Cross-Linked Chitosan-Nicotinic Acid Beads (CLC-NAB) - A novel adsorbent for the removal of mercury(II) ions from aqueous medium

Resumo Técnico: Esferas de Quitosana-Ácido Nicotínico Reticuladas (CLC-NAB) para Remoção de Mercúrio(II)

Definição do Problema
O mercúrio(II) é um contaminante de metal pesado altamente tóxico, originário tanto de fontes naturais quanto de atividades antropogênicas, como a mineração, manufatura industrial e usinas termelétricas a carvão. Sua presença em ecossistemas aquáticos acarreta riscos graves à saúde humana e à vida selvagem, causando distúrbios neurológicos e bioacumulação. Embora existam várias técnicas para a remoção de mercúrio, a adsorção é favorecida por sua relação custo-benefício e simplicidade operacional. No entanto, muitos adsorventes existentes dependem de produtos químicos agressivos, equipamentos especializados ou procedimentos de síntese complexos. Este estudo aborda a necessidade de um adsorvente sustentável, ecológico e eficiente, capaz de remover seletivamente íons de mercúrio(II) de soluções aquosas.

Metodologia
Os pesquisadores fabricaram um novo adsorvente, Esferas de Quitosana-Ácido Nicotínico Reticuladas (CLC-NAB), utilizando um método verde sustentável. A síntese envolveu a dissolução da quitosana em ácido acético glacial e o gotejamento em um meio de coagulação contendo ácido nicotínico dissolvido em hidróxido de sódio. Este processo facilitou a reticulação via ligações de hidrogênio e a formação de ligações amida entre os grupos amino da quitosana e os grupos de ácido carboxílico do ácido nicotínico.

O material foi caracterizado por meio de:

• Estudos de inchamento para avaliar o comportamento em diferentes ambientes de pH.
• Espectroscopia FTIR para confirmar a reticulação química e identificar os grupos funcionais envolvidos na adsorção.
• SEM e EDS para analisar a morfologia da superfície e a composição elementar antes e depois da carga de mercúrio.

Experimentos de adsorção em lote foram conduzidos para avaliar a remoção de Hg(II) sob diversas condições, incluindo pH inicial (3–5), dosagem do adsorvente (10–150 esferas), tempo de contato (5–1440 min), concentração inicial de mercúrio (10–200 mg/L) e temperatura (298–318 K). O estudo também investigou a seletividade do CLC-NAB na presença de íons interferentes (ex: Pb²⁺, Cd²⁺, Ca²⁺, Cl⁻, NO₃⁻) e avaliou a eficiência de dessorção usando NaCl 1 M e NaNO₃ 1 M. Modelos cinéticos, de isoterma e termodinâmicos foram aplicados para interpretar o mecanismo de adsorção.

Principais Resultados

• Caracterização: A análise FTIR confirmou a formação de ligações amida e o envolvimento de anéis de piridina na reticulação. As imagens SEM revelaram que a superfície rugosa e irregular das esferas tornou-se lisa e plana após a adsorção de mercúrio, indicando a ocupação de poros. O EDS confirmou a presença de mercúrio nas esferas carregadas.
• Condições Ótimas: A eficiência máxima de adsorção (93% de remoção) foi alcançada em pH 5. A remoção completa (100%) de Hg(II) foi obtida utilizando 150 esferas em pH 5. O tempo de equilíbrio foi atingido dentro de 7 horas.
• Capacidade de Adsorção: A capacidade máxima de adsorção em monocamada ($Q_m$) calculada via modelo de Langmuir foi de 1060,2 mg/g. Os dados experimentais ajustaram-se melhor ao modelo de isoterma de Redlich-Peterson, sugerindo uma superfície heterogênea com características de ambos os modelos de Langmuir e Freundlich.
• Cinética e Mecanismo: Os estudos cinéticos indicaram que o processo de adsorção é melhor descrito por uma combinação do modelo de pseudo-segunda ordem e do modelo de difusão intrapartícula. Isso sugere que a etapa limitante envolve quimissorção (ligação química) juntamente com a difusão para dentro dos poros da partícula.
• Termodinâmica: O processo mostrou-se espontâneo ($\Delta G^\circ$ negativo) e endotérmico ($\Delta H^\circ$ positivo), com a eficiência de adsorção aumentando em temperaturas mais altas (até 318 K).
• Seletividade e Dessorção: O CLC-NAB demonstrou alta seletividade para Hg(II), mesmo na presença de cátions e ânions competidores. O adsorvente pôde ser totalmente regenerado usando NaCl 1 M ou NaNO₃ 1 M como agentes dessorventes, atribuído à compressão da dupla camada elétrica e à formação de complexos solúveis de mercúrio.

Significância e Alegações
Os autores alegam que o CLC-NAB representa um avanço significativo na remediação de mercúrio devido à sua alta capacidade de adsorção (1060,2 mg/g), que é relativamente alta em comparação com outros derivados de quitosana relatados na literatura. O estudo enfatiza que o método de síntese é ecologicamente correto, de baixo custo e simples, evitando os produtos químicos agressivos e os equipamentos especializados frequentemente necessários para outros materiais de quitosana reticulados.

O artigo conclui que a reticulação da quitosana com ácido nicotínico aumenta com sucesso a estabilidade mecânica e o desempenho de adsorção do material. Ao utilizar a estabilidade de pH fisiológico e alcançar a dessorção completa, os autores postulam que o CLC-NAB é um adsorvente promissor e sustentável para a remoção seletiva de íons de mercúrio(II) tóxicos em meios aquosos. O trabalho destaca o potencial de hidrogéis derivados de fontes biológicas para abordar a poluição por metais pesados de forma eficaz sem comprometer a segurança ecológica.