Acid attack followed by calcination treatment as a strategy for the development of porous geopolymers applied to the adsorption of azo dyes

Abstract

Os geopolímeros (GP) são materiais versáteis, inicialmente desenvolvidos para ter alta resistência e densidade, sendo aplicados na área da construção civil. No entanto, o GP possui intrinsecamente micro e mesoporos, logo percebeu-se que esses materiais poderiam ser usados na área ambiental, especialmente no tratamento de efluentes. Logo, iniciaram-se estudos para tornar os GPs mais porosos e com maior área específica, possibilitando aplicação em processo de separação por adsorção e membranas. Assim, essa dissertação visou estudar métodos para modificar geopolímeros, melhorando as propriedades e características essenciais a um bom adsorvente. Como estratégia, a concentração de ácido H2SO4 (0-30%) e temperatura de calcinação (200-600 °C) foram empregados e avaliados por meio de um planejamento experimental (DCCR). Em condições otimizadas para modificação do GP observou-se que o contanto com 15% H2SO4 seguido de calcinação a 200°C resultaram na remoção de cerca de 98% do corante vermelho direto 28 (DR28) e capacidade de adsorção (qe) de 40 mg g-1. Para entender o efeito das modificações causadas pelo ácido e a temperatura, os geopolímeros foram caracterizados quanto aos grupos funcionais superficiais (FTIR), composição mineralógica (DRX), morfologia (MEV), composição química (EDS) e características físicas (BET/BJH). Os estudos cinéticos demonstram bom ajuste ao modelo de Elovich e remoções do DR28 próximas a 100%. As isotermas de adsorção sugerem que o modelo de Sips representa os dados, observando qe = 109 mg g-1 em 50 °C. O GP modificado teve incremento de 35% no qe e remoção de cor após a regeneração, se mantendo por 3 ciclos. A seletividade demonstra maior afinidade para o corante direto, seguido do ácido, reativo e disperso. A partir desses resultados, percebe-se que as modificações foram eficientes para tornar o GP um bom adsorvente aplicado a adsorção de azo corantes.

Abstract: Geopolymers (GP) are versatile materials initially developed to have high strength and density, being applied in the field of civil construction. However, GP intrinsically has micro and mesopores, so it was realized that these materials could be used in the environmental area, especially in the treatment of effluents. Soon, studies began to make the GPs more porous and with a larger specific area, allowing application in separation processes by adsorption and membranes. Thus, this dissertation aimed to study methods to modify the geopolymers, improving the essential properties and characteristics of a good adsorbent. As a strategy, the H2SO4 acid concentration (0-30%) and calcination temperature (200-600°C) were employed and evaluated through an experimental design (DCCR). Under optimized conditions for GP modification, it was observed that the contact with 15% H2SO4 followed by calcination at 200°C resulted in removal of about 98% of the direct red dye 28 (DR28) and adsorption capacity (qe) of 40 mg g-1. To understand the effect of changes caused by acid and temperature, geopolymers were characterized by surface functional groups (FTIR), mineralogical composition (DRX), morphology (SEM), chemical composition (EDS) and physical characteristics (BET/BJH). Kinetic studies demonstrate a good fit to the Elovich model and DR28 removals close to 100%. The adsorption isotherms suggest that the Sips model represents the data, noting qe = 109 mg g-1 at 50 °C. The modified GP had a 35% increase in qe and color removal after regeneration, maintained for 3 cycles. The selectivity demonstrates a greater affinity for the direct dye, followed by acid, reactive, and disperse. From these results, it can be seen that the modifications were efficient to make GP a good adsorbent applied to the adsorption of azo dyes.