Efeito do pH na remoção de Cd2+ em solução aquosa com ETS-4

Abstract

Os titanossilicatos microporosos têm sido reconhecidos recentemente pelas suas propriedades interessantes de adsorção e capacidade de permuta iónica, assim como a activação catalítica relativamente fácil. O objectivo deste trabalho é avaliar a capacidade do titanossilicato microporoso ETS-4 na remoção do ião Cd2+ de soluções aquosas, avaliando o seu potencial como agente descontaminante para águas e modelar o processo de permuta iónica. Para estudar o equilíbrio e a cinética do processo realizaram-se experiências em descontínuo em vaso agitado, contactando-se um volume de solução aquosa de Cd2+ com massas bem conhecidas de ETS-4. A evolução da concentração do cádmio com o tempo foi medida por espectrometria de massa com plasma acoplado indutivamente. O pH é uma variável fundamental em processos de permuta iónica e, neste trabalho, o seu efeito foi também estudado. Os resultados mostraram tendências previstas e revelaram que a remoção de Cd2+ é claramente mais eficaz para valores de pH à volta de 6.00-6.50. O ETS-4 exibe uma elevada capacidade de permuta iónica. Verificou-se que 12 horas são suficientes para remover 99.6% do catião de uma solução com concentração inicial de 3 3 0.82 10 kgm− − × , quando se utiliza 50.3 10 kg −6 × de ETS-4 a pH = 6.00 − 6.50 . No que respeita ao equilíbrio, a isotérmica de Langmuir-Freundlich fornece uma boa representação no intervalo de concentrações estudado. A capacidade de permuta iónica deste material supera significativamente os valores encontrados na literatura para outros materiais microporosos à mesma temperatura. O modelo baseado nas equações de Nernst-Planck e os modelos de pseudo 1ª ordem de Lagergren e pseudo 2ª ordem foram adoptados para traduzir os resultados experimentais. O primeiro modelo combina resistências de difusão interna e externa, sendo as autodifusividades dos contra-iões Cd2+ e Na+ os únicos parâmetros envolvidos. As equações diferenciais ordinárias resultantes foram resolvidas numericamente usando o método das linhas e integradas por diferenças finitas. O modelo de Nernst-Planck foi o que forneceu os melhores resultados, originando um desvio absoluto médio de 17.22%.

ABSTRACT: Crystalline microporous titanosilicates have been recently recognized by their interesting adsorption properties and ion exchange capability, as well as relatively easy catalytic activation. The aim of this work is to evaluate the ability of microporous titanosilicate ETS-4 to uptake the Cd2+ ion from aqueous solutions, assessing their potential as decontaminating agents for waters and model the ion-exchange process. In order to study the equilibrium and the kinetics of the process, batch stirred tank experiments have been carried out by contacting a fixed volume of solution with known masses of ETS-4.The evolution of the cadmium concentration with time has been monitored by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry. pH is an important variable in ion-exchange processes, hence its effect has been also studied. Results have shown expected trends, and revealed that Cd2+ uptake is clearly more effective at pH values around 6.00-6.50. ETS-4 exhibits a large ion exchange capacity, and 12 hours are sufficient to remove 99.6% of Cd2+ from a solution with initial concentration 3 3 0.82 10 kgm− − × when 50.3 10 kg −6 × of ETS-4 is used, pH = 6.00 − 6.50 . With respect to equilibrium, Langmuir-Freundlich isotherm provides good representation in the range of experimental conditions studied. The solid loadings measured in this essay surmount significantly other values found in the literature for different ion exchangers in the same range of temperatures. The Nernst-Planck, the pseudo first-order Lagergren and pseudo second-order kinetic models have been adopted for comparison. The mathematical model based on the Nernst-Planck equations combines internal and external diffusion resistances; the convective mass transfer coefficient and the self-diffusivities of the counter ions Cd2+ and Na+ are the unique parameters. The resulting ordinary differential equations have been solved numerically using the method of lines and integrated by the finite-differences method. The Nernst-Planck based model produced the best results, giving rise to an absolute average deviation of 17.22%.