectively in mono and tri-component systems. A decrease of capacity for copper (50%) was observed when dealing with the real effluent. The Yoon-Nelson, Thomas and Yan’s models were fitted to the experimental data, being the latter the best fit.

Removal of Cd(II), Zn(II) and Pb(II) from aqueous solutions by brown marine macro algae: kinetic modelling

Specific marine macro algae species abundant at the Portuguese coast (Laminaria hyperborea, Bifurcaria bifurcata, Sargassum muticum and Fucus spiralis) were shown to be effective for removing toxic metals (Cd(II), Zn(II) and Pb(II)) from aqueous solutions. The initial metal concentrations in solution were about 75–100 mg L−1. The observed biosorption capacities for cadmium, zinc and lead ions were in the ranges of 23.9–39.5, 18.6–32.0 and 32.3–50.4 mg g−1, respectively. Kinetic studies revealed that the metal uptake rate was rather fast, with 75% of the total amount occurring in the first 10 min for all algal species. Experimental data were well fitted by a pseudo-second order rate equation. The contribution of internal diffusion mechanism was significant only to the initial biosorption stage. Results indicate that all the studied macro algae species can provide an efficient and cost-effective technology for eliminating heavy metals from industrial effluents.

Sorption behaviour of bifenthrin on cork

Biphentrin, a known pyrethroid, was studied, aiming its removal from aqueous solutions by granulated cork sorption. Batch experiments, either for equilibrium or for kinetics, with two granulated cork sizes were performed and results were compared with those obtained with of activated carbon sorption. Langmuir and Freundlich adsorption isotherms were obtained both showing high linear correlations. Bifenthrin desorption was evaluated for cork and results varied with the granule size of sorbent. The results obtained in this work indicate that cork wastes may be used as a cheap natural sorbent for bifenthrin or similar compounds removal from wastewaters.

Copper and lead removal by peanut hulls: equilibrium and kinetic studies

This research work aims to study the use of peanut hulls, an agricultural and food industry waste, for copper and lead removal through equilibrium and kinetic parameters evaluation. Equilibrium batch studies were performed in a batch adsorber. The influence of initial pH was evaluated (3–5) and it was selected between 4.0 and 4.5. The maximum sorption capacities obtained for the Langmuir model were 0.21 ± 0.03 and 0.18 ± 0.02 mmol/g, respectively for copper and lead. In bi-component systems, competitive sorption of copper and lead was verified, the total amount adsorbed being around 0.21 mmol of metal per gram of material in both mono and bi-component systems. In the kinetic studies equilibrium was reached after 200 min contact time using a 400 rpm stirring rate, achieving 78% and 58% removal, in mono-component system, for copper and lead respectively. Their removal follows a pseudo-second-order kinetics. These studies show that most of the metals removal occurred in the first 20 min of contact, which shows a good uptake rate in all systems.

Adsorption behavior of α-cypermethrin on cork and activated carbon

Studies were undertaken to determine the adsorption behavior of α-cypermethrin [R)-α-cyano-3-phenoxybenzyl(1S)-cis- 3-(2,2-dichlorovinyl)-2,2-dimethylcyclopropanecarboxylate, and (S)-α-cyano-3-phenoxybenzyl (1R)-cis-3-(2,2-dichlorovinyl)-2,2- dimethylcyclopropanecarboxylate] in solutions on granules of cork and activated carbon (GAC). The adsorption studies were carried out using a batch equilibrium technique. A gas chromatograph with an electron capture detector (GC-ECD) was used to analyze α-cypermethrin after solid phase extraction with C18 disks. Physical properties including real density, pore volume, surface area and pore diameter of cork were evaluated by mercury porosimetry. Characterization of cork particles showed variations thereby indicating the highly heterogeneous structure of the material. The average surface area of cork particles was lower than that of GAC. Kinetics adsorption studies allowed the determination of the equilibrium time—24 hours for both cork (1–2 mm and 3–4 mm) and GAC. For the studied α-cypermethrin concentration range, GAC revealed to be a better sorbent. However, adsorption parameters for equilibrium concentrations, obtained through the Langmuir and Freundlich models, showed that granulated cork 1–2 mm have the maximum amount of adsorbed α-cypermethrin (qm) (303 μg/g); followed by GAC (186 μg/g) and cork 3-4 mm (136 μg/g). The standard deviation (SD) values, demonstrate that Freundlich model better describes the α-cypermethrin adsorption phenomena on GAC, while α-cypermethrin adsorption on cork (1-2 mm and 3-4 mm) is better described by the Langmuir. In view of the adsorption results obtained in this study it appears that granulated cork may be a better and a cheaper alternative to GAC for removing α-cypermethrin from water.

Natural waste materials containing chitin as adsorbents for textile dyestuffs: batch and continuous studies

In this work three natural waste materials containing chitin were used as adsorbents for textile dyestuffs, namely the Anodonta (Anodonta cygnea) shell, the Sepia (Sepia officinalis) and the Squid (Loligo vulgaris) pens. The selected dyestuffs were the Cibacron green T3G-E (CI reactive green 12), and the Solophenyl green BLE 155% (CI direct green 26), both from CIBA, commonly used in cellulosic fibres dyeing, the most used fibres in the textile industry. Batch equilibrium studies showed that the materials’ adsorption capacities increase after a simple and inexpensive chemical treatment, which increases their porosity and chitin relative content. Kinetic studies suggested the existence of a high internal resistance in both systems. Fixed bed column experiments performed showed an improvement in adsorbents’ behaviour after chemical treatment. However, in the column experiments, the biodegradation was the main mechanism of dyestuff removal, allowing the materials’ bioregeneration. The adsorption was strongly reduced by the pore clogging effect of the biomass. The deproteinised Squid pen (grain size 0.500–1.41 mm) is the adsorbent with highest adsorption capacity (0.27 and 0.037 g/g, respectively, for the reactive and direct dyestuffs, at 20ºC), followed by the demineralised Sepia pen and Anodonta shell, behaving like pure chitin in all experiments, but showing inferior performances than the granular activated carbon tested in the column experiments.