Avaliação da existência de microplásticos nos efluentes de estações de tratamentode águas residuais: caracterização dos microplásticos e abordagens verdes para a sua remoção

Abstract

Desde 1907, com o desenvolvimento do primeiro plástico, estes ganharam grande relevância no nosso quotidiano tendo aplicação em diversas áreas. No entanto, apesar das excelentes propriedades apresentadas, os plásticos são materiais que apresentam um enorme potencial de poluição para o meio ambiente, dada a sua baixa biodegradabilidade. Este risco de poluição é altamente potenciado pelo mau uso dado pelo ser humano, e também pela falta de cultura de reutilização e reciclagem, que apenas agora começam a ser implementadas. A excessiva utilização dos plásticos, que posteriormente, por fragmentação formam microplásticos (MPs), levou a uma exponencial contaminação dos meios aquáticos e dos solos, sendo hoje um problema crescente para a sociedade. De modo a perceber a dimensão da contaminação por MPs foram analisados efluentes de uma indústria têxtil nacional e de uma estação de tratamento de águas residuais (ETAR) municipal, de modo a verificar a presença destes contaminantes. Tanto o efluente têxtil como o efluente da ETAR municipal foram recolhidos em estações de tratamento que permitiam a recolha antes e após o tratamento. Assim foi possível efetuar uma estimativa da eficácia dos processos das ETARs para reter/remover MPs dos efluentes. Os efluentes foram caracterizados por espetroscopia de difração a laser (LDS), revelando a existência de partículas com uma gama de tamanhos muito alargada, desde poucos mícrones até cerca de 2 mm. A extração de MPs dos efluentes envolveu um pré-tratamento com diversas etapas, com o objetivo de remover a matéria orgânica, inorgânica e biológica que pudesse estar presente nos efluentes e aderida à superfície dos MPs. Em seguida as partículas de MPs foram recolhidas através de uma filtração, num sistema de filtração a vácuo. As partículas de MPs obtidos após extração foram observados por microscopia ótica e microscopia de fluorescência, utilizando o pireno como cromóforo. Foi possível verificar a existência de PET em ambos os efluentes, e ainda poliamida no efluente da indústria têxtil, bem como observar as dimensões e morfologia dos MPs. A análise FTIR-ATR foi de encontro ao observado na microscopia de fluorescência, confirmando a presença de PET e poliamida para a indústria têxtil, e PET no efluente da ETAR municipal. Foi ainda verificada uma eficácia do tratamento aplicado na ETAR da indústria têxtil de 54.1%, e de 70.7% na ETAR municipal na remoção/retenção de MPs.De modo a ser possível identificar as principais propriedades dos MPs provenientes dos plásticos de maior utilização como o polietileno (PE), polipropileno (PP), polietileno tereftalato (PET), policloreto de vinilo (PVC) e poliuretano (PU) foram preparadas micropartículas destes plásticos, obtidos de amostras de plástico não sujeito a qualquer processamento (pellet), e efetuada uma caracterização das suas propriedades mais relevantes através de FTIR-ATR, RMN, potencial zeta e termogravimetria. Este estudo teve dois principais objetivos. Primeiro, obter informação pertinente que permita uma análise mais aprofundada dos efluentes com base na informação retirada, por comparação dos destes dados com os obtidos nas diferentes técnicas para a análise dos efluentes, e segundo, perceber qual a proveniência da carga negativa observada nos MPs, que é um fator relevante na interação destas micropartículas com agentes floculantes para sua remoção. Assim, foi efetuado um estudo em função do pH para suspensões de diferentes micropartículas de plásticos padrão, tendo sido possível verificar que para valores de pH mais alcalinos a carga superficial das micropartículas dos diferentes plásticos era maior, em valor absoluto, e para pHs ácidos a carga era próxima de zero ou até ligeiramente positiva. As análises termogravimétricas permitiram perceber que os plásticos estudados não serão totalmente puros. A ressonância magnética nuclear realizada a micropartículas de PET (obtidas do pellet) e de uma garrafa de PET, indicaram que o tratamento térmico aplicado durante o processo de preparação das garrafas provoca uma degradação durante o processo de injeção a sopro, levando ao aparecimento de compostos provenientes dessa degradação, como é o exemplo do pico observado no espetro de 13C RMN da garrafa de PET, a cerca de 171 ppm, atribuído a um ácido carboxílico, proveniente da degradação do PET.Por fim, os ensaios de floculação, realizados com micropartículas de PE como modelo, escolhidas pelo elevado valor absoluto de potencial zeta e com maior potencial para interagir com floculantes de carga oposta, possibilitaram averiguar que é possível utilizar biopolímeros derivados da celulose como uma solução sustentável e eficaz na remoção de MPs dos efluentes. A velocidade de rotação, o tamanho da partícula e a concentração do floculante provaram ser parâmetros importantes para uma boa floculação.

Since 1907, with the development of the first plastic, these have gained great relevance in our daily tendon application in several areas. However, despite the excellent properties, these plastics present great pollution potential for the environment, due to its lower biodegradability. Thus, the associated environmental pollution risk is huge, much due to human misuse, lack of culture of reuse and recycling, which are only now beginning to be implemented. The excessive use of plastics, which later by fragmentation forms microplastics (MPs), led to an exponential contamination of aquatic environments and soils. and today is a growing problem for society. In order to understand the extent of MPs contamination, effluents from a textile industry and from a municipal wastewater treatment plant (WWTP) were analysed to verify the presence of these contaminants. Both the effluents were collected from WWTPs which allow the collection of the samples before and after treatment. Thus, it was possible estimating the effectiveness of the WWTP processes to retain/remove MPs from the effluents. The effluents were characterized by laser diffraction spectroscopy (LDS) and revealed the existence of particles with a wide size range, from few microns up to about 2 mm. The extraction of MPs from the effluents involved a pre-treatment with several steps, in order to remove organic, inorganic and biological matter that may be present in the effluents and adhered to the surface of the MPs. Then, the MPs particles were collected through filtration, in a vacuum filtration system. The MP particles obtained after extraction were observed by optical and fluorescence microscopy, using the pyrene as chromophore. It was possible to verify the presence of PET in both the effluents, and polyamide in the textile industry effluent, as well observe the dimensions and morphology of the MPs. The FTIR-ATR analysis was in line with the observed in fluorescence microscopy, confirming the presence of PET and polyamide for the textile industry effluent and PET in the effluent in the municipal WWTP. The treatment applied in the textile industry WWTP showed an efficiency of 54.1% for the removal of MPs, while the municipal wastewater treatment plant was able to remove about 70.7% of MPs from the effluent. To identify the main properties of the MPs from standard plastics with higher use such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyvinyl chloride (PVC) and polyurethane (PU), were prepared microparticles form pellets of those plastics, without any processing, and performed a wide characterization though FTIR-ATR, NMR, zeta potential and thermogravimetry. This study was made with two main proposes. First, obtain relevant information that allows the accurate identification of MPs based on the obtained information, by comparing the data of the effluents with the results obtained, and second, understand the origin of the negative charge of the MPs, which is a relevant parameter for the interaction of the plastic microparticles with the flocculants of opposite charge. The study of zeta potential as a function of pH was carried out for suspensions of different microparticles of standard plastics; it was possible to verify that for more alkaline pH values the surface charge of the microparticles of the different plastics was higher, in absolute value, and for acidic pHs values the charge was close to zero or even slightly positive. The thermogravimetric analyses made it possible to realize that the plastics that were studied would not be totally pure. Nuclear magnetic resonance performed on PET (obtained from the pellet) and the PET bottle indicated that exists a thermal degradation in the blow injection process for bottle production, which resulted in the appearance of a peak in the 13C NMR spectrum, at about 171 ppm, attributed to a carboxylic acid, from the degradation of PET.Finally, the flocculation tests, performed with PE as model MP chosen due to its high zeta potential, which allows a strong interaction with the opposite charge flocculants, made it possible to verify that it is possible to use cellulose-derived biopolymers as a sustainable and effective solution for removing MPs from effluents. The rotation speed, the particle size and the concentration of the flocculant proved to be important parameters for a good flocculation.