Quitosana imobilizada em suporte inerte para a adsorção de corantes alimentícios em coluna de leito fixo

Abstract

O uso de corantes sintéticos na indústria de alimentos tem provocado transtornos à saúde humana e ao meio ambiente. A quitosana pode ser imobilizada em matrizes sólidas e aplicada na remoção de corantes em coluna de leito fixo. A análise da dinâmica de uma coluna de leito fixo é baseada na curva de ruptura, esta é dependente da geometria da coluna, das condições operacionais e dos dados de equilíbrio. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi estudar o recobrimento de esferas de vidro por quitosana e sua aplicação como adsorvente de corantes em coluna de leito fixo. No estudo do recobrimento avaliaram-se os efeitos da concentração de quitosana e dos métodos de cura. As esferas recobertas foram aplicadas em ensaios de adsorção estático e dinâmico. Inicialmente, avaliou-se o equilíbrio de adsorção através da construção de isotermas e ajuste de modelos, e após, avaliaram-se os efeitos do tipo de cura e do grau de desacetilação da quitosana. Em seguida, foram analisados os efeitos do tipo de corante e do pH, e o comportamento cinético da adsorção pela construção de curvas de ruptura e ajuste de modelos dinâmicos. A influência da altura do leito e da concentração inicial de corante sobre os parâmetros da adsorção em leito fixo foram analisados através da metodologia de superfície de resposta (MSR). Ao final, estudou-se a regeneração da coluna. Os resultados mostraram que os maiores percentuais de recobrimento foram obtidos pelos métodos físico e físico/químico, na concentração de quitosana de 0,5% (m/v). Nestas condições o percentual de recobrimento foi de 46%. Nas imagens da superfície das esferas (MEV) observou-se que as mesmas foram recobertas de forma homogênea pela quitosana. As isotermas de equilíbrio obtidas foram classificadas como do tipo V, sendo o modelo de Sips o mais adequado para representar os dados experimentais. As capacidades máximas de adsorção foram 337 mg g-1, 286 mg g-1 e 200 mg g-1 para os corantes amarelo tartrazina, amarelo crepúsculo e vermelho 40, respectivamente. A aplicação das esferas recobertas com quitosana em leito fixo mostrou-se mais adequada utilizando o método de cura físico/químico e quitosana com grau de desacetilação de 85%. A máxima capacidade de adsorção da coluna em função do corante e do pH variou de 13 a 108 mg g–1. Os modelos BDST (bed–depth–service–time), Thomas e Yoon–Nelson foram adequados para representar os dados experimentais. De acordo com a MSR, o melhor desempenho do leito foi com altura de 30 cm e concentração inicial de corante de 50 mg L-1. Nestas condições, obteve-se tempo de ruptura de 88 min, máxima capacidade da coluna de 108 mg g-1 e remoção de 86 %. Na regeneração da coluna observou-se que cerca de 75% da capacidade máxima da coluna foi mantida após cinco ciclos de adsorção–eluição. Diante do exposto, a coluna de leito fixo empacotada com esferas recobertas com quitosana mostrou-se promissora na remoção de corantes de soluções aquosas.

The use of synthetic dyes in the food industry has been caused damages to the environment and human health. Chitosan can be immobilized in solid matrixes and applied to remove food dyes from aqueous solutions in fixed bed. To evaluate the dynamic behavior in a fixed bed column, the breakthrough curves are fundamental. These curves are dependent of the column geometry, operating conditions and equilibrium data. Then, this work aimed to study the immobilization of chitosan on glass beads and its application as dye adsorbent in a fixed bed column. In the immobilization study, the effects of chitosan concentration and cure method were evaluated. The immobilized chitosan on glass beads was employed for dyes adsorption in batch and continuous modes. Firstly, equilibrium adsorption studies were made in batch systems, and, the effects of cure method and deacetylation degree in the breakthrough curves were verified. After, breakthrough curves were constructed for different dyes and pH values, and, dynamic models were fitted with the experimental data. Then, response surface methodology (RSM) was applied to optimize the fixed bed adsorption as a function of bed height and inlet dye concentration. Finally, the bed regeneration was investigated. The results revealed that the physical and physicochemical cure methods, with chitosan concentration of 0.5% provided best results, where, 46% of chitosan immobilization was attained. Scanning electron microscopy showed that chitosan was successfully immobilized on the glass beads. The equilibrium curves were type V and the Sips model was suitable to represent the experimental data. The maximum adsorption capacities were 337 mg g–1, 286 mg g–1 and 200 mg g–1, for FD&C yellow 5, food yellow 3 and FD&C red 40, respectively. The physicochemical cure method and the deacetylation degree of 85% were adequate for the fixed bed adsorption. The maximum capacities of the column ranged from 13 a 108 mg g–1. Bed–depth–service–time, Thomas and Yoon–Nelson models were appropriate to represent the adsorption dynamic behavior. RSM analysis revealed that the optimal operating conditions for the fixed bed adsorption were bed height of 30 cm and inlet dye concentration of 50 mg L–1. In these conditions the breakthrough time was 88 min, the maximum capacity of the column was 108 mg g–1 and the percentage removal was 86%. It was found that the bed regeneration was possible, since 75% of the maximum capacity of the column was maintained after five adsorption–elution cycles. Based on the above mentioned, it can be affirmed that the column packed with chitosan immobilized on glass beads is an alternative way to removal synthetic dyes from aqueous solutions.