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i
Universidade Federal de Ouro Preto
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental
Mestrado em Engenharia Ambiental
PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE CARVÃO ATIVADO
OBTIDO A PARTIR DA BORRACHA DE PNEU E AVALIAÇÃO DA
EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DE SAXITOXINAS
Rodrigo Matias de Sousa Resende
OURO PRETO, MG
2011
ii
Universidade Federal de Ouro Preto
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental
Mestrado em Engenharia Ambiental
Rodrigo Matias de Sousa Resende
“PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE CARVÃO ATIVADO
OBTIDO A PARTIR DA BORRACHA DE PNEU E AVALIAÇÃO DA
EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DE SAXITOXINAS”
Orientador: Prof. Dr. José Fernando de Paiva
OURO PRETO, MG
2011
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Ambiental,
Universidade Federal de Ouro Preto, como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do
título: “Mestre em Engenharia Ambiental; Área de
concentração: Tecnologias Ambientais”
iii
Catalogação: [email protected]
R433p Resende, Rodrigo Matias de Sousa.
Produção e caracterização de carvão ativado obtido a partir da borracha de pneu e avaliação da eficiência de remoção de saxitoxinas [manuscrito] / Rodrigo Matias de Sousa Resende - 2011.
xiv, 77f. : il., color.; graf.; tabs. Orientador: Prof. Dr. José Fernando de Paiva. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Instituto
de Ciências Exatas e Biológicas. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental.
Área de concentração: Tecnologias Ambientais.
1. Cianobactérias - Cianotoxinas - Saxitoxinas - Teses. 2. Carvão ativado - Teses. 3. Adsorção - Teses. 4. Pneus - Reciclagem - Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
iv
v
Agradecimentos
Agradeço a todos que contribuíram para a conclusão deste projeto:
A minha família, em especial aos meus pais Júlio e Dina, ao meu irmão Bruno e à minha
avó Ana, por todo o carinho, apoio e incentivo.
Ao prof. José Fernando de Paiva pela orientação, amizade e confiança no projeto
desenvolvido.
A COPASA pelo convênio de cooperação técnica, em especial à equipe do SHB: Fernando
Antônio Jardim, Patrícia Galinari e Simone Cavalieri pelo agradável convívio, apoio e
disponibilidade.
Ao Adílson Moreira, SAO/COPASA, pela identificação e quantificação da toxina isolada.
A empresa LUMA PNEUS pelo fornecimento da matéria prima utilizada.
A profa. Gilmare Antônia da Silva pela atenção e auxílio no planejamento de produção dos
carvões ativados.
A profa. Katia Novack pela análise térmica da matéria prima.
A equipe do MicroLab/UFOP pela execução dos ensaios de microscopia eletrônica de
varredura.
Ao Graciliano, DEMET/UFOP, pela disponibilidade na execução das análises de área
superficial específica.
Ao prof. Milton Andrade pela utilização do laboratório para execução dos ensaios de
adsorção.
Aos amigos do ProAmb e de BH pelos bons momentos!
A UFOP / ProAmb pela oportunidade.
vi
Dedico aos meus queridos pais, Júlio e Dina.
vii
Sumário
Lista de Figuras ..................................................................................................................... ix
Lista de Tabelas ..................................................................................................................... xi
Lista de Notações.................................................................................................................. xii
Resumo ................................................................................................................................ xiii
Abstract ................................................................................................................................ xiv
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 1
2. REVISÃO DE LITERATURA .......................................................................................... 5
2.1. Características gerais das cianobactérias ..................................................................... 5
2.1.1. Espécie Cylindrospermopsis raciborskii .............................................................. 8
2.1.2. Relatos de ocorrência de florações ..................................................................... 10
2.2. Cianotoxinas .............................................................................................................. 12
2.2.1. Neurotoxinas ....................................................................................................... 13
2.2.2. Legislação aplicada............................................................................................. 17
2.3. Carvão ativado ........................................................................................................... 18
2.4. Produção do carvão ativado ....................................................................................... 20
2.5. Utilização de carvão ativado na remoção de saxitoxinas .......................................... 22
2.6. Teoria e isoterma da adsorção ................................................................................... 23
2.6.1. Modelo de Langmuir .......................................................................................... 25
2.6.2. Modelo de Freundlich ......................................................................................... 25
2.7. Borracha de pneu ....................................................................................................... 26
2.7.1. Composição e análise elementar......................................................................... 26
3. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................. 30
viii
3.1. Cultivo das cianobactérias, extração e purificação da saxitoxina ............................. 30
3.2. Produção do carvão ativado ....................................................................................... 33
3.3. Caracterização do carvão ativado .............................................................................. 35
3.3.1. Área superficial específica.................................................................................. 35
3.3.2. Microscopia eletrônica de varredura .................................................................. 36
3.3.3. Análise térmica ................................................................................................... 36
3.3.4. Avaliação da influência do carvão no pH da água ............................................. 36
3.4. Análise cromatográfica .............................................................................................. 37
3.5. Ensaios de adsorção de saxitoxinas ........................................................................... 37
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................................................... 39
4.1. Cultivo e quantificação da espécie Cylindrospermopsis raciborskii ......................... 39
4.2. Análise cromatográfica .............................................................................................. 40
4.3. Caracterização do carvão ativado .............................................................................. 42
4.3.1. Área superficial específica.................................................................................. 42
4.3.2. Microscopia eletrônica de varredura .................................................................. 49
4.3.3. Análise térmica da matéria prima ....................................................................... 51
4.3.4. Avaliação da influência do carvão no pH da água ............................................. 53
4.4. Ensaios de adsorção de saxitoxinas ........................................................................... 55
4.4.1. Aplicação dos modelos de isotermas de adsorção .............................................. 57
5. CONCLUSÕES ................................................................................................................ 60
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................................ 61
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 62
ix
Lista de Figuras
Figura 2.1. Gêneros de cianobactérias potencialmente tóxicas...............................................7
Figura 2.2. Filamento de Cylindrospermospsis raciborskii....................................................8
Figura 2.3. Floração no Rio das Velhas, cidade de Várzea da Palma-MG...........................11
Figura 2.4. Estrutura química das neurotoxinas de cianobactérias de água doce.................14
Figura 2.5. Estrutura química das saxitoxinas (Paralytic Shellfish Poisoning - (PSPs))......15
Figura 3.1. Banho metabólico utilizado para realização do cultivo celular da espécie Cylindrospermopsis raciborskii............................................................................................32
Figura 3.2. Concentração das células cultivadas: (A) Filtração à vácuo do cultivo algal (B) Filtros pós filtração com material celular retido...................................................................33
Figura 3.3. (A) Liofilização do material celular retido nos filtros (B) Procedimento para extração da cianotoxina intracelular em almofariz utilizando-se ácido acético 0,005M......33
Figura 4.1. Fotografias dos filamentos algais do cultivo da espécie Cylindrospermopsis raciborskii.............................................................................................................................40
Figura 4.2. Análise quantitativa de células versus número de semanas de cultivo...............41
Figura 4.3. Cromatograma do extrato proveniente do cultivo da espécie Cylindrospermopsis raciborskii. Fase estacionária C18. Fase móvel com solução tampão de fosfato com 6% de acetonitrila, sob fluxo de 0,8 mL/min. Detector de Fluorescência, λex = 330nm, λem = 390nm...........................................................................................................42
Figura 4.4. Cromatograma do padrão misto Neosaxitoxina-saxitoxina. Fase estacionária C18. Fase móvel com solução tampão de fosfato com 6% de acetonitrila, sob fluxo de 0,8 mL/min. Detector de Fluorescência, λex = 330nm, λem = 390nm.......................................42
Figura 4.5. Curva de calibração para a Neosaxitoxina..........................................................43
Figura 4.6. Correlação entre valores estimados e observados referentes à área superficial específica dos CA’s produzidos............................................................................................45
Figura 4.7. Gráfico de probabilidade normal do planejamento fatorial completo 23 realizado para estudo do processo de produção dos CA’s....................................................................46
x
Figura 4.8. Influência do fluxo de CO2 na ASE...........................................,........................46
Figura 4.9. Influência da temperatura de ativação na ASE...................................................47
Figura 4.10. Influência do tempo de reação na ASE.............................................................47
Figura 4.11. Distribuição do volume de poros dos CAP’s produzidos.................................48
Figura 4.12. Correlação entre ASE e burn-off......................................................................49
Figura 4.13. Correlação entre ASE e rendimento dos CA....................................................49
Figura 4.14. Fotografia da amostra PIRO com aumento de 230 vezes.................................51
Figura 4.15. Fotografia da amostra CAP I com aumento de 200 vezes................................51
Figura 4.16. Fotografia da amostra CAP VIII com aumento de 230 vezes..........................52
Figura 4.17. Análise termogravimétrica da matéria prima, sob fluxo de 100 mL/min de N2, faixa de temperatura analisada de 10 a 1100oC e taxa de aquecimento de 10oC/min...........53
Figura 4.18. pH da suspensão de carvão versus tempo a partir da formação da suspensão. Primeiro contato carvão-água após a produção do carvão....................................................55
Figura 4.19. pH da suspensão de carvão já usado no primeiro contato versus tempo. Carvão préviamente seco em estufa..................................................................................................55
Figura 4.20. Curva de calibração para NeoSTX utilizada nos ensaios de adsorção.............56
Figura 4.21. Concentração no equilíbrio versus dosagens de carvão...................................57
Figura 4.22. Eficiência de remoção de NeoSTX em diferentes concentrações de adsorvente.............................................................................................................................57
Figura 4.23. Aplicação da equação de Freundlich aos resultados obtidos............................59
Figura 4.24. Aplicação da equação de Langmuir aos resultados obtidos.............................59
xi
Lista de Tabelas
Tabela 2.1. Ocorrência da espécie Cylindrospermopsis raciborskii em reservatórios de diversos estados brasileiros e no Distrito Federal...................................................................9
Tabela 2.2. Análogos de saxitoxinas produzidas por cianobactérias de água doce..............16
Tabela 2.3. Valores de referência para metabólitos de cianobactérias em µg/L.......................................................................................................................................17
Tabela 2.4: Produção de carvão ativado a partir da pirólise da borracha de pneu, em diferentes condições..............................................................................................................21
Tabela 2.5: Componentes utilizados na fabricação da borracha de pneu..............................27
Tabela 2.6: Análise elementar do pneu inservível................................................................27
Tabela 3.1: Planejamento fatorial completo 23 para o estudo do processo de ativação para produção dos CA’s................................................................................................................36
Tabela 4.1: Características dos carvões produzidos de acordo com as designações do planejamento fatorial completo 23........................................................................................44
xii
Lista de Notações
nm - nanômetros
µm – micrômetros
µL – microlitros
µg - microgramas
ŋ - rendimento
ASE – área superficial específica
ATX-a - anatoxina-a
BET – Brunauer, Emmett, Teller
BO – burn-off
CA – carvão ativado
CAG – carvão ativado granulado
CAP – carvão ativado em pó
CLP - cilindrospermopsina
COPASA – Companhia de Saneamento de Minas Gerais
IUPAC – International Union of Pure and Applied Chemistry
LPS – lipopolissacarídeo
MCTY - microcistina
MEV – microscopia eletrônica de varredura
MLR – regressão linear múltipla
OMS – Organização Mundial da Saúde
pH – potencial hidrogeniônico
rpm – rotações por minuto
SAO – setor de análises orgânicas
STX - saxitoxina
SHB – setor de hidrobiologia
TGA – análise termogravimétrica
UV – ultra violeta
VPM – valor máximo permitido
xiii
Resumo
As cianobactérias constituem o maior e mais diverso grupo de micro-organismos
procarióticos, sendo um dos componentes naturais da comunidade fitoplanctônica de
qualquer ecossistema aquático, entretanto, a produção de cianotoxinas por estes micro-
organismos é um fato de relevante preocupação em termos de saúde pública devido à
potencialidade destes compostos. A remoção de cianotoxinas durante as etapas do
tratamento convencional da água para consumo humano não é satisfatória, sendo assim
necessária a adoção de técnicas complementares visando um efluente que atenda o padrão
de potabilidade vigente e que não ofereça riscos à população consumidora. Dentre as
técnicas mais comumente utilizadas está a adsorção por carvão ativado. Este material pode
ser obtido, basicamente, de qualquer precursor rico em carbono, sendo que as propriedades
do produto final dependerão da natureza da matéria prima, do agente ativante utilizado e
das condições do processo de carbonização e ativação. O presente trabalho, desenvolvido
em escala de bancada, apresenta a avaliação da eficiência de remoção de saxitoxinas
utilizando-se carvão ativado produzido a partir da borracha de pneu. O processo de
produção do carvão ativado foi realizado de acordo com o planejamento fatorial completo
(23), sendo o tempo de reação, temperatura de ativação e fluxo de CO2 as variáveis
utilizadas. A caracterização do carvão ativado produzido foi realizada através da análise
térmica da matéria prima in natura, das fotografias em microscopia eletrônica de varredura
e da análise da área superficial específica. Através do planejamento experimental adotado
para produção dos carvões, foi demonstrada que a variável com maior influência na área
superficial específica, cujo valor máximo foi de 598,7 m2/g, é a temperatura de ativação. Os
ensaios de adsorção realizados demonstraram que o processo segue o modelo de
Freundlich, com uma capacidade de adsorção de 13,187 mg/g. Obteve-se uma eficiência
máxima de remoção de saxitoxinas solúveis de 75% para uma dosagem de 3 mg/L.
.
Palavras-chave: Cianotoxinas, Saxitoxinas, Carvão Ativado, Adsorção, Borracha de Pneu
xiv
Abstract
Cyanobacteria are the largest and most diverse group of prokaryotic microorganisms, is a
natural component of the phytoplankton community of any aquatic ecosystem, however,
the production of cyanotoxins by these microorganisms is an important fact that concern for
public health due to the potential of these compounds. The removal of cyanotoxins through
the steps of conventional treatment of drinking water is not satisfactory and therefore
require the adoption of complementary techniques aimed at an effluent that meets potability
standards in force and that does not offer risks to the consumer population. Among the
techniques most commonly used is activated carbon adsorption. This material can be
obtained, basically, any carbon-rich precursor, and the final product properties depend on
the nature of raw material, the activating agent used and the conditions of the process of
carbonization and activation. This work, carried out bench scale, presents the evaluation of
removal efficiency of saxitoxin using activated carbon made from tire rubber. The
production process of activated carbon was carried out according to the complete factorial
design (23), and the reaction time, activation temperature and CO2 flow variables used. The
characterization of activated carbon produced was performed by thermal analysis of raw
materials in nature, photographs of scanning electron microscopy and analysis of specific
surface area. Through the experimental design adopted for production of coal has been
demonstrated that the variable with greatest influence on the specific surface area, whose
maximum value was 598.7 m2/g, is the activation temperature. The tests performed showed
that the adsorption process follows Freundlich’s model, with an adsorption capacity of
13.187 mg/g. We obtained a maximum efficiency of removal of soluble saxitoxin from
75% to a dosage of 3 mg/L.
Key-words: Cyanotoxins, Saxitoxin, Activated Carbon, Adsorption, Rubber Tire
1
1. INTRODUÇÃO
O crescimento econômico e demográfico provoca diversos impactos ao meio
ambiente, em especial nos recursos hídricos, devido aos seus múltiplos usos decorrentes das
atividades humanas. Dentre os fatores que alteram as características físico-químicas e
biológicas destes ecossistemas, destaca-se o aumento na concentração de nutrientes
provenientes do lançamento de efluentes domésticos, industriais e de regiões agricultáveis
sem o devido tratamento, provocando assim, a intensificação dos processos naturais de
produção biológica em rios, lagos e reservatórios. Este processo, denominado eutrofização
artificial, provoca alterações diretas na qualidade da água, incluindo a redução do oxigênio
dissolvido, a perda das qualidades cênicas, a morte excessiva de peixes e o aumento na
incidência de florações de microalgas e cianobactérias potencialmente tóxicas (Azevedo &
Brandão, 2003).
Dentre os principais gêneros de cianobactérias identificados relacionados a relatos
de florações, destacam-se Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon, Oscilatoria
(Planktothrix), Lyngbya e Cylindrospermopsis (Van Apeldoorn et al.,2007). No entanto, no
Brasil, nos últimos anos, observou-se a maior ocorrência das espécies Microcystis
aeruginosa e Cylindrospermopsis raciborskii nas águas de reservatórios e mananciais de
diferentes regiões no país (Sant´anna et al., 2000; 2008; Bittencourt-Oliveira et al., 2003).
A presença de cianobactérias nos mananciais utilizados para abastecimento público
provoca consequências negativas na eficiência e investimentos necessários ao processo de
tratamento de água para consumo humano, devido à presença de sabor e odor, além da
colmatação dos filtros das estações de tratamento, entretanto, o principal problema
relacionado às florações está na capacidade destes micro-organismos em biossintetizar e
liberar toxinas para o meio líquido (Bevilacqua et al., 2009; Gomes, 2008).
Entre as principais toxinas produzidas pelas cianobactérias, destacam-se as
neurotoxinas (anatoxina-a, homoanatoxina-a, anatoxina-a(s) e saxitoxinas) e as
hepatotoxinas (microcistinas, nodularina e cilindrospermopsina), que são conhecidas por
causar sérios danos à saúde humana e animal, e também por serem de difícil remoção /
2
inativação durante o processo de tratamento de águas de abastecimento (Sivonen & Jones,
1999).
O tratamento convencional da água para consumo humano que consiste na
clarificação com utilização de coagulação e/ou flotação, seguida de desinfecção e correção
de pH (Conama 357, 2005), é eficiente na remoção de células viáveis (intactas) de
cianobactérias (cianotoxina intracelular), entretanto, diversos estudos demonstram que o
mesmo não é eficaz na remoção de cianotoxinas dissolvidas (extracelulares), pois os
coagulantes usualmente utilizados, tais como sulfato de alumínio, são ineficazes em relação
à desestabilização e precipitação destes compostos (Himberg et al.,1989; Chorus &
Bartram, 1999; Chow et al., 1999, Newcombe, 2009).
No Brasil, o padrão de potabilidade da água é regulamentado pela portaria no 518
do Ministério da Saúde (2004), que estabelece os procedimentos e responsabilidades
relativos ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão
de potabilidade, tornando obrigatório o monitoramento de cianobactérias e cianotoxinas nos
mananciais utilizados para o abastecimento público no país. O valor máximo permitido
(VMP) estabelecido para microcistinas é de 1 µg/L, sendo aceitável até 10 µg/L em três
amostras, consecutivas ou não, no período de 12 meses. Há também a recomendação da
determinação de cilindrospermopsina e saxitoxina, com VMP’s de 15 e 3 µg/L,
respectivamente.
Devido à ineficiência do tratamento convencional na remoção de cianotoxinas
solúveis, métodos avançados de tratamento de efluentes devem ser utilizados visando um
efluente que atenda o padrão de potabilidade vigente e que não ofereça riscos à saúde
pública. Tais métodos correspondem a técnicas de remoção e/ou inativação de constituintes
refratários aos processos convencionais, os quais podem conferir à água características, tais
como: cor, odor, atividade tóxica ou patogênica (Conama, 2005). As principais técnicas
avançadas de tratamento atualmente utilizadas são a adsorção em carvão ativado, troca
iônica, membranas e oxidação química (Brandão & Silva, 2006).
O processo de adsorção tem demonstrado boa eficiência em vários setores
produtivos, principalmente no tratamento de efluentes industriais e para o tratamento da
3
água para abastecimento público (Brandão & Silva, 2006). Assim, o carvão ativado vem
sendo atualmente alvo de inúmeras pesquisas visando esta área de aplicação devido a sua
eficiência e versatilidade na adsorção de vários compostos orgânicos não biodegradáveis,
tais como as toxinas de cianobactérias. No entanto, o uso generalizado deste material é
restrito devido aos elevados custos associados ao mesmo, tornando assim, necessária a
pesquisa de adsorventes de baixo custo e ampla disponibilidade para ser utilizados em tais
processos (Dias et al.,2007).
O desenvolvimento tecnológico da produção de carvões ativados provenientes das
mais diversas matérias primas, tais como: cascas de coco, madeira, osso, coque, turfa,
resíduos de petróleo, pneus, entre outros, visa principalmente à reutilização de resíduos
sólidos originados dos mais diversos segmentos produtivos, cujo objetivo é não somente a
utilização do carvão ativado produzido, mas principalmente a reutilização e reintrodução
destes resíduos, cuja destinação final é onerosa e ambientalmente complicada, na cadeia
produtiva.
O uso da borracha do pneu inservível como matéria prima para produção de carvão
ativado é uma tendência recente, consistindo em uma opção interessante, pois pode
significar uma forte redução nos custos de produção já que se trata de uma matéria prima
extensamente disponível, além de ser uma forma de reutilização de um resíduo sólido
urbano altamente problemático em termos de saúde pública, pois as mesmas propriedades
desejáveis para o transporte, principalmente a durabilidade, fazem sua reciclagem e
reprocessamento ser de grande dificuldade, sendo praticamente imunes à degradação
biológica (Mui et al., 2004 ; González et al., 2006 ; Ko et al., 2004).
Segundo González et al.(2006), são descartados 330 milhões de pneus inservíveis
todos os anos no mundo. Somente no Brasil, estima-se que existam cerca de 100 milhões de
pneus inservíveis abandonados em terrenos baldios, rios e lagos (Anip, 2005 apud
Rombaldo, 2008). De acordo com a Reciclanip (empresa responsável pela coleta e
destinação adequada de pneus inservíveis no Brasil) foram coletados 62 milhões de
unidades de pneus inservíveis de carros de passeio em 2010 (Reciclanip, 2011),
demonstrando a necessidade de desenvolvimento tecnológico aplicado à reutilização deste
resíduo sólido.
4
Diversos trabalhos relatam o potencial da borracha de pneu inservível para produção
de carvões ativados de boa qualidade (Mui et al., 2004 ; Rozada et al., 2005 ; González et
al., 2006; Ko et al., 2004; Betancur et al., 2009), empregados na remoção de cor, fenóis, p-
clorofenóis, gás butano, gás natural e metais pesados em efluentes provenientes de diversas
fontes (Mui et al., 2010a, 2010b ; Helleur et al., 2001; Streat et al., 1995; Allen et al., 1999;
Brady et al., 1996), entretanto, a avaliação da eficiência de remoção de cianotoxinas através
do uso deste tipo deste carvão ativado ainda não foi realizada.
Diante do exposto, o objetivo deste trabalho de mestrado foi avaliar, em escala de
bancada, a aplicabilidade do reaproveitamento da borracha de pneus inservíveis como fonte
de matéria prima para a produção de carvão ativado visando à adsorção de saxitoxinas
produzidas pela espécie de cianobactéria Cylindrospermospsis raciborskii. Os objetivos
específicos foram:
- Cultivar a espécie de cianobactéria Cilindrospermopsis raciborskii.
- Extrair e purificar a cianotoxina produzida.
- Determinar as condições de produção do carvão ativado
- Caracterizar o carvão ativado produzido.
- Realizar os ensaios de adsorção em batelada.
5
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1. Características gerais das cianobactérias
As cianobactérias constituem o maior e mais diverso grupo dos micro-organismos
procarióticos, incluindo 124 gêneros e 2000 espécies (Komárek, 2003; Komárek &
Anagnostidis 1999; 2005), sendo definidas, segundo a portaria no 518/2004 do Ministério
da Saúde como “micro-organismos procarióticos, também denominados como cianofíceas
(algas azuis), capazes de ocorrer em qualquer manancial superficial especialmente naqueles
com elevados níveis de nutrientes (nitrogênio e fósforo), podendo produzir toxinas com
efeitos adversos à saúde”.
Tais micro-organismos são um dos componentes naturais da comunidade
fitoplanctônica de qualquer ecossistema aquático, ocorrendo na natureza desde os
primórdios da colonização biológica na superfície terrestre, entretanto, a atenção para a
ocorrência desses micro-organismos em mananciais de abastecimento público é
relativamente recente e está associada, principalmente, a constatação dos problemas de
saúde publica que podem decorrer do crescimento exagerado desse grupo em ambientes
aquáticos potencialmente utilizáveis para abastecimento humano, recreação e
dessedentação animal (Bevilacqua et al., 2009).
A fotossíntese é a principal forma de obtenção de energia para os processos
metabólicos de biosíntese, crescimento e multiplicação, produzindo oxigênio molecular
(Reynolds, 1997), contudo, existem casos de espécies em ambiente natural, capazes de
sobreviver por longos períodos na escuridão (Mur et al., 1999). Segundo Carmichael
(1994), as cianobactérias foram os primeiros produtores primários de matéria orgânica a
liberarem oxigênio molecular na atmosfera primitiva, originalmente com teores mais
elevados de gás carbônico, transformando-a na condição atual, rica em oxigênio.
Quanto à morfologia básica, as cianobactérias compreendem formas unicelulares,
coloniais e de filamentos multicelulares, podendo estes serem ou não ramificados e
portadores ou não de células especializadas, tais como aerótopos e heterocitos. As vesículas
6
de gás, denominadas aerótopos, são inclusões citoplasmáticas capazes de proporcionar
regulação na flutuação, fornecendo às espécies planctônicas a capacidade de ajustar sua
posição vertical na coluna d’água, sendo este um mecanismo ecológico de grande
importância para prevalência destes micro-organismos em ecossistemas aquáticos. Já os
heterocitos fornecem a capacidade de fixação do nitrogênio atmosférico e a formação de
um estoque de nitrogênio quando o mesmo encontra-se escasso no meio aquático,
possibilitando o florescimento de alguns gêneros filamentosos, tais como, Anabaena,
Aphanizomenon e Cylindrospermopsis, em ambientes pobres em nitrogênio (Yoo et al.,
1995 ; Sivonem & Jones, 1999).
Possuem como característica marcante a adaptabilidade relacionada à colonização
de uma grande diversidade de habitats, como em fontes termais vulcânicas (Ward et al.,
1998), desertos frios e quentes, tais como Antártica (Hitzfeld et al., 2000) e deserto do
Atacama (Wynn-Williams, 2000), entretanto, ambientes de água doce são os mais
favoráveis, visto que a maioria das espécies apresenta melhor crescimento em águas neutro-
alcalinas (pH 6-9), temperatura entre 15 a 30oC e alta concentração de nutrientes,
principalmente nitrogênio e fósforo (Paerl, 2008). Devido à elevada flexibilidade a
adaptações bioquímicas, fisiológicas, genéticas e reprodutivas, tais micro-organismos
perpetuaram-se no meio ambiente, bem como, devido a tais características, também é
possível isolá-las e mantê-las em cultivo com certa facilidade (Kaebernick & Neilan, 2001).
Dentre as espécies potencialmente tóxicas são encontradas linhagens produtoras
(Becker et al., 2010) ou não (Jardim et al., 2007b) de toxinas, sendo estimado que 50 a
70% das florações de cianobactérias são tóxicas (Yoo et al., 1995). De acordo com Van
Apeldoorn et al. (2007), pelo menos 40 gêneros distintos incluem espécies com linhagens
tóxicas já identificadas, entretanto, de maneira geral, as espécies tóxicas mais comumente
descritas estão incluídas nos gêneros: Anabaena, Aphanizomenon, Lyngbya, Microcystis,
Nostoc, Oscillatoria (Planktothrix) e Cylindrospermopsis (Chorus & Bartram, 1999). A
Figura 2.1 apresenta os gêneros de cianobactérias potencialmente tóxicas.
7
Figura 2.1: Gêneros de cianobactérias potencialmente tóxicas (Lawton et al., 1999).
8
2.1.1. Espécie Cylindrospermopsis raciborskii
A espécie Cylindrospermopsis raciborskii (Figura 2.2.) (Seenayya & Subba Raju,
1972) é um componente importante entre as espécies formadoras de florações, pois pode
produzir hepatotoxinas, neurotoxinas e dermatotoxinas (Chorus & Bartram, 1999), tendo
sido primeiramente encontrada em reservatórios de Java, na Ásia, no final do século
passado (Padisák, 1997).
O primeiro relato de intoxicação humana provocada por esta espécie ocorreu em
1979, na Austrália (Hawkins et al., 1985). Na América do Sul, o primeiro registro de
floração de uma cepa da espécie C. raciborskii, produtora de saxitoxina, ocorreu em dois
reservatórios do estado de São Paulo, nas cidades de Amparo, em uma fazenda particular,
em 1994, e no reservatório Billings, braço Taquacetuba, em 1996 (Lagos et al., 1999).
Figura 2.2: Filamento de Cylindrospermopsis raciborskii.
Atualmente, a espécie C. raciborskii tornou-se extremamente invasiva em todo o
mundo, ocorrendo tanto em águas de regiões tropicais (Molica et al., 2005 ; Jardim et al.,
2007a) e subtropicais (Vidal & Kruk, 2008) como temperadas (Fastner et al., 2003),
habitando desde reservatórios oligotróficos do hemisfério sul a pequenos, rasos e
hipereutróficos no hemisfério norte, sendo também encontrada em rios e outros ambientes
com fluxo de água intenso (Padisák, 1997). Devido ao fato de se adaptaram em diversas
(1000 x)
9
condições ambientais, tal espécie tornou-se de difícil previsão relacionada à sua ocorrência
e proliferação em ecossistemas aquáticos (Briand et al., 2002).
No Brasil, C. raciborskii é frequentemente encontrada em mananciais, rios, lagos e
reservatórios destinados ao abastecimento público, recreação e dessedentação animal
(Tabela 2.1), sendo relatado por Sant’anna et al.(2008), como uma das espécies de maior
ocorrência no país.
Tabela 2.1: Ocorrência da espécie Cylindrospermopsis raciborskii em reservatórios de
diversos estados brasileiros e no Distrito Federal (Bittencourt-Oliveira & Molica, 2003).
Localização
Referência
Distrito Federal
Branco & Senna , 1991
Espírito Santo Fernandes, 2003
Góias Bazza, et al., 1999
Minas Gerais Jardim, et al., 1999
Paraíba Mendes, et al., 2003
Paraná Borges, et al., 2003
Pernambuco Bouvy, et al., 2000
Rio de Janeiro Huszar, et al., 2000
Rio Grande do Norte Panosso, et al., 2003
Rio Grande do Sul Proença, et al., 2002
Santa Catarina Komákova, et al., 1999
São Paulo Souza, et al., 1998
Tocantins Silva, et al., 2003
Essa diversidade de habitats, tanto em termos da geomorfologia quanto da química
da água demonstra suas múltiplas estratégias adaptativas ecofisiológicas (Padisák, 1997),
tais como: resistência à herbivoria, tolerância às baixas irradiações, possibilidade de
migração na coluna d’água buscando estratos ricos em nutrientes e luz, tolerância às altas
concentrações iônicas, armazenamento e utilização de reservas intracelulares de fósforo,
10
alta afinidade ao NH4+ que é a forma energeticamente mais acessível de nitrogênio, ou na
sua falta, podem fixar N2 atmosférico, além de possuírem flexibilidade a grandes variações
de condutividade elétrica (Bittencourt-Oliveira & Molica, 2003).
2.1.2. Relatos de ocorrência de florações
As florações ou “blooms” são caracterizadas pelo crescimento rápido e intenso
destes micro-organismos em ecossistemas aquáticos, promovendo a formação de escuma na
superfície, odores desagradáveis, além de alterar o sabor e a qualidade da água. Tal
fenômeno é ocasionado por fatores ambientais que incluem: intensidade de luz,
temperatura, pH, concentração de dióxido de carbono, disponibilidade de nutrientes,
características físicas da massa d’água (forma e profundidade), estratificação e tempo de
retenção da água (Newcombe, 2009).
Atualmente, diversos relatos de florações e cepas de cianobactérias
comprovadamente tóxicas têm sido descritas nas mais variadas partes do mundo, incluindo:
Argentina (Ame et al., 2010), Estados Unidos (Backer et al., 2010), México (Berry & Lind,
2010), China (Chen et al., 2010), França (Ledreux et al., 2010), Uganda (Semyalo et al.,
2010), Polônia (Sieroslawska et al., 2010), Sérvia (Simeunovic et al., 2010), Turquia
(Gurbuz et al., 2009), Itália (Messineo et al., 2009), Arábia Saudita (Mohamed & Al
Shehri, 2009), República Theca (Blahova et al., 2008), Alemanha (Wiedner et al., 2008) e
Brasil (Molica et al., 2005; Costa et al., 2006; Jardim et al., 2008; Becker et al., 2010),
demonstrando a enorme adaptabilidade destes micro-organismos aos mais variados
habitats.
No Brasil, é cada vez mais comum a incidência de florações potencialmente tóxicas
devido às características ambientais favoráveis ao desenvolvimento destes micro-
organismos (Huszar et al., 2000; Sant’anna & Azevedo, 2000). Em Minas Gerais, foi
relatado por Jardim et al. (2008) uma floração ocorrida no período de seca de 2007 em
alguns dos principais rios do país, provocando transtornos à população ribeirinha devido à
proibição do consumo de água e pescado proveniente destes locais. Nesta ocasião foi
11
detectada a presença de microcistina, produzida pela espécie Microcystis aeruginosa e M.
novacekii, e saxitoxina, produzida pela espécie Cylindrospermopsis raciborskii, nas cidades
de Várzea da Palma, Rio das Velhas (Figura 2.3) e Resplendor, Rio Doce, respectivamente,
não sendo relatada a ocorrência de intoxicação humana neste episódio devido às medidas
paliativas adotadas pelos órgãos públicos estaduais.
Entretanto, dois incidentes ocorridos no Brasil envolvendo florações de
cianobactérias são emblemáticos em relação aos riscos inerentes à população exposta,
direta ou indiretamente, às cianotoxinas. O trabalho de Teixeira et al. (1993) descreve uma
forte evidência de correlação de florações de cianobactérias com o alagamento do
reservatório da barragem de Itaparica (BA), em 1988, e a morte de 88 pessoas, entre as
2000 intoxicadas, pelo consumo de água contaminada.
Figura 2.3: Floração no Rio das Velhas, cidade de Várzea da Palma-MG
(Jardim et al., 2008).
Contudo, o primeiro caso confirmado da ocorrência de danos a seres humanos
causados por cianotoxinas ocorreu em 1996 na cidade de Caruaru – PE, com a morte de 64
pacientes renais crônicos após terem sido submetidos a sessões de hemodiálise (Azevedo et
al., 2002). Tal fato tornou-se um marco evidenciando a potencialidade destes
biocompostos, aumentando assim a preocupação e por conseqüência a necessidade de
12
estudos com a finalidade de monitoramento, detecção e remoção das cianotoxinas na água
para consumo humano.
2.2. Cianotoxinas
As toxinas produzidas pelas cianobactérias formam um grupo diferenciado, tanto do
ponto de vista químico quanto toxicológico de toxinas naturais. Estas toxinas são
metabólitos secundários e apresentam diversos mecanismos de ação e efeitos sobre tecidos,
células ou organismos, que variam de hepatotoxicidade (peptídeos cíclicos) a
neurotoxicidade (alcalóides) para efeitos inflamatórios e/ou irritação pelo contato dérmico
(lipopolissacarídeos) (Newcombe, 2009).
As hepatotoxinas são responsáveis pela maioria dos casos relacionados à
intoxicações causadas por cianobactérias, sendo geralmente as cianotoxinas mais
comumente encontradas em águas doces e salobras. As toxinas pertencentes a este grupo
são divididas em peptídeos cíclicos (microcistinas e nodularinas) e um alcalóide
hepatotóxico (cilindrospermopsina) (Carmichael, 1992). As espécies já identificadas como
produtoras dessas hepatotoxinas estão incluídas nos gêneros Microcystis, Anabaena,
Nodularia, Oscillatoria, Nostoc e Cylindrospermopsis (Carmichael, 1994).
As microcistinas são heptapeptídeos cíclicos que podem causar intoxicações agudas
ou crônicas e, dependendo da dose ingerida, provocar a morte do animal em horas ou dias
(Sivonen & Jones, 1999). Por serem altamente solúveis em água, são capazes de penetrar
facilmente nas membranas biológicas, entrando na circulação sanguínea do intestino de
mamíferos através do sistema de transporte do ácido biliar, concentrando-se assim nas
células hepáticas, causando hepatoenterites (Kuiper-Goodman et al, 1999).
As nodularinas são pentapeptídeos cíclicos muito semelhantes às microcistinas,
sendo produzida pela cianobactéria Nodularia spumigena. Como contêm em suas
moléculas as mesmas unidades responsáveis pela atividade biológica tóxica das
microcistinas, as nodularinas, apresentam o mesmo mecanismo de ação farmacológico
(Saito et al, 2001).
13
Os sinais clínicos de intoxicação por hepatotoxinas em animais são fraqueza,
anorexia, vômito, extremidades do corpo frias, palidez e diarréia (Carmichael 1992;1994).
Além disso, é relatado que várias microcistinas e nodularinas são potentes inibidores de
proteínas fosfatases tipo 1 a 2A de células eucariontes, reconhecidas promotoras de tumores
hepáticos (Portaria no 518, 2004; Maynes et al., 2006).
A cilindrospermopsina é um alcalóide guanidiníco cíclico hepatotóxico produzida
pelas espécies Cylindrospermopsis raciborskii, Aphanizomenon ovalisporum,
Aphanizomenon flos-aquae, Umezakia natans, Rhaphidiopsis curvata e Anabaena bergii
(Preussel et al., 2006). Seu mecanismo de ação, conforme as microcistinas e nodularinas
ocorre por inibição da síntese protéica, principalmente no fígado, contudo, apresentam
também efeitos citotóxicos nos rins, baço, pulmão, coração e outros órgãos (Sivonen &
Jones, 1999).
As dermatotoxinas, identificadas como lipopolissacarídeos (LPS), também estão
presentes em bactérias Gram negativas, no entanto, os problemas associados a LPS são
devido à exposição em florações de cianobactérias, podendo induzir a alergias e irritações
dermatológicas em humanos e animais (Sivonen e Jones, 1999).
2.2.1. Neurotoxinas
As neurotoxinas são um grupo de alcalóides ou organofosforados neurotóxicos que
representam as cianotoxinas que agem sobre o sistema nervoso central, sendo produzidas
por espécies dos gêneros: Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria, Trichodesmium,
Lyngbya e Cylindrospermopsis (Azevedo & Brandão, 2003). A estrutura química das
neurotoxinas de cianobactérias é apresentada na Figura 2.4.
A Anatoxina-a e Homoanatoxina-a são alcalóides neurotóxicos que agem como
potentes bloqueadores neuromusculares pós-sinápticos de receptores nicotílicos e
colinérgicos através da ligação irreversível a recepetores de acetilcolina, pois não são
degradadas pela acetilcolinesterase. A Anatoxina-a(s) é um organofosforado natural com
mecanismo de ação semelhante à Anatoxina-a e Homoanatoxina-a, pois inibe a ação da
14
acetilcolinesterase, sendo a letra “s” atribuída pela excessiva salivação observada em
animais intoxicados (Aráoz et al., 2010 ; Azevedo & Brandão, 2003 ; Carmichael, 1992).
Figura 2.4: Estrutura química das neurotoxinas de cianobactérias de água doce
(Aráoz et al., 2010).
As saxitoxinas (Figura 2.5), foco deste projeto de pesquisa, constituem um potente
grupo de alcalóides carbamatos neurotóxicos produzidos por cianobactérias e
dinoflagelados marinhos. Originalmente isoladas e caracterizadas em mariscos, sendo
assim, também conhecidas como “venenos paralisantes de mariscos” (Paralllytic Shellfish
Poisoning - PSP), tais toxinas e suas variantes, das quais existem mais de dezoito tipos
caracterizadas, são responsáveis pela ocorrência de marés vermelhas. (Sivonen & Jones,
1999 ; Kayal et al., 2008; Alfonso et al.,1993 apud Sant’anna et al., 2006).
Estas toxinas agem nas membranas dos axônios nervosos inibindo a condução
nervosa por bloqueamento dos canais de sódio (Carmichael, 1994), podendo ser
classificadas de acordo com o número de grupamentos sulfato presente nas moléculas,
sendo as não-sulfatadas (saxitoxina (STX), neosaxitoxina (NeoSTX)), com um único
grupamento sulfato (goniautoxina (GTX)), ou com dois grupamentos sulfato (C-toxina)
(kayal et al., 2008).
Anatoxina-a Homoanatoxina-a Anatoxina-a(s) Saxitoxina
15
Figura 2.5: Estrutura química das saxitoxinas (Paralytic Shellfish Poisoning - (PSPs))
(Comesanã-Losada et al., 1996 - Adaptado).
Além das citadas, moléculas com grupamento decarbamoil (dcSTX e dcGTX),
dentre outras novas variantes destas toxinas tem sido isoladas e identificadas (Sivonen &
Jones, 1999). Os sinais clínicos de intoxicação por saxitoxinas incluem adormecimento da
boca e extremidades, tontura, fraqueza muscular, náusea, vômito, e taquicardia (Kuiper-
Goodman et al., 1999).
Em água doce, as saxitoxinas foram originalmente identificadas em cepas da
espécie Aphanizomenon flos-aquae (Jackim & Gentios, 1968 apud kayal et al., 2008),
sendo, desde então, atribuída sua produção a vários gêneros de espécies planctônicas,
incluindo: Aphanizomenon, Anabaena, Lyngbya, Planktothrix e Cylindrospermopsis,
identificadas na Austrália, Estados Unidos, América do Sul e Europa (Sivonem & Jones,
1999 ; Araóz et al., 2010) devido principalmente ao aumento do interesse científico ligado à
saúde pública para monitoramento hidrobiológico e deteccção destes biocompostos nestes
locais. A Tabela 2.2 apresenta os análogos de saxitoxinas produzidas por cianobactérias de
água doce.
16
Tabela 2.2: Análogos de saxitoxinas produzidas por cianobactérias de água doce
(Araóz et al., 2010 - Adaptado).
Toxina Espécie Referencias STX Anabaena circinalis Negri et al., 1995; Teste et al., 2002
Anabaena lemmermannii Rapala et al., 2005Aphanizomenon flos-aquae Ikawa et al., 1982; Mahmood & Carmichael, 1986a;
Dias et al., 2002; Pereira et al., 2000Aphanizomenon gracile LMECYA40 Pereira et al., 2004
Aphanizomenon issatschenkoi Nogueira et al., 2004Cylindrospermopsis raciborskii Lagos et al., 1999; Molica et al., 2002
Cylindrospermopsis raciborski i C10 Castro et al., 2004Cylindrospermopsis raciborskii T3 Pomati et al., 2004
Planktothrix sp. Pomati et al., 2000dcSTX Anabaena circinalis Negri et al., 1995
Aphanizomenon DC-1 Liu et al., 2006Aphanizomenon flos-aquae Pereira et al., 2000; Dias et al., 2002
Aphanizomenon issatschenkoi Nogueira et al., 2004Cylindrospermopsis raciborskii C10 Castro et al., 2004
Lyngbya wollei Carmichael et al., 1997NeoSTX Aphanizomenon DC-1 Liu et al., 2006
Aphanizomenon flos-aquae Ikawa et al., 1982; Mahmood & Carmichael, 1986a; Dias et al., 2002 ; Pereira et al., 2000
Aphanizomenon gracile LMECYA40 Pereira et al., 2004Aphanizomenon issatschenkoi Nogueira et al., 2004
Cylindrospermopsis raciborskii Lagos et al., 1999; Molica et al., 2002GTX1 Aphanizomenon flos-aquae Ferreira et al., 2001GTX2 Anabaena circinalis Negri et al., 1995; Jones and Negri, 1997: Teste et al., 2002
Cylindrospermopsis raciborskii Lagos et al., 1999Cylindrospermopsis raciborskii C10 Castro et al., 2004
GTX3 Anabaena circinalis Negri et al., 1995; Jones and Negri, 1997; Teste et al., 2002Aphanizomenon flos-aquae Ferreira et al., 2001
Cylindrospermopsis raciborskii Lagos et al., 1999Cylindrospermopsis raciborskii C10 Castro et al., 2004
GTX4 Aphanizomenon flos-aquae Ferreira et al., 2001GTX5 Anabaena circinalis Negri et al., 1995
Aphanizomenon flos-aquae Pereira et al., 2000; Dias et al., 2002 Aphanizomenon issatschenkoi Nogueira et al., 2004
GTX6 Aphanizomenon flos-aquae Pereira et al., 2000Cylindrospermopsis raciborskii Molica et al., 2002
dcGTX2 Anabaena circinalis Negri et al., 1995Lyngbya wollei Carmichael et al., 1997; Onodera et al., 1997b
dcGTX3 Anabaena circinalis Negri et al., 1995; Teste et al., 2002Aphanizomenon DC-1 Liu et al., 2006
Lyngbya wollei Carmichael et al., 1997; Onodera et al., 1997bC1 Aphanizomenon flos-aquae Ferreira et al., 2001 Anabaena circinalis Negri et al., 1995; Jones and Negri, 1997; Teste et al., 2002 Cylindrospermopsis raciborskii T3 Pomati et al., 2004
C2 Anabaena circinalis Negri et al., 1995; Jones and Negri, 1997; Ferreira et al., 2001; Teste et al.,2002
Cylindrospermopsis raciborskii T3 Pomati et al., 2004
17
2.2.2. Legislação aplicada
A grande maioria dos países no mundo já relatou casos de presença e florações de
cianobactérias nas águas de reservatórios e mananciais utilizados para o abastecimento
público (item 2.1.2), no entanto, a legislação aplicada aos VMP´s de cianotoxinas diferem-
se entre diversos países. A Tabela 2.3 apresenta alguns dos VMP’s normatizados.
Tabela 2.3: Valores de referência para metabólitos de cianobactérias em µg/L (Schimidt et
al., 2002 apud Hoeger et al., 2005 - Adaptado).
Países
MCTY
STX
ATX-a
CLP
Referências
Austrália 1,3 3,0 * * Fitzgerald et al., 1999;
NHMRZ/ARMCANZ, 2001
Brasil 1,0 3,0 * 15,0 Portaria no 518, MMA 2004
Canadá 1,5 * * * Health Canada, 2003
França 1,0 * * * France, 2001
Europa 0,1 0,1 0,1 0,1 Schmidt et al., 2002
Nova Zelândia 1,0 1,0 3,0 3,0 Ministry of Health, 2002
Oregon 1,0 * * * Gilroy et al., 2000
OMS 1,0 * * * (OMS, 1998)
MCTY: Microcistina STX: Saxitoxina ATX-a: Anatoxina-a CLP: Cilindrospermopsina
No Brasil, a normatização referente ao controle e vigilância da qualidade da água
para consumo humano é estabelecida pela Portaria no 518 do Ministério da Saúde, que
define as responsabilidades referentes às empresas de saneamento básico e de soluções
alternativas, a quem cabe o exercício de controle de qualidade da água, além das
autoridades sanitárias das diversas instâncias de governo, cujas atribuições são relativas à
vigilância sobre o controle de qualidade da água. Sendo também ressaltada a
responsabilidade dos órgãos de controle ambiental no que se refere ao monitoramento e ao
18
controle das águas brutas de acordo com os mais diversos usos, incluindo o de fonte de
abastecimento de água destinada ao consumo humano.
Dentre os parâmetros estabelecidos pela Portaria no 518, no que se refere ao plano
de amostragem, está o monitoramento de cianobactérias na água bruta, no ponto de
captação, que deve ser mensal quando o número de células não exceder 10.000 células/mL,
e semanal quando superior. Caso o número de células de cianobactérias exceda 20.000
células/mL, é vedado o uso de algicidas para controle do crescimento destes micro-
organismos, ou qualquer outra intervenção no manancial que provoque a lise celular. Além
disso, é exigida a análise semanal de cianotoxinas no efluente da estação de tratamento,
entrada de clínicas de hemodiálise e indústria de injetáveis, sendo esta ampliação do
monitoramento dispensável quando houver comprovação de não toxicidade na água bruta
por meio de bioensaios com camundongos.
Em relação ao padrão de potabilidade de substâncias químicas, incluem-se às
cianotoxinas (microcistinas, cilindrospermopsina e saxitoxina) presentes na água potável,
sendo os VMP’s apresentados na tabela 2.3. Em relação às microcistinas, é aceitável a
concentração de até 10µg/L em três amostras, consecutivas ou não, nas análises realizadas
nos últimos dose meses. Em relação à cilindrospermopsina e saxitoxina, são recomendados
os VMP’s destas toxinas pela legislação, cabendo às empresas responsáveis pelo controle
da qualidade da água realizar tal monitoramento.
2.3. Carvão ativado
O uso de materiais carbonáceos porosos já é conhecido pela humanidade a milhares
de anos, entretanto, a primeira aplicação industrial é registrada no final do século XVIII na
indústria de cana-de-açúcar. A descoberta da propriedade descolorante do carvão levou a
intensificação do seu uso nas refinarias de açúcar e deu início à industrialização e
comercialização do carvão ativado. Em relação ao uso de carvões ativados para fins de
tratamento de água, o primeiro registro é datado de 1910 com a instalação de um filtro de
19
carvão ativado (a base de lignita) para remoção de subprodutos do cloro na água do
município de Reading na Inglaterra (Masschelein, 1992).
O carvão ou carbono ativado (CA) é o nome geral dado a um grupo de materiais
carbonáceos produzidos para ter uma porosidade altamente desenvolvida e elevada área
superficial, o que lhe confere a capacidade de adsorver moléculas tanto em fase líquida
como gasosa. Tal propriedade depende, sobretudo, da distribuição dos tamanhos de seus
poros e da geometria e tamanho da molécula de adsorbato (Bansal et al.,1988).
Devido à sua grande capacidade de adsorção, é um material que tem sido utilizado
em aplicações cada vez mais específicas, como em processos de purificação,
desintoxicação, filtração, recuperação de produtos químicos, remoção de compostos
orgânicos e metais, etc. Tais aplicações são de interesse em muitos setores econômicos em
diversas áreas, como: alimentícia, farmacêutica, química, petrolífera, nuclear,
automobilística, mineração e principalmente, no tratamento de água potável, industrial e do
ar atmosférico (Coutinho et al., 2000 apud Junior, 2006).
Quanto à dimensão dos poros e baseado nas propriedades de adsorção, foi proposta
a seguinte classificação, segundo a IUPAC: Microporos (di< 2nm), que contribuem para a
maioria da área superficial e proporciona alta capacidade de adsorção de moléculas de
pequenas dimensões, tais como gases e solventes comuns; Mesoporos (2nm < di > 50nm),
os quais são importantes para a adsorção de moléculas grandes, tais como corantes e
toxinas de cianobactérias (Donati et al., 1994) e Macroporos (di > 50nm), que são
considerados sem importância para o processo de adsorção e sua função é servir como meio
de transporte para moléculas gasosas (IUPAC, 1985; Rouquerol, 1994; Baçaoui et al.,
2001).
Em relação à distribuição de tamanho e área superficial dos poros, tais grandezas
são expressas em m2/g (área dos poros por grama de carvão), determinada pela medida de
adsorção de moléculas de nitrogênio (Di Bernardo & Dantas, 2005). O método BET,
proposto por Brunauer, Emmett e Teller, fornece a área específica que pode ser recoberta
por uma camada monomolecular de nitrogênio. A adsorção de nitrogênio à temperatura de
77 K permite a construção de isotermas de adsorção e dessorção gasosa, das quais podem
20
se extrair informações sobre a área superficial, volume e distribuição do tamanho dos poros
(Yenisoy-Karakas et al., 2004).
2.4. Produção do carvão ativado
O CA pode ser obtido, basicamente, de qualquer precursor rico em carbono, sendo
que as propriedades do produto final dependerão da natureza da matéria prima, do agente
ativante utilizado e das condições do processo de carbonização e ativação (Swiatkowski,
1998).
A carbonização ou pirólise da matéria-prima, consiste no tratamento térmico do
material em atmosfera inerte em temperaturas entre 500o e 800oC, envolvendo a
decomposição térmica do material carbonáceo, eliminação das espécies não carbônicas e a
produção de uma massa fixa de carbono com uma estrutura porosa rudimentar, onde muitos
poros, extremamente finos e fechados, são formados (Bansal & Goyal, 2005).
A ativação consiste na ampliação do volume e diâmetro dos poros criados durante a
carbonização, além da criação de novos poros. Tal processo remove carbonos
desorganizados, expondo as camadas aromáticas à ação dos agentes oxidantes (na primeira
fase) e inicia o desenvolvimento da estrutura microporosa. Na fase seguinte o efeito
significante é o aumento dos poros existentes ou formação de grandes poros, pela completa
queima das paredes entre poros adjacentes. Este resultado aumenta os poros transitórios e
cria os macroporos, ao passo que o volume dos microporos diminui (González et al., 1995).
Os métodos mais comuns empregados no processo de ativação são dois: ativação
química e ativação física. Na ativação química, a carbonização e ativação são feitas em uma
única etapa por uma decomposição térmica do material impregnado com certos agentes
químicos, como ácido fosfórico, cloreto de zinco, ácido sulfúrico, hidróxido de sódio e
hidróxido de potássio. A ativação física envolve a gaseificação do carvão por oxidação com
vapor d’água, gás carbônico ou mistura desses gases, em fornos rotativos ou convencionais,
em temperaturas entre 800 oC – 1100 oC. Neste caso a pirólise e ativação são feitas em
estágios diferentes (González et al, 1995 ; Swiatkowski, 1998).
21
Em relação ao desenvolvimento experimental de CA’s produzidos à partir da
borracha de pneu, diversos trabalhos vem sendo realizados avaliando as características do
material produzido sob diferentes condições de produção. A Tabela 2.4 apresenta alguns
trabalhos visando à produção de carvão ativado utilizando-se a borracha de pneu.
Tabela 2.4: Produção de carvão ativado a partir da pirólise da borracha de pneu, em
diferentes condições (Mui et al., 2004 - Adaptado).
Carbonização Ativação BO ŋ Gás Ativante / Fluxo BET Vmicro Referências(%) (%) (mL/min) (m2/g) (cm3/g)
500C, 1h 850C, 4h 77,5 7,9 Vapor d'água / 680 1119 0,57 Ariyadejwanich et al., 2003850C,3h 68,6 11,2 1177 0,54
550C, 4h 900C, 3h 25,9 Vapor d'água / 135 272 Helleur et al., 2001875C, 7h 25,5 CO2 / 342 270
700C 925C, 10,7h 63,2 15,1 Vapor d'água / 400 1070 0,55 San Miguel et al., 2001925C, 9,3h 56,1 17,9 1022 0,54
900C, 2h 900C, 2h CO2 832 Hamadi et al., 20011000C, 5h 58 CO2 431 Sainz-Dias & Griffithis, 20001000C, 7h 33 284
800C 877C 41 19,5 Vapor d'água 528 Allen et al., 1999700C 48 17,2 478
450C, 1,5h 935C 64 13,6 Vapor d'água / 146 640 Cunliffe & Williams, 1999850C, 3h 4 Vapor d'água / 500 1000 0,44 Lehmann et al., 1998
600C, 0,75h 850C, 3h 4,6 978 0,48600, 0,75h 900C, 1h Vapor d'água / 500 1031 0,28 Sun et al., 1997
850C, 3h 888 0,25600C, 0,75h 850C 10 Vapor d'água / 542 1031 0,28 Brady et al., 1996
900C 900C 17 CO2 813 Teng et al., 1995793 16,5
800C, 24h Vapor d'água / 200 346 Streat et al., 1995900C, 18h Vapor d'água / 100 155
530C, 1h 920C, 1h 65 12,3 Vapor d'água / 342 607 0,01 Merchant & Petrich, 1993859C, 1,3h 52,5 16,6 553 0,07
445C, 1,5h 850C, 0,5h 13,4 29,5 Vapor d'água 164 0,04 Merchant & Petrich, 1992900C, 3h 9 Vapor d'água / 61 1260 Ogasawara et al., 1987
900C, 0,5h 22 600 BO: burn-off BET: área superficial específica, modelo BET – N2 a 77K [m2. G-1] ŋ: rendimento Vmicro: volume de microporos
22
2.5. Utilização de carvão ativado na remoção de saxitoxinas
Os precursores mais comuns para a produção de CA’s em grande escala são o
carvão, coco e madeira, utilizados tanto na forma granular (CAG), através de leitos fixos
visando à remoção de compostos orgânicos naturais, compostos causadores de gosto e odor
e orgânicos sintéticos, como na forma em pó (CAP), utilizado para tratamento de
contaminantes sazonais (Westrick et al., 2010).
Os trabalhos científicos que envolvem a adsorção de carvão ativado indicam que
tanto o CAG quanto o CAP são eficientes na remoção de diferentes toxinas de
cianobactérias, apresentando até mesmo a remoção total de cianotoxinas quanto empregado
isoladamente ou de forma complementar ao tratamento convencional. Entretanto, a maioria
dos estudos relacionados à remoção de cianotoxinas da água por CA foi realizado para as
microcistinas (Donati et al., 1994; Lambert et al., 1996; Pendleton et al., 2001; Kuroda et
al., 2005; Hoeger et al., 2005; Huang et al., 2007; Júnior et al., 2008; Campinas & Rosa,
2010; Ho et al., 2011), havendo poucos estudos a respeito de saxitoxinas e outras
cianotoxinas (Brandão & Silva, 2006).
Newcombe & Nicholson (2002) avaliaram a remoção de saxitoxinas por várias
opções de tratamento, sendo relatado que tanto o CAP quanto o CAG foram eficientes na
remoção de diferentes variantes de saxitoxinas. Neste trabalho foram avaliados cinco
diferentes tipos de CA, e foi observado que uma maior taxa de remoção para STX, seguido
das variantes GTX e C-toxinas, respectivamente. Nos experimentos realizados foram
utilizados uma dosagem de 30 mg/L com um tempo de contato de 1 hora, não sendo
relatada a concentração inicial das toxinas na água.
Segundo Orr et al., (2004), o CAG removeu completamente as diversas saxitoxinas
através de adsorção em coluna com um tempo de contato inferior à oito horas, sendo os
resultados encontrados próximos aos relatados por Newcombe e Nicholson (2002), onde
ocorreu a maior taxa de remoção para STX dentre as outras variantes avaliadas. Neste
trabalho a concentração inicial foi de 30 µg/L, e o CAG utilizado reduziu a concentração
abaixo dos níveis de 3 µg/L, VMP na norma australiana, mesmo valor adotado no Brasil.
23
Silva (2005) avaliou a capacidade de adsorção de cinco diferentes tipos de CAP
produzidos no Brasil, à partir de coco, osso, madeira e de origem mineral, na remoção de
saxitoxinas (neoSTX e STX) produzidas pela espécie Cylindrospermopsis raciborskii. O
CAP de coco foi o que apresentou maior capacidade de remoção de saxitoxinas, seguido
pelo CAP de osso. Embora a eficiência de remoção não tenha sido elevada (<33%), as
concentrações removidas foram satisfatórias, atingindo até 28 µg/L. Em relação à
distribuição do volume de poros, os carvões com características mesoporosas foram o que
apresentaram maior eficiência de remoção de saxitoxinas.
No entanto, segundo Viana (2006), obteve-se uma maior remoção de saxitoxinas em
CA com características microporosas, alcançando um percentual máximo de remoção de
68% para carvões de osso e madeira, com concentrações de 20 e 50 mg/L, respectivamente.
Os valores encontrados demonstraram que a eficiência de remoção está diretamente ligada
ao tipo de CA e dosagem empregada.
Em relação ao desenvolvimento experimental e utilização do CA produzido a partir
da borracha de pneu, não é relatado na literatura a avaliação referente à capacidade de
adsorção de cianotoxinas, tão pouco de saxitoxinas.
2.6. Teoria e isoterma da adsorção
O processo de adsorção é caracterizado pela acumulação de soluto (substância
dissolvida) na interface entre um fluido e um sólido. A substância acumulada, ou adsorvida,
na interface é chamada de adsorvato e o sólido no qual a adsorção ocorre é o adsorvente,
sendo a transferência de massa entre a fase fluida e a superfície sólida fortemente
influenciada pela estrutura do meio poroso adsorvente e pela estrutura das moléculas da
fase fluida (Netz et al., 2002). A equação 2.1 apresenta um esquema de adsorção de
moléculas pelo material adsorvente.
A + B ↔ A.B (2.1)
Em que: (A) adsorvato; (B) adsorvente ; (A.B) compostos adsorvidos
24
Tal processo é classificado em dois tipos: adsorção química e adsorção física,
conforme o tipo de interação entre o adsorvente e o adsorvato. Na adsorção química ou
quimiossorção, ocorre efetiva troca de elétrons entre adsorvente e adsorvato, fazendo com
que o adsorvato se ligue mais fortemente à superfície do sólido, em monocamada, através
de interações fortes e irreversíveis (ligações iônicas ou covalentes polares). A força das
ligações químicas varia de acordo com os compostos químicos envolvidos, mas essa força
de ligação é geralmente muito superior à envolvida na adsorção física (Suzuki,1990 apud
Nunes, 2008).
A adsorção física ou fisiossorção é um processo reversível em que a substância
adsorvida pode ser recuperada por dessorção e o adsorvente pode ser reutilizado, sendo
causada, principalmente, pelas forças de van der Waals entre moléculas do adsorvato e os
átomos que compõem a superfície do adsorvente (Suzuki,1990 apud Nunes, 2008).
A adsorção através do uso de CA para remoção de impurezas que causam gosto e
odor na água potável é uma tecnologia bem estabelecida para o tratamento de águas de
abastecimento público, utilizada sob forma complementar ao tratamento convencional
quando há necessidade de remoção de compostos recalcitrantes ao mesmo (Juby, 1997).
Além do CA, outros adsorventes de interesse no tratamento de água são as resinas de troca
iônica, as resinas adsorventes, os óxidos metálicos, os hidróxidos e carbonatos, a alumina
ativada, argilas e outros sólidos que estão suspensos ou em contato com a água (Snoeyink,
1990 apud Brandão & Silva, 2006).
Segundo Qada et al. (2006), a eficiência de remoção de um dado soluto depende da
concentração e pH da solução, temperatura, tipo de solvente e de adsorvente. Como os
processos de adsorção são geralmente exotérmicos, o desempenho da eficiência de remoção
por adsorção frequentemente diminui com o aumento da temperatura.
A isoterma de adsorção é a relação entre a razão quantidade de adsorvato por
unidade de adsorvente (qe) e a concentração de equilíbrio do adsorvato na solução (Ce)
(Brandão & Silva, 2006), indicando como se apresenta a distribuição das moléculas entre a
fase líquida e a fase sólida quando o processo de adsorção alcança o estado de equilíbrio em
um dado valor de pH e temperatura. Os dados do equilíbrio demonstram os fundamentos
25
físico-químicos e, desta maneira, pode-se avaliar a aplicabilidade do processo de adsorção
como uma operação unitária (Kumar et al., 2005).
2.6.1. Modelo de Langmuir
No modelo de Langmuir, a adsorção é localizada e ocorre em superfície
energeticamente uniforme, sem interação entre as moléculas adsorvidas. A capacidade de
uma partícula ser adsorvida num determinado sítio é independente dos sítios vizinhos
estarem ou não ocupados e a energia de adsorção, que ocorre em monocamada, é constante
em todos os sítios (Suzuki, 1990). A equação do modelo de Langmuir é apresentada pelas
equações 2.2 e 2.3 (forma linearizada).
Q = Qmax [KLCe / (1+KLCe)] (2.2)
1/Q = [1/(Qmax.KL)] . 1/Ce + 1/Qmax (2.3)
Em que:
. Q é a quantidade adsorvida na fase sólida (mg/g)
. Qmax é a quantidade máxima de adsorvato que o adsorvente pode adsorver (mg/g)
. KL é a constante relacionada com a afinidade entre o adsorvato e o adsorvente (L/mg)
. Ce é a conventração de equilíbrio na fase líquida (mg/L)
2.6.2. Modelo de Freundlich
A isoterma de Freundlich fornece uma boa descrição de processos de adsorção em
superfícies heterogêneas. A heterogeneidade é causada pela presença de diferentes grupos
funcionais na superfície e várias interações adsorvente-adsorvato (Nunes, 2008). O modelo
da isoterma de Freundlich é representado pelas equações 2.4 e 2.5 (forma linearizada).
26
Qe = KFCen (2.4)
lnQ = lnKf + 1/n ln Ce (2.5)
Em que:
. Q é a quantidade adsorvida na fase sólida (mg/g)
. Ce é a concentração de equilíbrio na fase líquida (mg/L)
. KF e n são constantes empíricas indicativas da capacidade de adsorção e da intensidade de
adsorção, respectivamente.
2.7. Borracha de pneu
2.7.1. Composição e análise elementar
A composição da borracha de pneu varia de acordo com as empresas de manufatura
e de formulação, sendo os componentes típicos utilizados e a análise elementar
apresentadas nas Tabelas 2.5 e 2.6, respectivamente.
Os pneus contêm borracha vulcanizada, além do tecido emborrachado com cabos
têxteis reforçados, cintos de aço ou de tecido, e as pérolas de fios de aço. A borracha mais
usada em sua composição é o co-polímero estireno-butadieno, contendo cerca de 25% de
estireno. Outras borrachas utilizadas para fabricação incluem a borracha natural (cis-
poliisopreno), sintético poliisopreno-cis-cis e polibutadieno. O negro de carbono é utilizado
para reforçar a borracha aumentando sua resistência e abrasão, já o óleo extensor é uma
mistura de hidrocarbonetos aromáticos que são adicionados visando amaciar a borracha
melhorando sua tratabilidade (Ko et al., 2004)
27
Tabela 2.5: Componentes utilizados na fabricação da borracha de pneu (Zabaniotou &
Stavropoulos, 2003).
Composição Porcentagem (%)
Estireno-butadieno 62,1
Negro de fumo (Carbon black) 31
Óleo mineral 1,9
Óxido de Zinco 1,9
Enxofre 1,1
Catalizador 0,7
O enxofre é adicionado durante o processo de vulcanização de ligação cruzada de
cadeias de polímeros na borracha e também visa endurecer e prevenir a deformação
excessiva a temperaturas elevadas. Um acelerador, que é um composto de enxofre
orgânico, é adicionado com ZnO e o ácido esteárico para controlar o processo de
vulcanização e realçar as propriedades físicas da borracha (Ko et al., 2004).
Tabela 2.6: Análise elementar do pneu inservível (Galvagno et al., 2002 apud Ko et al.,
2004).
Elemento Porcentagem (%)
Carbono 85,16
Hidrogênio 7,27
Oxigênio 0,54
Nitrogênio 0,38
Enxofre 2,3
Cinzas 4,36
Devido à composição da borracha de pneu apresentar elevadas concentrações de
zinco e enxofre, além de outros metais potencialmente prejudiciais à saúde, tais como
chumbo, cádmio, cromo e molibdênio, há preocupação que de que essas impurezas
inorgânicas presentes restrinjam seu uso em aplicações em fase líquida caso sejam
necessários elevados requisitos de pureza, como para o tratamento de água para consumo
humano.
28
Entretanto, segundo San Miguel et al. (2002), a lixiviação de espécies inorgânicas
derivadas da borracha de pneu é fortemente influenciada pelas condições de pH da solução.
Os resultados apresentados demonstram que a disponibilidade da maioria das espécies
inorgânicas em condições neutras (pH 7) foi muito limitada e apenas 1% de enxofre e 15%
do zinco presente nos carvões foram lixiviados em solução. Através deste trabalho foi
demonstrado que somente os níveis de enxofre ultrapassaram, em alguns ensaios, os níveis
recomendados pela Organização Mundial da Saúde (OMS) para água potável, e que os
níveis de concentração de outras espécies potencialmente nocivas, incluindo zinco,
chumbo, cromo e molibdênio, sempre foram bem abaixo dos VMP’s pela OMS.
2.7.2. Passivo ambiental
O descarte e destino final de pneus inservíveis atualmente é um dos maiores
problemas ambientais em todo o mundo, pois as mesmas propriedades que tornam os pneus
desejáveis para o transporte, principalmente a durabilidade, fazem sua reciclagem e
reprocessamento ser de grande dificuldade, sendo praticamente imunes à degradação
biológica (González et al., 2006 ; Ko, et al., 2004).
São estimados que cerca de 330 milhões de pneus inservíveis sejam descartados
todos os anos no mundo (Gonzáles et al., 2006). No Brasil, segundo a Associação Nacional
da Indústria de Pneumáticos existem cerca de 100 milhões de pneus descartados em aterros,
terrenos baldios, rios e lagos, sendo estimada a geração anual de dezessete milhões de
pneus inservíveis no país, sendo 40% deste total proveniente do estado de São Paulo (Anip,
2005 apud Rombaldo, 2008). Segundo a Reciclanip (empresa responsável pela coleta e
destinação adequada de pneus inservíveis) foram coletados 62 milhões de unidades de
pneus inservíveis de carros de passeio em 2010 (Reciclanip, 2011), demonstrando a
necessidade de gerenciamento deste resíduo sólido.
Os maiores problemas ambientais relacionados à destinação inadequada dos pneus
inservíveis são, segundo Mui et al. (2010):
29
. O acúmulo de pneus proporciona um terreno fértil para moscas e mosquitos
potencialmente causadores de doenças graves (ex: dengue, febre amarela, entre outras),
afetando diretamente à saúde humana.
. Grandes estoques podem causar incêndios que provocam poluição atmosférica.
. Devido ao elevado custo de disposição legal para os resíduos sólidos, descargas ilegais
tendem a aumentar.
. Estes resíduos ocupam espaço em aterros sanitários, sendo proibidos em muitos aterros ou
são cobradas taxas mais elevadas para destinação ambientalmente adequada.
Visando uma destinação adequada deste resíduo sólido, e considerando a
necessidade de disciplinar o gerenciamento dos pneus inservíveis, foi recentemente
publicada a resolução Conama no416 (2009), que dispõe sobre a prevenção à degradação
ambiental causada por pneus inservíveis e sua destinação ambientalmente adequada. Sendo
estabelecida a partir desta publicação a obrigatoriedade de empresas fabricantes e
importadoras em dar destinação ambientalmente adequada a um pneu inservível para cada
novo pneu comercializado para o mercado de reposição.
Tal destinação é definida, segundo Conama (2009) como procedimentos técnicos
em que os pneus são descaracterizados de sua forma inicial, e que seus elementos
constituintes são reaproveitados, reciclados ou processados por outra(s) técnica(s)
admitida(s) pelos órgãos ambientais competentes, observando a legislação vigente e normas
operacionais específicas de modo a evitar danos ou riscos à saúde pública e à segurança, e a
minimizar os impactos ambientais adversos.
Atualmente, as principais destinações relacionadas à reutilização desta matéria
prima envolvem o co-processamento, laminação, manta asfática, além da produção de
artefatos de borracha, tais como borracha de vedação e tapetes de automóveis.
A reutilização deste material através da pirólise é considerado um método não
convencional para reciclagem de pneus, no entanto, está técnica vem recebendo cada vez
mais atenção por agregar valor a este resíduo sólido amplamente disponível e com elevado
potencial como adsorvente de substâncias orgânicas e inorgânicas (Rodriguez et al., 2001).
30
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Este trabalho foi desenvolvido em escala de bancada, sendo a parte experimental realizada
nos laboratórios de físico-química de superfícies e de análises térmicas, ambos do
departamento de química (DEQUI/ICEB), de hidrometalurgia do departamento de
metalurgia (DEMET/EM), de microscopia eletrônica do departamento de geologia
(DEGEO/EM) e de enzimologia e proteômica do núcleo de pesquisas em ciências
biológicas (NUPEB/ICEB) da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), além do setor
de hidrobiologia da divisão de pesquisa e controle de qualidade de água e esgoto,
Companhia de Saneamento de Minas Gerais (SHB/DVQA/COPASA).
O desenvolvimento do trabalho seguiu as seguintes etapas:
I - Cultivo da cianobactéria Cylindrospermopsis raciborskii.
II - Extração e purificação da saxitoxina.
III - Produção dos CA’s a partir da borracha de pneu inservível.
IV - Caracterização dos carvões através da determinação da área superficial específica
(ASE), da análise termogravimétrica (TGA) e da análise por microscopia eletrônica de
varredura (MEV).
V - Ensaios de adsorção em batelada.
VI – Análise por Espectrofotometria no ultra violeta
3.1. Cultivo das cianobactérias, extração e purificação da saxitoxina
Foi realizado o cultivo de uma cepa tóxica (HBCR) da espécie de cianobactéria
Cylindrospermopsis raciborskii, coletada na captação de água da cidade de Carmo do Rio
Claro (MG), represa de Furnas, em julho de 2009. O cultivo celular foi realizado durante
nove semanas no setor de hidrobiologia (SHB) da COPASA, utilizando-se equipamento de
banho metabólico com agitação orbital tipo dubnoff, marca Marconi, modelo MA-095
(Figura 3.1). A amostra foi cultivada em meio ASM1 (Gorham et al., 1964), e mantida sob
31
aclimatação de 30,0 ± 1,00 C, fotoperíodo de 12/12h, luminosidade constante de 40 µE/m2/s
e 110 rpm (Chorus & Bartram, 1999; Briand et al., 2004).
Figura 3.1: Banho metabólico utilizado para realização do cultivo celular da espécie
Cylindrospermopsis raciborskii.
O aumento no volume do cultivo celular foi realizado gradativamente e
posteriormente a cada análise quantitativa, cujos ensaios foram realizados semanalmente de
acordo com a distribuição de Poisson, com o emprego da câmara de Sedgwick-Rafter
(APHA, 1998), utilizando-se microscópio binocular da marca Leitz, modelo laborlux,
acoplado com sistema de vídeo printer calibrado.
A concentração das células da espécie C. raciborskii foi realizada através da
filtração a vácuo do cultivo algal em pré-filtros AP20, em microfibra de vidro, com
retenção nominal de 0,8 a 8,0 µm, 47mm de diâmetro e 0,45 µm (Figura 3.2), marca
Millipore, sendo posteriormente liofilizados por 24 horas em equipamento da marca
MicroModulyo (Figura 3.3 (A)) (Chorus & Bartram, 1999).
Para o procedimento de extração da cianotoxina intracelular, os pré-filtros contendo
o material seco retido foram fragmentados em um almofariz, sendo posteriormente
macerados em solução de ácido acético 0,005 M (Figura 3.3 (B)). Após esta etapa, o
material foi centrifugado a 3.500 rpm por 15 minutos, sendo o precipitado novamente
32
extraído com solução de ácido acético e centrifugado sob as mesmas condições descritas
por três vezes consecutivas. Os sobrenadantes foram misturados e o pH ajustado para 4,0
visando aumentar estabilidade da amostra até sua utilização (Chorus & Bartram, 1999).
Figura 3.2. Concentração das células cultivadas: (A) Filtração à vácuo do cultivo algal (B)
Filtros pós filtração com material celular retido.
Figura 3.3. (A) Liofilização do material celular retido nos filtros (B) Procedimento para
extração da cianotoxina intracelular em almofariz utilizando-se ácido acético 0,005M.
O processo de purificação das saxitoxinas para os ensaios de adsorção foi realizado
através da centrifugação do extrato algal a 5000 rpm por dez minutos, visando à separação
do material celular contido no extrato das células da cianobactéria cultivada. Para a análise
por cromatografia, o sobrenadante foi novamente purificada seguindo a metodologia
(B)
(B) (A)
(A)
33
descrita por Oshima (1995), utilizando-se cartuchos C18 previamente condicionados com
metanol 100% e água ultra pura, respectivamente.
3.2. Produção do carvão ativado
A matéria-prima utilizada para a produção do CA, fornecida pela empresa Luma
Pneus, situada em Contagem-MG, consiste de raspas da banda de rodagem de pneus
inservíveis de carros de passeio. Esta parte do pneu foi escolhida por não apresentar
inconvenientes para o reaproveitamento, como a presença de fibras de aço misturadas à
borracha.
O processo de produção dos CA’s, realizado no Laboratório de Físico-Química de
Superfícies do Departamento de Química (DEQUI/ICEB/UFOP), consistiu em adicionar 10
g da borracha de pneu inservível em um reator de aço inoxidável (AISI 309), sendo este
posteriormente inserido em uma mufla (Forno Lavoisier – Modelo 4008) com controle
digital de temperatura (Tholz - MDH). O processo foi realizado em duas etapas, a saber, a
carbonização ou pirólise e a ativação.
As condições da etapa de carbonização foram fixadas em: temperatura 500oC e
tempo de reação de 60 minutos (Ariyadejwanich et al., 2003), em atmosfera de nitrogênio
mantida por fluxo gasoso através do reator. Ao carvão produzido nesta etapa foi dado o
nome de carvão PIRO.
Após finalizar o tempo de pirólise, o fluxo gasoso de N2 era substituído por um
fluxo de CO2 e passava-se à etapa de ativação. As variáveis de produção da etapa de
ativação dos carvões foram a temperatura de ativação (850, 900 e 950oC), tempo de reação
(60, 90 e 120 minutos) e fluxo de CO2 (145, 190 e 240 ml/min.). Com o intuito de se definir
de forma mais ágil e eficiente as condições que forneceriam um CA de ASE mais elevada,
foi adotada a metodologia do planejamento fatorial completo, para triagem das variáveis
investigadas supracitadas. Nesta metodologia foram adotados, respectivamente, para cada
valor das variáveis mencionadas acima os níveis codificados -1, 0 e 1 (Neto et al., 2002),
correspondendo a variável operacional com o menor valor ao nível codificado -1 e ao maior
34
valor da variável, o nível codificado 1. A variável codificada 0 corresponde ao ponto
central (média aritmética). A Tabela 3.1 apresenta o planejamento codificado e os níveis
decodificados dos experimentos realizados. Os ensaios de produção dos CA’s foram
realizados aleatoriamente de acordo com as designações do planejamento fatorial completo
(23) com quadruplicata no ponto central, visando avaliação do erro experimental na
produção dos carvões.
Após o processo de produção, os carvões foram pesados para avaliação do
rendimento e perda de massa (burn-off), sendo posteriormente armazenados em dessecador
até a utilização para caracterização e determinação da capacidade adsortiva. A equação 3.1
mostra a expressão utilizada para cálculo da perda de massa, onde W1 é a massa inicial
(matéria prima in natura) e W2 é a massa final (carvão obtido).
Burn-off = W1 – W2 / W1 x 100% (3.1)
35
Tabela 3.1: Planejamento fatorial completo 23 para o estudo do processo de ativação para
produção dos CA’s.
Amostra de carvão
Temperatura de ativação
(oC)
Tempo de reação (min)
Fluxo de CO2
(mL/min)
CAP I -1 (850) -1 (60) -1 (145)
CAP II 1 (950) -1 (60) -1 (145)
CAP III -1 (850) 1 (120) -1 (145)
CAP IV 1 (950) 1 (120) -1 (145)
CAP V -1 (850) -1 (60) 1 (240)
CAP VI 1 (950) -1 (60) 1 (240)
CAP VII -1 (850) 1 (120) 1 (240)
CAP VIII 1 (950) 1 (120) 1 (240)
CAP IX 0 (900) 0 (90) 0 (190)
CAP X 0 (900) 0 (90) 0 (190)
CAP XI 0 (900) 0 (90) 0 (190)
CAP XII 0 (900) 0 (90) 0 (190)
3.3. Caracterização do carvão ativado
3.3.1. Área superficial específica
A análise da área superficial específica (ASE), volume e distribuição dos poros do
carvão produzido foi realizada em equipamento Autosorb (Quantachrome Corporation),
determinada pela medida de adsorção de moléculas de nitrogênio à temperatura de 77K,
36
com o uso da Isoterma de Adsorção de BET. Tais análises foram realizadas no Laboratório
de Hidrometalurgia do Departamento de Metalurgia (DEMET/EM/UFOP).
3.3.2. Microscopia eletrônica de varredura
Foi utilizado um microscópio eletrônico de varredura da marca JEOL/EO, modelo
JSM – 5500, versão 1.0, com sistema de captura de fotos reflex acoplado, equipamento este
alocado no Laboratório de Microscopia Eletrônica do Departamento de Geologia
(DEGEO/EM/UFOP). Não foi necessária a preparação prévia da amostra para análise,
sendo somente realizada a montagem dos suportes metálicos específicos, denominados
stubs, permitindo a fixação da amostra dentro do microscópio utilizado. As
microfotografias foram produzidas em diferentes níveis de aumento.
3.3.3. Análise térmica
A análise térmica da matéria prima in natura utilizada para produção do carvão
ativado foi realizada em equipamento Simultaneous TGA – DTA, modelo SDT – 2960 da
TA Instruments, disponível no Laboratório de Análises Térmicas do Departamento de
Química (DEQUI/ICEB/UFOP). O ensaio foi realizado sob fluxo de 100 mL/min de
nitrogênio, faixa de temperatura analisada de 10 a 1100oC e aquecimento de 10oC/min,
gerando uma curva de decomposição térmica que fornece a massa perdida em função do
aumento da temperatura de análise.
3.3.4. Avaliação da influência do carvão no pH da água
Visando verificar se o CA colocado em contato com a água causaria alterações na
própria qualidade da mesma, foram realizados experimentos de medições do pH ao longo
do tempo de contato carvão-água, segundo a norma D 3838 (ASTM, 1986), com dois
carvões de características mais diferenciadas, ou seja, o de maior e o de menor ASE. O
37
monitoramento foi realizado medindo-se o pH de 10 em 10 minutos, por um período total
de 80 minutos. Com uma amostra de controle (CN) contendo apenas água foi feito um
monitoramento similar. Após os ensaios, as suspensões foram deixadas em repouso por 30
minutos para a sedimentação dos carvões. Posteriormente os mesmos foram secados em
estufa por 2 horas. Em seguida os ensaios foram repetidos da mesma forma e com as
mesmas amostras de carvão utilizadas nos primeiros ensaios, com o objetivo de se verificar
se o comportamento do ponto de vista de pH continuaria o mesmo.
3.4. Análise cromatográfica Uma identificação e quantificação prévias da toxina no extrato proveniente do
cultivo celular foram realizadas em equipamento HPLC/DF, através da comparação da área
dos picos cromatográficos obtidos para a amostra do extrato em relação ao padrão utilizado
proveniente do National Research Council Canada (NRCC). Os ensaios foram realizados
no setor de análises orgânicas da COPASA, seguindo a metodologia descrita por Oshima
(1995) através da derivatização pós coluna, fase estacionária C18, fase móvel com solução
de fosfato com 6% de acetonitrila sob fluxo de 0,8 mL/min e detecção por fluorescência,
λex = 330nm, λem = 390nm.
3.5. Ensaios de adsorção de saxitoxinas
Os ensaios de adsorção foram realizados em duplicata e de acordo com a norma
D3860 (ASTM, 2000). Os experimentos foram realizados em equipamento de banho
metabólico da marca Quimis, modelo 194/3, sob rotação de 100 rpm e temperatura
constante de 25º C. O tempo de contato utilizado foi de duas horas, conforme
recomendação da ASTM (D3860, 2000), correspondente ao período de permanência na
água em uma ETA convencional.
Quanto à massa de carvão e o volume da amostra utilizada nos ensaios de adsorção,
foram realizadas adaptações em relação ao recomendado pela norma D3860, devido ao
38
pequeno volume de extrato de toxina disponível para a execução dos ensaios. Foi utilizado
um volume de 2,5 mL por amostra, e dosagens de CA de 0,5, 1, 2 e 3 mg/L,
correspondendo a massas de 12, 25, 50 e 75 mg, respectivamente.
Posteriormente ao tempo de contato estabelecido, as amostras foram centrifugadas a
14.000 rpm por quatro minutos, visando a separação do CA, sendo analisadas em seguida
por espectrofotometria de ultra violeta em 254nm, em equipamento da marca HP modelo
8453, disponível no Laboratório de Físico-Química de Superfícies (DEQUI/ICEB/UFOP),
avaliando-se assim, a eficiência de remoção da toxina através da quantificação de matéria
orgânica presente na amostra (Snoeyink (1990) apud Silva (2006)).
Foi construída uma curva de calibração através da leitura em 254nm das diluições
do extrato bruto, gerando uma curva com seis pontos, que foi utilizada para analisar as
concentrações de saxitoxinas nas amostras dos ensaios de adsorção sobre os carvões. Para
evitar erros nas contagens dos tempos dos ensaios passíveis de ocorrerem devido às
operações de centrifugação e preparos para as análises, os tempos de início dos vários
experimentos foram diferenciados em quinze minutos.
39
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta seção são apresentados e discutidos os resultados referentes ao cultivo celular e
obtenção da toxina isolada, além da caracterização e avaliação da capacidade adsortiva do
CA produzido à partir da borracha de pneu.
4.1. Cultivo e quantificação da espécie Cylindrospermopsis raciborskii
O cultivo celular da cianobactéira Cylindrospermopsis raciborskii foi realizado por
nove semanas, partindo de um volume de 150 mL de meio de cultura até um volume final
de 5250 mL. Após a liofilização obteve-se 0,2359g de material celular seco. As Figuras 4.1
e 4.2 apresentam, respectivamente, as fotografias do meio mostrando os filamentos algais
da espécie cultivada e a evolução da concentração de células no cultivo. Como se pode
observar o cultivo estendeu-se até uma concentração de células da ordem de 107 células/L.
Figura 4.1. Fotografias dos filamentos algais do cultivo da espécie Cylindrospermopsis
raciborskii.
(400x) (200x)
40
Figura 4.2. Concentração de células versus número de semanas de cultivo.
4.2. Análise cromatográfica
Os ensaios cromatográficos foram realizados no setor de análises orgânicas (SAO /
COPASA), onde somente a identificação e quantificação da toxina isolada foram
realizadas. As Figuras 4.3 e 4.4 apresentam os cromatogramas do extrato proveniente do
cultivo e dos padrões analisados, respectivamente.
41
Figura 4.3. Cromatograma do extrato proveniente do cultivo da espécie
Cylindrospermopsis raciborskii. Fase estacionária C18. Fase móvel com solução tampão de
fosfato com 6% de acetonitrila, sob fluxo de 0,8 mL/min. Detector de Fluorescência, λex =
330nm, λem = 390nm.
Figura 4.4. Cromatograma do padrão misto Neosaxitoxina-saxitoxina. Fase estacionária
C18. Fase móvel com solução tampão de fosfato com 6% de acetonitrila, sob fluxo de 0,8
mL/min. Detector de Fluorescência, λex = 330nm, λem = 390nm.
NeoSTX
STX
42
O tempo de retenção apresentado pelo pico cromatográfico da amostra sugere que a
toxina produzida pela cepa HBCR é neurotóxica, denominada NeoSTX. A curva de
calibração utilizada para a quantificação está apresentada na Figura 4.5.
Figura 4.5. Curva de calibração para a Neosaxitoxina.
Através da curva de calibração apresentada, cuja linearidade (R2 igual a 0,9990), e
comparando-se a área do pico referente ao padrão analisado com a área do pico da amostra
do extrato proveniente do cultivo, obteve-se como concentração inicial da toxina no extrato
bruto 80 µg/L, sendo este valor utilizado como concentração inicial nos experimentos de
avaliação da eficiência de remoção da cianotoxina isolada pelo CA produzido.
4.3. Caracterização do carvão ativado
4.3.1. Área superficial específica
De acordo com o planejamento fatorial adotado, foram obtidos valores de área
superficial específica (ASE) da mesma ordem de grandeza de alguns trabalhos relatados
pela literatura (Helleur et al., 2001; Sainz-Dias & Griffithis, 2000; Betancur et al.,2009;
Garcia et al., 2007; Zabaniotou & Stavropoulos, 2003; González et al., 2006), onde se
utilizou também o CO2 como gás ativante, em variadas condições. Os resultados referentes
43
à caracterização dos carvões, burn-off e rendimento estão apresentadas na Tabela 4.1. Para
o Carvão PIRO o burn off e o rendimento foram de 61,7% e 38,3%, respectivamente.
Tabela 4.1: Características dos carvões produzidos de acordo com as designações do
planejamento fatorial completo 23.
Amostra BO ŋ ASE Volume de Microporos
Área de Microporos
Volume de Mesoporos*
Volume total de poros
(%) (%) (m2/g) (cm3/g) (m2/g) (cm3/g) (cm3/g)
CAP I 67,4 32,6
96,14
0,04597
130,2 0,31223 0,3582
CAP II 75,05 24,9 370,5 0,19640 556,0 0,8486 1,0450
CAP III 67,4 32,6 170,8 0,08789 248,8 0,76241 0,8503
CAP IV 80,62 19,4 526,8 0,27940 791,0 0,7256 1,0050
CAP V 63,46 36,5 118,8 0,05709 161,6 0,68971 0,7468
CAP VI 74,4 25,6 365,7 0,01929 546,1 0,78931 0,8086
CAP VII 63,61 36,4 157,4 0,07652 216,7 0,77088 0,8474
CAP VIII 83,68 16,31 598,7 0,31750 889,0 1,2345 1,5520
CAP IX 71,97 28,02 278,2 0,14470 409,7 1,0083 1,1530
CAP X 71,65 28,34 221,7 0,10880 308 0,6744 0,7832
CAP XI 72,44 27,55 250,2 0,13090 370,7 0,64 0,7709
CAP XII 71,21 28,78 268,4 0,14090 398,9 0,8248) 0,9657
BO: burn-off ŋ: rendimento * Valores calculados segundo Pendleton et al.(2001)
A Figura 4.6 apresenta os valores para ASE estimados pelo modelo do planejamento
fatorial completo 23 por regressão linear múltipla (MLR) versus os valores de ASE dos
pontos experimentais do planejamento encontrados experimentalmente.
44
Figura 4.6. Correlação entre valores estimados e observados referentes à ASE dos CA’s
produzidos.
A correlação apresentada na Figura 4.6 apresentou boa linearidade (R2 igual a
0,9884) entre os dados estimados e observados experimentalmente para ASE obtidos por
meio do planejamento experimental de triagem realizado. A Figura 4.7 mostra o gráfico de
probabilidade normal do planejamento fatorial completo 23 executado. As variáveis 1, 2 e 3
são, respectivamente, a temperatura de ativação, o tempo de reação e o fluxo do gás de
ativação (CO2). São apresentadas também as combinações dessas variáveis.
45
Figura 4.7. Gráfico de probabilidade normal do planejamento fatorial completo 23 realizado
para estudo do processo de produção dos CA’s.
De acordo com a Figura 4.7, a temperatura de ativação se apresentou como a
variável com maior interferência na ASE dos carvões. As Figuras 4.8 a 4.10 apresentam a
influência das variáveis de operação supracitadas em relação a ASE dos carvões
produzidos.
Figura 4.8: Influência do fluxo de CO2 na ASE.
46
Como se pode observar não há uma tendência perceptível de variação da ASE com
a variação do fluxo de CO2.
Figura 4.9: Influência da temperatura de ativação na ASE.
A análise da Figura 4.9 demonstra uma nítida variação da ASE acompanhando a
variação da temperatura de ativação.
Figura 4.10: Influência do tempo de reação na ASE.
47
Assim como ocorreu com a variável fluxo gasoso, pode-se observar que não há uma
tendência perceptível de variação da ASE com a variação do tempo de ativação. Estes
resultados corroboram a previsão feita pelo gráfico da Figura 4.7. Portanto, a variável de
produção que interfere de modo mais intenso na ASE é a temperatura de ativação, resultado
este semelhante ao observado por Betancur et al. (2009) e González et al. (2006).
A Figura 4.11 apresenta o panorama dos volumes totais de poros e distribuição
desses volumes entre mesoporos e microporos, para os diversos carvões produzidos.
Figura 4.11: Distribuição do volume de poros dos CAP’s produzidos.
A análise da distribuição do volume de poros dos CA’s produzidos derivados da
borracha de pneu em cada ensaio experimental do planejamento fatorial demonstra que
estes CA’s possuem predominantemente características mesoporosas, conforme observado
por Garcia et al. (2007), Mui et al. (2010) e González et al. (2006). O CA que apresentou o
maior valor de área superficial e de volume de poros foi o CAP VIII, ou seja, o carvão
produzido por carbonização a 500º C durante 60 minutos, seguida de ativação a 950ºC
durante 120 minutos sob um fluxo de CO2 de 240 mL/min. Este carvão apresentou ASE e
volume total de poros de 598,7 m2/g e 1,5520 cm3/g, respectivamente. As características
bem como os parâmetros de rendimento do processo para este carvão não diferem
48
substancialmente dos valores obtidos por outros autores, conforme mostra os dados da
Tabela 2.4.
As Figuras 4.12 e 4.13 mostram respectivamente os valores de BO e dos
rendimentos percentuais em massa, obtidos nos processos de produção dos vários CA’s.
Figura 4.12. Correlação entre ASE e burn-off.
Figura 4.13. Correlação entre ASE e rendimento dos CA.
49
Portanto os valores de BO mais elevados e de rendimento em massa mais baixo
foram obtidos para o carvão CAP VIII, que é o carvão onde se obteve o maior valor de
ASE e volume total de poros.
De acordo com Dubinin (1965) apud Rombaldo (2008), o carvão ativado
microporoso é produzido quando o grau de burn-off é menor que 50% e o carvão ativado
macroporoso é produzido com burn-off maior que 75%. Quando o grau de burn-off está
entre 50% e 75%, o carvão ativado produzido tem estrutura porosa mista, pois contêm
poros de todos os tamanhos. Isto está de acordo com o que se obteve pois os carvões são
predominantemente mesoporosos e os valores de burn off encontram-se todos acima de
50%.
4.3.2. Microscopia eletrônica de varredura
Os carvões PIRO, CAP I e CAP VIII foram selecionados para serem analisados por
MEV. O primeiro trata-se de um carvão que passou apenas pelo processo de pirólise na sua
produção. Os dois últimos são os carvões ativados com valores de área superficial e volume
de poros mais discrepantes. As Figuras 4.14, 4.15 e 4.16 mostram as microfotografias
obtidas para estes carvões.
50
Figura 4.14. Fotografia da amostra PIRO com aumento de 230 vezes.
Figura 4.15. Fotografia da amostra CAP I com aumento de 200 vezes.
51
Figura 4.16. Fotografia da amostra CAP VIII com aumento de 230 vezes.
4.3.3. Análise térmica da matéria prima Este ensaio teve como objetivo avaliar o comportamento térmico da borracha de
pneu in natura, identificando os aspectos relacionados à decomposição térmica da matéria
prima sob atmosfera inerte (N2) nas condições descritas no item 3.3.3. A Figura 4.17 mostra
a curva termogravimétrica (TG) e sua derivada (DTG).
52
Figura 4.17. Análise termogravimétrica da matéria prima, sob fluxo de 100 mL/min de N2,
faixa de temperatura analisada de 10 a 1100oC e taxa de aquecimento de 10oC/min.
Pela figura 4.17 observa-se que o início do processo de pirólise ocorre a partir de
200oC, sendo observado que a massa da borracha do pneu decresce com o aumento da
temperatura. No entanto, a partir de aproximadamente 500oC, temperatura esta considerada
como término do processo de pirólise desta matéria prima (Murillo et al., 2006), não ocorre
mais variação de massa. Este resultado é similar ao encontrado por Rombaldo (2006) e
Betancur et al. (2009).
De acordo com Betancur et al. (2009), o processo de aumento da temperatura gera
três zonas com picos mais representativos. A primeira zona está entre 100 e 270oC,
associada com a secagem das partículas e degradação de aditivos da borracha de pneu, tais
como, óleos de diluição, plastificantes, entre outros. A segunda zona, mencionada entre 270
e 350oC, referente a decomposição da borracha natural do pneu, e a terceira zona, em faixas
de temperatura entre 350 e 450oC está associada à degradação da mistura estireno-
butadieno e da borracha de butadieno. Segundo Murillo et al.(2006), em temperaturas
superiores a 490oC uma taxa de reação próxima de zero é observada, conforme resultado
apresentado na figura 4.17.
53
Conforme observado na análise da curva da derivada da perda de massa em relação
à temperatura, apresentada na Figura 4.17, aparecem claramente três bandas na faixa de
temperatura que vai da temperatura ambiente (25º C) até cerca de 500º C. Ou seja, os
resultados são concordantes com os obtidos nos trabalhos mencionados.
Há de se observar que segundo a curva termogravimétrica da Figura 4.17, até cerca
de 500º C a matéria prima perde 63% de sua massa inicial. Este valor é praticamente o
mesmo obtido para o burn-off da etapa de pirólise do processo de produção dos carvões
(61,7%), etapa esta efetuada a 500º C e durante 60 minutos, sob atmosfera de nitrogênio, e
que produziu o carvão PIRO. A efetiva ativação do carvão apenas ocorrerá em temperaturas
mais elevadas que 500º C, onde há o desenvolvimento da sua estrutura porosa típica.
4.3.4. Avaliação da influência do carvão no pH da água
As Figuras 4.18 e 4.19 mostram os valores de pH obtidos nos dois ensaios
realizados com os carvões CAP I e CAP VIII, nas formas granular (G) e na forma
pulverizada (P), além da amostra de controle (CN). Conforme já mencionado
anteriormente, o segundo ensaio foi realizado com o carvão já utilizado no primeiro após
secagem, ou seja, com o carvão previamente lavado.
54
Figura 4.18. pH da suspensão de carvão versus tempo a partir da formação da suspensão.
Primeiro contato carvão-água após a produção do carvão.
Figura 4.19. pH da suspensão de carvão já usado no primeiro contato versus tempo. Carvão
préviamente seco em estufa.
A Figura 4.18 mostra que a imersão dos carvões em água provoca o aumento do pH
do meio chegando a valores da ordem de 9 e 10, mostrando então que os carvões
produzidos são carvões básicos. A Figura 4.19 mostra que uma pré lavagem dos carvões
diminui substancialmente este efeito. Este resultado indica que para se evitar a interferência
55
do pH em estudos de adsorção com este material, os carvões deverão ser lavados antes de
suas utilizações.
4.4. Ensaios de adsorção de saxitoxinas
Para quantificação da toxina adsorvida durante os ensaios, foi realizada uma curva
de calibração com o extrato bruto para se avaliar a eficiência de remoção de NeoSTX. A
Figura 4.20 apresenta a curva de calibração construída a partir das medidas das
absorbâncias e suas diluições em 254nm.
Figura 4.20: Curva de calibração para NeoSTX utilizada nos ensaios de adsorção.
A curva analítica apresentou boa linearidade (R2 igual a 0,9914), sendo então
utilizada para medir a concentração de NeoSTX após os ensaios de adsorção. Conforme
mencionado anteriormente, as análises nos estudos de adsorção foram realizadas por
espectrofotometria no UV e comprimento de onda igual a 254nm, sendo utilizado o carvão
CAP VIII por apresentar maior área superficial específica e volume total de poros. As
Figuras 4.21 e 4.22 apresentam os valores médios encontrados referentes aos ensaios de
adsorção e a taxa de remoção dos experimentos, respectivamente.
56
Figura 4.21. Concentração no equilíbrio versus dosagens de carvão. Tempo de contato 2
horas. Temperatura 25º C.
Figura 4.22: Eficiência de remoção de NeoSTX em diferentes concentrações de adsorvente.
Tempo de contato 2 horas. Temperatura 25º C.
Conforme apresentado nas Figuras 4.21 e 4.22 o CA produzido possui elevada
eficiência de remoção de NeoSTX, apresentando valores, em porcentagem, de 75, 62, 47 e
10%, para concentrações de adsorvente de 3, 2, 1 e 0,5 mg/L, respectivamente. Estes
57
valores encontrados demonstram a potencialidade deste CA para adsorção de saxitoxinas
solúveis.
Relatos da literatura, apresentados no item 2.5, demonstram que o CA, tanto em pó
quanto granular são eficientes na remoção de STX (Newcombe & Nicholson, 2002; Orr et
al., 2004; Silva (2005) e Viana (2006)), entretanto os valores referentes à porcentagem de
remoção diferem-se nos estudos citados.
No trabalho de Orr et al.(2004), o CAG foi eficiente na remoção completa de STX
com um tempo de contato mencionado inferior a 8 horas e uma concentração inicial de
adsorvato de 30 µg/L, sendo esta a mesma taxa de remoção encontrada por Newcombe &
Nicholson (2002), mas para um tempo de contato inferior, de 1 hora utilizando-se uma
dosagem de 30 mg/L, entretanto a concentração inicial de adsorvato não foi informada.
O trabalho de Silva (2005) avaliou a eficiência de remoção de cinco carvões
ativados em pó produzidos no Brasil, alcançando uma eficiência de remoção máxima de
33% para um tempo de contato de 12 horas com CAP derivado de coco a uma dosagem de
12mg/L . Viana (2006) por sua vez, obteve um percentual máximo de 68% de eficiência de
remoção para carvões de osso e madeira com dosagens de 20 e 50 mg/L, respectivamente.
Portanto, apesar dos valores de taxa de remoção avaliados não tenham atingido a
remoção completa de NeoSTX, conforme alguns dos trabalhos citados, os valores são
considerados satisfatórios levando em consideração as dosagens de CA empregadas neste
projeto, bem inferiores às concentrações utilizadas nos trabalhos mencionados.
4.4.1. Aplicação dos modelos de isotermas de adsorção
As Figuras 4.24 e 4.25 apresentam os gráficos resultantes da aplicação do modelo
de Freundlich e do modelo de Langmuir, respectivamente, aos dados obtidos.
58
Figura 4.23. Aplicação da equação de Freundlich aos resultados obtidos.
A Figura 4.23 apresenta a correlação entre Qe, referente à quantidade adsorvida na
fase sólida (mg/g) e Ce, que mostra a concentração de equilíbrio na fase líquida. O modelo
de Freundlich apresentou boa linearidade em relação aos resultados obtidos nos ensaios de
adsorção realizados com coeficiente de correlação igual a 0,9019.
Quanto à capacidade de adsorção dos CA’s, determinada pela constante (Kf), o
valor encontrado foi igual a 13,187 mg/g e o valor da constante empírica n resultou igual a
2,387, demonstrando, conforme Aygun et al. (2003), que a adsorção neste processo ocorre
em multicamadas pois o valor de n foi superior a 1.
Figura 4.24. Aplicação da equação de Langmuir aos resultados obtidos.
59
Em relação ao modelo de Langmuir, apresentado na Figura 4.24, que apresenta a
correlação entre 1/Q, que estabelece a quantidade adsorvida na fase sólida (mg/g) e 1/Ce,
referente à concentração de equilíbrio de adsorvato na fase líquida (mg/L), os dados obtidos
não se enquadraram a este modelo, sendo o coeficiente de correlação igual a 0,0095.
De acordo com os valores apresentados, o modelo de Freundlich é o mais adequado
para avaliação do processo de adsorção de NeoSTX sobre o CA produzido a partir da
borracha de pneu inservível. Isto sugere que este processo de adsorção ocorre através da
presença de diferentes grupos funcionais formados na superfície do adsorvente produzido,
ocorrendo desta forma, diversas interações entre o adsorvente e o adsorvato, e não em sítios
homogêneos como sugerido pelo modelo de Langmuir.
60
5. CONCLUSÕES
A partir do cultivo celular da cianobactéria Cylindrospermopsis raciborskii obteve-se o
extrato bruto de uma cianotoxina neurotóxica, a qual a partir da análise cromatográfica
realizada mostrou ser a neosaxitoxina.
Em relação à produção do carvão ativado, realizado através do planejamento fatorial, a
variável que possui maior influência nas características físicas dos carvões foi a
temperatura de ativação, apresentando uma relação direta com a área superficial específica.
Quanto ao pH dos carvões, os mesmos podem ser considerados básicos, provocando
portanto, o aumento do pH no meio em que se dispersa.
Dentre as características avaliadas dos carvões em relação ao volume e distribuição de
poros, verificou-se que estes carvões são predominantemente mesoporosos, obtendo-se os
valores máximos para área superficial específica e volume total de poros de 598,7 m2/g e
1,5520cm3/g, respectivamente.
Os ensaios de adsorção realizados demonstraram que o processo segue o modelo de
Freundlich, confirmando o potencial do CA produzido para remoção de neosaxitoxina,
apresentando uma capacidade de adsorção (Kf) de 13,187 mg/g. A eficiência de remoção
depende da dosagem empregada de adsorvente, atingindo uma eficiência máxima de 75%
para uma dosagem de 3 mg/L.
Através deste projeto obteve-se um adsorvente produzido a partir de uma matéria prima
com elevado passivo ambiental em termos de saúde pública. Este carvão ativado apresentou
boas características e elevado potencial para possíveis aplicações futuras.
61
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
� Realizar ensaios com leito fixo / fluxo contínuo com o intuito de efetivar a aplicação
cotidiana do material produzido.
� Avaliar a natureza dos grupos funcionais presentes na superfície dos carvões
ativados, com o intuito de prever possíveis aplicações como adsorvente a adsorvatos
específicos, tais como a adsorção de outras cianotoxinas e compostos orgânicos.
� Avaliar a lixiviação de substâncias potencialmente nocivas derivadas do carvão
ativado produzido.
� Avaliar de forma ambientalmente adequada à disposição final do material produzido
pós utilização.
62
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