Soluções ambientalmente amigáveis para o tratamento de meios aquosos contendo corantes têxteis: zeólitas procedentes de resíduos e biomassa bacteriana

Abstract

A contaminação dos recursos hídricos por águas residuais poluídas com corantes é uma grande preocupação ambiental. No intento de contribuir com soluções para minimizar a depleção das fontes de água e a contaminação do meio ambiente, este estudo reporta a aplicação de tecnologias de tratamento ambientalmente amigáveis desenvolvidas a partir de fontes renováveis e sustentáveis, na descoloração de diferentes corantes têxteis, Índigo Carmim (IC) e Safranina-T (ST) como modelos de corante aniônico e catiônico, respectivamente. Para esse propósito foram utilizadas i) tecnologia de adsorção a partir de zeólitas adsorventes sintetizadas à base resíduos industriais e agrícolas como fontes de alumínio e silício e ii) biomassa bacteriana e tecnologia bioeletroquímica usando Célula de Combustível Microbiana (CCM). Na primeira etapa desta pesquisa, diferentes tipos de zeólitas altamente cristalinas, NaP, LTA e SOD, foram sintetizadas a partir da combinação exclusiva, pela primeira vez, dos resíduos de escórias salinas de alumínio e cinzas de casca de arroz (CCA) como matérias-primas não convencionais de baixo custo. As zeólitas foram obtidas mediante distintas condições experimentais de síntese hidrotermal e sol-gel, demonstrando seu papel fundamental no desenvolvimento e cristalização de fases específicas de zeólita. A zeólita NaP foi obtida por síntese hidrotermal e as zeólitas LTA e SOD via síntese sol-gel. Enquanto maiores concentrações de sódio resultaram na obtenção da zeólita SOD, a formação da zeólita LTA foi favorecida em temperaturas mais elevadas e tempos de envelhecimento prolongados. A aplicação da zeólita LTA à base de resíduos de alumínio como agente de tratamento neste estudo demonstrou sua elevada eficiência (>98%) e celeridade (<1 min) na descoloração do corante catiônico ST de soluções aquosas. Esses resultados foram superiores inclusive aos da zeólita LTA comercial, o que destaca suas excelentes propriedades adsorventes, representando uma alternativa promissora e sustentável ao uso de adsorventes produzidos a partir de reativos químicos comerciais. Além disso, o mecanismo de remoção identificado como sendo fisissorção, sugere interações fracas e reversíveis entre as moléculas do corante e a superfície da zeólita, permitindo regenerações sucessivas do material adsorvente via dessorção. Na segunda etapa do estudo, a remoção biológica bem-sucedida (>96%) do corante aniônico IC foi alcançada usando a cultura bacteriana Pseudomonas aeruginosa. Enquanto isso, na CCM de câmara única inoculada com lodo anaeróbio, o corante IC, embora tenha gerado maiores potenciais de bioeletricidade, teve um desempenho de descoloração aquém ao do corante ST, o qual superou notáveis 93% de eficiência de remoção. Os resultados evidenciaram o excelente desempenho das estratégias de tratamento empregadas, especialmente na eliminação do corante catiônico, destacando a grande influência da estrutura molecular e da natureza iônica desses poluentes nos processos de tratamento. A interação eletrostática das partículas negativamente carregadas das zeólitas e também da biomassa bacteriana com as cargas superficiais positivas do corante ST em solução possibilitaram a remoção via adsorção, enquanto a eliminação do corante IC só foi alcançada via biodegradação, devido ao seu caráter aniônico. O desenvolvimento e a aplicação dessas tecnologias emergentes e inovadoras representam um avanço para a área ambiental, oferecendo alternativas complementares aos métodos convencionais de tratamento e contribuindo para a preservação ambiental, a economia circular e a sustentabilidade.

Abstract: The contamination of water resources by dye-polluted wastewater is a major environmental concern. In an attempt to contribute to solutions to minimize the depletion of water sources and the environmental contamination, this study reports on the application of eco-friendly treatment technologies developed from renewable and sustainable sources, in the decolorization of different textile dyes, Indigo Carmine (IC) and Safranine-T (ST) as anionic and cationic dye models, respectively. For this purpose, i) adsorption technology using adsorbent zeolites synthesized from industrial and agricultural waste as sources of aluminum and silicon and ii) bacterial biomass and bioelectrochemical technology using the Microbial Fuel Cell (MFC) were used. In the first stage of this research, different types of highly crystalline zeolites, NaP, LTA and SOD, were synthesized from the exclusive combination, for the first time, of aluminum salt slag waste and rice husk ash (RHA) as unconventional, low-cost raw materials. The zeolites were obtained using different experimental conditions of hydrothermal and sol-gel synthesis, demonstrating their fundamental role in the development and crystallization of specific zeolite phases. The NaP zeolite was obtained by hydrothermal synthesis and the LTA and SOD zeolites via sol-gel synthesis. While higher sodium concentrations resulted in the SOD zeolite, the formation of the LTA zeolite was favored at higher temperatures and longer aging times. The application of LTA zeolite based on aluminum waste as a treatment agent in this study demonstrated its high efficiency (>98%) and speed (<1 min) in decolorizing the cationic dye ST from aqueous solutions. These results were even superior to those of commercial LTA zeolite, which highlights its excellent adsorbent properties, representing a promising and sustainable alternative to the use of adsorbents produced from commercial chemical reagents. In addition, the removal mechanism identified as physisorption suggests weak and reversible interactions between the dye molecules and the zeolite surface, allowing successive regenerations of the adsorbent material via desorption. In the second stage of the study, successful biological removal (>96%) of the anionic IC dye was achieved using the bacterial culture Pseudomonas aeruginosa. Meanwhile, in the single chamber MFC inoculated with anaerobic sludge, the IC dye, although it generated higher bioelectricity potentials, had a lower decolorization performance than the ST dye, which exceeded a remarkable 93% removal efficiency. The results showed the excellent performance of the treatment strategies employed, especially in the elimination of cationic dye, highlighting the great influence of the molecular structure and ionic nature of these pollutants on the treatment processes. The electrostatic interaction of the negatively charged particles of the zeolites and also of the bacterial biomass with the positive surface charges of the ST dye in solution enabled removal via adsorption, while elimination of the IC dye was only achieved via biodegradation, due to its anionic character. The development and application of these emerging and innovative technologies represents a breakthrough for the environmental field, offering complementary alternatives to conventional treatment methods and contributing to environmental preservation, the circular economy and sustainability.