Utilização de carvão ativado obtido a partir de lodo da indústria de polpa celulósica para tratamento de efluente industrial
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Daniel Bastos de Rezende
Emerson Adriano Guarda
Daniella Regina Mulinari
Elisandra Scapin
Emerson Adriano Guarda
Daniella Regina Mulinari
Elisandra Scapin
Resumo
A indústria de polpa celulósica gera quantidades expressivas de lodo primário (LP) e lodo secundário (LS), cuja gestão ainda representa um desafio técnico, ambiental e econômico. Esta tese investigou a conversão desses resíduos em carvão ativado e sua aplicação no tratamento de efluente industrial, com ênfase na valorização de resíduos e no fechamento de ciclos materiais. O estudo compreendeu a caracterização dos lodos, a produção dos carvões por pirólise seguida de ativação química com hidróxido de sódio (NaOH), a triagem e a otimização das condições operacionais por delineamento Plackett–Burman (PB) e delineamento composto central rotacional (DCCR), a caracterização físico-química e textural do adsorvente obtido e a avaliação de seu desempenho em ensaios com azul de metileno e com efluente real de fábrica de polpa celulósica. A condição otimizada gerou a amostra LPLS-08, com rendimento de 83,35%, número de iodo de 301,02 mg I₂·g⁻¹ e área superficial específica de 311,11 m²·g⁻¹. Nos ensaios com efluente industrial coletado no decantador primário de uma estação de tratamento de efluentes com lodos ativados com aeração prolongada, a remoção de cor variou de 64,89 a 92,25%, quanto à remoção de demanda química de oxigênio (DQO) variou de 33,29 a 44,31%. Na modelagem cinética, o modelo de pseudo-segunda ordem foi o mais consistente para cor e permaneceu como o modelo mais seguro para DQO, embora o modelo de Elovich tenha apresentado descrição global ligeiramente superior para essa resposta. A análise por Weber-Morris indicou adsorção em múltiplas etapas, com contribuição conjunta de resistência externa e difusão intrapartícula, sugerindo maior afinidade do material por frações cromóforas e aromáticas do que pela carga orgânica global. Na modelagem de equilíbrio, o melhor ajuste estatístico isolado não coincidiu com o modelo final mais defensável. Embora o modelo de Redlich-Peterson tenha apresentado os melhores indicadores numéricos para cor e DQO, os parâmetros estimados não apresentaram coerência físico-química suficiente para sustentar sua adoção conclusiva. Para a cor, os modelos de Freundlich e Temkin forneceram interpretações mais consistentes, enquanto, para a DQO, Temkin se mostrou o modelo mais defensável. Em conjunto, os resultados demonstram não apenas a viabilidade técnica da conversão de lodos de polpa celulósica em carvão ativado, mas também o potencial estratégico da valorização desses resíduos como solução integrada para a gestão simultânea de resíduos sólidos e o tratamento de efluentes industriais.
Abstract
Pulp mills generate substantial quantities of primary sludge (PS) and secondary sludge (SS), whose management continues to pose technical, environmental, and economic challenges. This thesis investigated the conversion of these residues into activated carbon and its application to industrial effluent treatment, with emphasis on waste valorisation and material-cycle closure. The study encompassed sludge characterisation, production of activated carbons via pyrolysis followed by chemical activation with sodium hydroxide (NaOH), screening and optimisation of operating conditions using the Plackett–Burman design (PB) and the central composite rotatable design (CCRD), physicochemical and textural characterisation of the resulting adsorbent, and evaluation of adsorption performance using methylene blue and real pulp-mill effluent. Under the optimised conditions, sample LPLS-08 achieved a yield of 83.35%, an iodine number of 301.02 mg I₂∙g⁻¹, and a BET surface area of 311.11 m²∙g⁻¹. In experiments conducted with industrial effluent collected from the primary clarifier of an extended-aeration activated-sludge treatment plant, colour removal ranged from 64.89 to 92.25%, whilst chemical oxygen demand (COD) removal ranged from 33.29 to 44.31%. Kinetic modelling revealed that the pseudo-second-order model provided the most robust description of colour adsorption and remained the most reliable model for COD, although the Elovich model yielded a marginally superior overall fit for that response. Weber–Morris analysis indicated that adsorption proceeded through multiple stages, with concurrent contributions from external mass-transfer resistance and intraparticle diffusion, suggesting a higher affinity of the adsorbent for chromophoric and aromatic fractions than for the bulk organic load. Equilibrium modelling further demonstrated that the statistically best-fitting model did not necessarily correspond to the most physically defensible choice. Although the Redlich–Peterson model produced the best numerical indicators for both colour and COD, its estimated parameters lacked the physicochemical coherence required to support its conclusive adoption. For colour, the Freundlich and Temkin models offered more consistent mechanistic interpretations, whereas for COD the Temkin model proved most defensible. Collectively, these results establish not only the technical feasibility of converting pulp-mill sludge into activated carbon, but also its strategic valorisation potential as an integrated solution for simultaneous waste management and industrial effluent treatment.
Assunto
Engenharia sanitária, Meio ambiente, Indústria de celulose, Resíduos industriais - Reaproveitamento, Lodo - Reaproveitamento, Carvão ativado
Palavras-chave
Carvão ativado, Lodo industrial, Indústria de polpa celulósica, Adsorção, Cor, Demanda química de oxigênio, Planejamento experimental, Economia circular, DQO