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Please use this identifier to cite or link to this item: https://tede.unioeste.br/handle/tede/8470
Tipo do documento: Dissertação
Title: Adsorção de zinco a partir de cascas de arroz funcionalizadas: estudo em batelada e em coluna de leito fixo
Other Titles: Adsorption of zinc from functionalized rice husks: a batch and fixed-bed column study
Autor: Zanelatto, Thamires Mirian 
Primeiro orientador: Palu, Fernando
Primeiro coorientador: Santana, Veronice Slusarski
Primeiro membro da banca: Silva, Edson Antonio da
Segundo membro da banca: Johann, Gracielle
Terceiro membro da banca: Palu, Fernando
Resumo: A contaminação hídrica por metais pesados representa uma ameaça crítica aos ecossistemas aquáticos e à saúde pública. Entre esses elementos, o zinco (Zn2+) se destaca pela elevada toxicidade e persistência no meio ambiente, comprometendo a biodiversidade e a potabilidade da água. Processos convencionais de tratamento de efluentes apresentam limitações na remoção residual de metais pesados, o que reforça a busca por tecnologias alternativas de maior desempenho. Nesse contexto, a adsorção permeada por resíduos agroindustriais, como cascas de arroz, surge como uma estratégia promissora para a remoção de zinco em baixas concentrações, aliando efetividade ao fortalecimento da economia circular. Perante isso, o presente estudo teve como objetivo a avaliação da eficiência de cascas de arroz funcionalizadas para a adsorção de zinco, tanto em sistema batelada quanto em leito fixo, visto a ausência de comparação entre ambos os modelos. Para tanto, cascas de arroz in natura, inteiras e trituradas (0,30-1,40 mm), foram submetidas ao tratamento químico ácido (TA), com H3PO4, básico (TB), com NaOH, e combinado (TC), com a combinação sequencial de ambos os reagentes em diferentes concentrações. Em batelada, ensaios preliminares avaliaram o efeito do pH (4 e 5) e da granulometria das cascas na capacidade do processo, estabelecendo como melhor condição o uso do material triturado em pH 5, valor corroborado pela caracterização eletroquímica dos sólidos e pelo diagrama de especificação de zinco. Nessas configurações, avaliou-se o efeito da modificação química na remoção do metal, identificando o adsorvente TC 1,0-1,0 como o mais eficiente. A escolha foi elucidada pela avaliação superficial do material, que evidenciou a presença de grupos funcionais com afinidade por cátions de Zn2+, como SiO- e R-COO-Na⁺. O material foi então submetido ao estudo cinético, cujos dados se ajustaram preferencialmente ao modelo de pseudo-segunda ordem (PSO) (qe: 0,88 meq g-1, k2: 1,55 g meq-1 min-1). A dinâmica de transporte foi analisada pelo modelo de difusão intrapartícula (IPDM), indicando resistências externas e internas à transferência de massa. Nos ensaios de equilíbrio, a isoterma de Sips forneceu o melhor ajuste aos dados experimentais (ns: 0,64; ks: 10,3 L meq-1, qmax: 1,18 meq g-1). A regeneração do adsorvente TC 1,0-1,0, realizada em três ciclos de adsorção/dessorção com HCl e NaOH, revelou maior efetividade no tratamento básico, preservando a capacidade de remoção de zinco por até 4 reutilizações. Em regime contínuo, realizou-se o dimensionamento e a modelagem cinética de colunas empacotadas com o adsorvente TC 1,0-1,0, sob diferentes alturas de leito (5, 10 e 15 cm, em 5 meq L-1) e concentrações iniciais de zinco (3, 4 e 5 meq L-1, em 15 cm). Observou-se que maiores teores do metal reduziram o tempo de saturação útil da coluna (tt,u), enquanto o incremento de altura o prolongou. Melhores eficiências foram observadas para o leito de 15 cm a 3 meq L-1 (69,44%) e para o leito de 10 cm a 5 meq L-1 (68,44%). A modelagem cinética das curvas de ruptura apresentou ajuste mais adequado no modelo dose resposta modificado (MDR) (qMDR: 0,78-1,22 meq g-1, αMDR: 6,58-10,65), com exceção do leito de 15 cm a 3 meq L-1, representado pelo modelo de Clark (Ac: 44,13, rc: 0,11 min-1, nF: 1,03). Embora a maior capacidade de adsorção tenha ocorrido em leito fixo, o adsorvente TC 1,0-1,0 apresentou desempenho expressivo na remoção de zinco em ambos os sistemas, corroborando sua aplicabilidade em tratamentos avançados de águas e efluentes.
Abstract: Water contamination by heavy metals poses a critical threat to aquatic ecosystems and public health. Among these elements, zinc (Zn2+) stands out due to its high toxicity and persistence in the environment, compromising biodiversity and water potability. Conventional wastewater treatment processes have limitations in removing residual heavy metals, which underscores the need for alternative, higher-performance technologies. In this context, adsorption using agro-industrial residues, such as rice husks, emerges as a promising strategy for removing zinc at low concentrations, combining effectiveness with the promotion of the circular economy. Accordingly, this study aimed to evaluate the efficiency of functionalized rice husks for zinc adsorption in both batch and fixed-bed systems, given the lack of comparative data between these models. To this end, raw rice husks, whole and crushed (0,30-1,40 mm), were subjected to acid treatment (TA) with H3PO4, basic treatment (TB) with NaOH, and combined treatment (TC) with sequential application of both reagents at different concentrations. In batch experiments, preliminary tests assessed the effect of pH (4 and 5) and husk particle size on process performance, establishing the optimal condition as the use of crushed material at pH 5, a value supported by the electrochemical characterization of the solids and the zinc specification diagram. Under these conditions, the effect of chemical modification on metal removal was evaluated, identifying the TC 1,0-1,0 adsorbent as the most effective. This selection was corroborated by surface analysis, revealing functional groups with affinity for Zn2+ cations, such as SiO- and R-COO-Na+. The material was then subjected to kinetic studies, with data best fitting the pseudo-second order (PSO) model (qe: 0,88 meq g-1, k2: 1,55 g meq-1 min-1). Mass transfer dynamics were analyzed using the intraparticle diffusion model (IPDM), indicating external and internal resistances. In equilibrium tests, the Sips isotherm provided the best fit to experimental data (ns: 0,64; ks: 10,3 L meq-1, qmax: 1,18 meq g-1). Regeneration of the TC 1,0-1,0 adsorbent over three adsorption/desorption cycles with HCl and NaOH showed greater effectiveness under basic conditions, maintaining zinc removal capacity for up to 4 reuse cycles. In continuous operation, packed-column design and kinetic modeling were performed for TC 1,0-1,0 beds with different heights (5, 10, and 15 cm, at 5 meq L-1) and initial zinc concentrations (3, 4, and 5 meq L-1, at 15 cm). Higher metal contents reduced the column’s breakthrough time (tt,u), while increased bed height extended it. Maximum efficiencies were observed for the 15 cm bed at 3 meq L-1 (69,44%) and the 10 cm bed at 5 meq L-1 (68,44%). Breakthrough curve kinetics were best described by the modified dose-response (MDR) model (qMDR: 0,78-1,22 meq g-1, αMDR: 6,58-10,65), except for the 15 cm bed at 3 meq L-1, which was better represented by the Clark model (Ac: 44,13, rc: 0,11 min-1, nF: 1,03). Although the highest adsorption capacity occurred in fixed-bed operation, the TC 1,0-1,0 adsorbent showed significant zinc removal in both systems, corroborating its applicability in advanced water and wastewater treatment.
Keywords: Tratamento de efluentes
Metais pesados
Resíduos agroindustriais
Sistema contínuo e descontínuo
Wastewater treatment
Heavy metals
Agro-industrial residues
Continuous and batch system
CNPq areas: ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Publisher: Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Sigla da instituição: UNIOESTE
Departamento: Centro de Engenharias e Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Campun: Toledo
Citation: ZANELATTO, Thamires Mirian. Adsorção de zinco a partir de cascas de arroz funcionalizadas: estudo em batelada e em coluna de leito fixo. 2025. 143 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Toledo, 2025.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: https://tede.unioeste.br/handle/tede/8470
Issue Date: 17-Nov-2025
Appears in Collections:Mestrado em Engenharia Química (TOL)

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