Recuperação de fósforo de efluentes líquidos por processos de adsorção

Abstract

Phosphorus scarcity has become a central problem in the European Union in the 21st Century. Phosphorus recovery is a key issue because this element is a macronutrient for several physiologic and biochemical process. Besides, it is irreplaceable in fertilizers area.This work aims to evaluate the feasibility of recovery phosphorus by adsorption processes in batch and fixed-bed column, using thermal modified industrial waste (eggshell) as adsorbent.The screening phase revealed that calcined eggshell at 700 ºC (CES700) is the best bio-adsorbent. In a preliminary evaluation, for a pH solution of 8 and a concentration of 100 mg/L, a removal of P-PO4 of 96,1% was obtained. This material was characterized in relation to the specific area, pore volume, zero-point charge pH, total dissolved solids and organic matter. Moreover, XRD spectra, SEM-EDS images and thermogravimetric analysis were used to assess specific properties.For the batch process, the influence of pH and adsorbent dosage were investigated. In addition, adsorption isotherm was determined, and kinetic studies were carried out. Langmuir-Freundlich model shows the best fitting to the experimental data and the maximal adsorption capacity for CES700 was 39,0 mg P-PO4/g. The adsorption process is controlled by a pseudo-first order kinetic with constants between 0,063 and 0,122 min-1.In fixed-bed studies, the maximum saturated bed fraction in the rupture point (FLS) was 0,40 for a feed concentration (C0) of 100 mg/L, a bed height (H) of 5 cm and a superficial speed (u0) of 2,83 cm/min was used. For the same H and C0, it is possible to minimize the difference between rupture time and exhaustion time for a superficial speed of 5,66 cm/min. For the same H and u0, column saturation is faster for a greater C0. Yoon-Nelson, Thomas and Bohard-Adams models properly adjust the saturation curves, with values of R2 equal or greater than 0,98.From germination tests, it was possible to conclude that CES700 with adsorbed phosphorus brings to a germination index of 120 and 124% to 48 and 72h, respectively. This material is statistically better than the others tested, which opens the possibility of use it as fertilizer.This study showed that the developed bio-adsorbent can be applied in batch and fixed-bed processes to recover phosphorus in the phosphate form from liquid effluents, and the adsorbent may be further used as fertilizer.

A escassez de fósforo tornou-se um problema central na União Europeia no Século XXI. A sua recuperação é da maior importância, tendo em conta que o fósforo é considerado um macronutriente para vários processos fisiológicos e bioquímicos, sendo insubstituível na área dos fertilizantes.Este trabalho tem como principal objetivo avaliar a viabilidade da recuperação de fósforo através de processos de adsorção em descontínuo e em coluna de leito fixo com recurso a um resíduo in-dustrial (casca de ovo) modificado termicamente.Com base em testes iniciais, a casca de ovo calcinada a 700 ºC (CES700) foi a opção escolhida por apresentar melhor desempenho como bioadsorvente. De facto, na avaliação preliminar, foi pos-sível verificar que para pH 8 e concentração de 100 mg/L, a remoção observada de P-PO4 foi de 96,1%. Este material foi caracterizado relativamente à área específica, ao volume de poros, pH de ponto de carga zero, aos sólidos totais dissolvidos e à matéria orgânica, bem como com recurso a XRD, SEM-EDS e análise termogravimétricaPara o processo em descontínuo, foi avaliada a influência do pH e da dose de adsorvente. Para além disso, foi determinada a isotérmica de adsorção e realizados estudos cinéticos. O modelo de Langmuir-Freundlich foi o que apresentou o melhor ajuste aos dados experimentais de equilíbrio e a capacidade máxima do CES700 foi de 39,0 mg P-PO4/g. O processo de adsorção é controlado por uma cinética de pseudo-primeira ordem com constantes entre 0,063 e 0,122 min-1.Para os estudos em coluna de leito fixo, para uma concentração de alimentação (C0) de 100 mg/L, o valor máximo de fração de leito saturado no ponto de rutura (FLS) obtido foi de 0,40 para uma altura de leito (H) de 5 cm e uma velocidade superficial (u0) de 2,83 cm/min. Para a mesma C0 e H, foi possível minimizar a diferença entre o tempo de rutura e o tempo de exaustão para uma u0 de 5,66 cm/min. Mantendo H e u0, o aumento da C0 conduziu a uma saturação mais rápida da coluna. As curvas de rutura foram bem ajustadas através dos modelos de Yoon-Nelson, Thomas e Bohard-Adams, com R2 iguais ou superiores a 0,98.Em relação aos testes de germinação, concluiu-se que o adsorvente CES700 com fósforo adsor-vido conduziu a índices de germinação de 120 e 124% para 48 e 72 h, respetivamente, sendo este material estatisticamente melhor do que os outros usados como termo de comparação. Assim, os resultados obtidos reforçam a possibilidade de utilizar a casca de ovo com fósforo adsorvido dire-tamente como fertilizante.Após todos os estudos realizados, foi possível concluir que o bioadsorvente desenvolvido pode ser aplicado em processos em descontínuo e em coluna com o objetivo de recuperar fósforo, na forma de fosfato, de efluentes líquidos. Para além disso, o adsorvente com fosfato indicia boas características como fertilizante.