Uso de polímeros molecularmente impressos (MIP) para recuperação seletiva de ácidos graxos voláteis (AGV) produzidos no tratamento anaeróbio

Autor: Tonucci, Marina Caldeira
Přispěvatelé: Aquino, Sergio Francisco de, Baeta, Bruno Eduardo Lobo, Passos, Fabiana Lopes Del Rei, Tarley, César Ricardo Teixeira, Santiago, Aníbal da Fonseca, Gurgel, Leandro Vinícius Alves
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFOP
Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP)
instacron:UFOP
Popis: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Núcleo de Pesquisas e Pós-Graduação em Recursos Hídricos, Universidade Federal de Ouro Preto. Os ácidos graxos voláteis (AGVs) produzidos durante o metabolismo anaeróbio podem levar ao mal funcionamento de reatores acarretando em baixa produção de biogás e menor remoção de demanda química de oxigênio (DQO). Por outro lado, alguns AGVs possuem elevado valor de mercado e, ao serem removidos poderiam, além de beneficiar o desempenho dos reatores anaeróbios, serem utilizados em diversas aplicações industriais. Pelo exposto, esta pesquisa objetivou sintetizar e caracterizar adsorventes seletivos, os polímeros molecularmente impressos (MIP), para serem aplicados como adsorventes de AGVs em sistemas anaeróbios operados em batelada ou sob alimentação contínua. Foram sintetizados diversos materiais e devido aos valores do parâmetros de eficiência de impressão (IF˃1,5) foram selecionados 5 materiais (dos quais: dois foram sintetizados via bulk em diferentes condições de síntese - MIP4 e MIP5 – e três foram sintetizados em síntese híbrida: um foi sintetizado em superfície magnética – MMIP - e dois foram sintetizados na presença de sílica, sendo um sem partículas magnéticas – HMIP – e um com partículas magnéticas - HMMIP. Com tais materiais realizou-se estudos de cinética, de isoterma, equilíbrio termodinâmicos, de seletividade, aplicabilidade e regeneração/reuso. Por fim, alguns materiais foram aplicados de diferentes formas a fim de avaliar a eficiência dos polímeros para remover os AGVs gerados em reatores anaeróbios. Os resultados evidenciam que o MMIP apresentou maior superfície específica e que todos os materiais sintetizados são mesoporosos, com exceção do MIP4 e HMIP. Os dados de cinética mostraram que os processos seguem o modelo de pseudo n ordem e que as constantes cinéticas (kn) dos MIPs foram sempre superiores às dos respectivos NIPs. O modelo de Sips foi o que melhor descreveu os dados e obteve valores de capacidade máxima de adsorção (Qmax) de 209,72;156,09; 68,89; 61,08 e 33,76 mg.g-1 para MIP5, MIP4, HMIP, HMMIP e MMIP, respectivamente à 25oC. Os dados termodinâmicos demonstraram que todos os processos são espontâneos, endotérmicos e entropicamente dirigidos. Os dados de seletividade apresentaram valores de coeficiente de seletividade relativa (k’) superiores a unidade, logo são materiais seletivos à ácido isovalérico (template escolhido para gerar uma cavidade seletiva não apenas a ele, mas aos principais AGVs) mesmo em meios com moléculas estruturalmente parecidas. As análises de aplicação dos adsorventes em batelada em efluente de reator anaeróbio apresentaram valores de Qe superiores para os polímeros quando comparados aos valores dos materiais comerciados analisados (resina de troca iônica e quitosana). Ao analisar a influência na produção de metano em reator anaeróbio na presença de HMMIP, foi possível notar um acréscimo de 66% na produção desse biogás. Tal resultado comprova que a remoção dos AGVs gerados e acumulados em reatores anaeróbios melhora a remoção da DQO e contribui para aumento da geração de biogás. Ademais foram analisados os tempos de sedimentabilidade convencional e imantada para o MMIP e HMMIP. O MMIP demandaria menor tanque de decantação devido à maior velocidade de sedimentação (~ 3 m.h-1 ), no entanto ambos os materiais apresentaram boa sedimentação. O processo imantado destaca-se por possibilitar a separação dos adsorventes magnéticos tanto da parte líquida quanto do lodo gerado no fundo dos reatores. Os testes de coluna de adsorção foram realizados em diversas concentrações e vazões para os polímeros híbridos e resina de troca iônica. O processo mais eficiente, de acordo com eficiência total do processo de adsorção em coluna (EPads), foi o HMMIP com valor de 74%. Por fim, concluiu-se que foram sintetizados materiais com potencial para ampliar os estudos em larga escala, uma vez que os resultados foram extremamente satisfatórios. The volatile fatty acids (VFAs) produced during anaerobic metabolism can lead to a malfunction of reactors thereby causing a low removal of chemical oxygen demand (COD). Moreover, the VFAs have high market value and if recovered can, besides improving the performance of anaerobic reactors, be used in several industrial sectors. Therefore, the aim of this work was to synthesize and characterize selective adsorbents, the so called molecularly imprinted polymers (MIPs). These materials were applied as adsorbents of VFAs in anaerobic systems operated in batch or under continuous feed. Several materials were synthesized and due to imprinting factor parameter (IF˃1.5) five of these were selected (of which: two were synthesized via bulk in different conditions-MIP4 and MIP5-, three were synthesized in hybrid synthesis: one on a magnetic surface -MMIP- and two were synthesized in the presence of silica, one without the presence of magnetic particles -HMIP- and one with magnetic particles -HMMIP. These materials were evaluated by kinetic, isothermal, thermodynamic, selectivity, applicability and by adsorbent reuse experiments. Finally, some of these materials were applied in different process to evaluate the MIPs efficiency to remove the VFAs generated in anaerobic reactors. The specific area results showed that the MMIP presented the higher specific surface value. Moreover, due to the pore size results, all materials were classified as mesoporous, except the MIP4 and HMIP. The kinetic data follow the pseudo n order model and the kinetic constants (kn) of MIPs were higher than the ones of the respective NIPs. The isotherm results were well adjusted to the Sips model and generated Qmax values of 209.72; 156.09; 68.89; 61.08 and 33.76 mg.g-1 for MIP5, MIP4, HMIP, HMMIP and MMIP, respectively at 25°C. Thermodynamic data indicated that all processes are spontaneous, endothermic and entropically directed. The selectivity data presented values of relative selectivity coefficient (k') greater than one unit, so they are selective materials for isovaleric acid (template chosen to create a specific cavity not only to it, but to the main VFAs) even in media with molecules structurally similar. The applicability analysis of the adsorbents in batch process with an anaerobic reactor effluent showed higher Qe values for the polymers when compared to the values of commercial materials analyzed (ion exchange resin and chitosan). Through the analysis of methane production influence on anaerobic reactor in the presence of HMMIP, it was possible to notice an increase of 66% in the production of this biogas. This result proves that VFAs removal generated and accumulated in anaerobic reactors improves the COD removal and contributes to increased biogas generation. In addition, the conventional and magnetized sedimentation times for MMIP and HMMIP were analyzed. The MMIP require a smaller sedimentation tank due to the higher settling velocity (~ 3 m.h-1 ), however, both materials showed good sedimentation. The magnetized process stands out by allowing the separation of the magnetic adsorbents both from the liquid part and from the sludge generated at the bottom of the reactors. The adsorption column tests were performed under several concentrations and flow rates for the hybrid polymers and ion exchange resin. The most efficient process, according to the efficiency of the adsorption process (EPads), was the HMMIP with a value of 73.74%. Finally, it was concluded that the synthesized materials have potential to continue the studies on a large scale, since the results were extremely satisfactory.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: