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Tipo: Tese
Data do documento: 13-Mar-2020
Autor(es): MEIRA, Rose Caldas de Souza
Primeiro(a) Orientador(a): CORRÊA, José Augusto Martins
Primeiro(a) coorientador(a): PAZ, Simone Patrícia Aranha da
Título: Otimização da síntese de estruvita e seus análogos visando a recuperação de fósforo, magnésio, nitrogênio e potássio de águas residuais
Agência de fomento: 
Citar como: MEIRA, Rose Caldas de Souza Meira. Otimização da síntese de estruvita e seus análogos visando a recuperação de fósforo, magnésio, nitrogênio e potássio de águas residuais. Orientador: José Augusto Martins Corrêa. 2020. 129 f. Tese (Doutorado) - Programa de Pós-Graduação em Geologia e Geoquímica, Instituto de Geociências, Universidade Federal do Pará, Belém, 2020. Disponível em: http://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/13381 Acesso em:.
Resumo: Águas residuais domésticas e industriais, brutas ou minimamente tratadas, são ricas em macro nutrientes que podem causar eutrofização se forem lançadas sem tratamento no meio ambiente. Atualmente, os esgotos domésticos têm sido estudados como fontes de matéria prima para recuperação de nutrientes, a exemplo da precipitação de estruvita. A estruvita é um fosfato de amônio-magnésio hexahidratado (NH4MgPO4.6H2O) formado em proporções equimolares em meios aquosos e alcalinos. Dependendo das condições físico-químicas de formação (concentração dos íons, pH e temperatura) pode ocorrer a precipitação tanto de estruvita quanto das chamadas estruvitas análogas, com diversas possibilidades de substituições isomórficas. O presente trabalho teve como objetivo a síntese, a caracterização e a otimização da cristalização de estruvitas e seus análogos para recuperação de nutrientes de águas residuais provenientes de soluções contendo magnésio (MgCl2.6H2O), fósforo (K2HPO4) e nitrogênio (NH4Cl); e também realizar a quantificação mineralógica das fases da estruvita, o detalhamento dos aspectos cristaloquímicos, incluindo a determinação da fórmula química da melhor condição de síntese obtida usando o método de refinamento combinado Rietveld e Padrão Interno do programa Fullprof com a interface gráfica FULL. Foram realizados os planejamentos estatísticos: I – Diagrama de árvore e o II - Fatorial Completo 23 (DOE), duplicado com quatro pontos centrais usando metodologia de superfície resposta e função desejabilidade global para estabelecer as respostas mais significantes para o rendimento de estruvita. Os fatores estudados foram pH (10, 11 e 12), concentração de fósforo (100, 200 e 300 mg L-1) e razão molar Mg:P:N (1:1:1; 1:1:1,5; 1:1:2), com três variáveis resposta: (1) variação de entalpia (ΔH) dos picos de decomposição dos produtos de síntese por calorimetria exploratória diferencial (DSC); (2) percentural de transmitância do infravermelho (% T – IR) na posição 1073,17, referente a banda de estiramento assimétrico da ligação P–O do fosfato (PO4 3-) e (3) percentual de variação de perda de massa total (Δm %) por termogravimetria (TG). Os fatores mais significantes foram pH = 10, concentração de P = 300 mg L-1 e razão molar (Mg:P:N) = 1:1:2. A condição mais propicia para a precipitação de estruvita, denominada condição 01 e duplicada (A, B, C e D), foi mais detalhadamente investigada. Para esta condição, foi realizado o refinamento Rietveld. Essa técnica comprovou que as estruvitas geradas foram do tipo análogas com substituição de amônio (NH4 +) pelo íon potássio (K+). Foi quantificado 20,34% de estruvita e 79,66% de estruvita análoga (K-estruvita). A quantificação mineralógica foi realizada pelo método de refinamento Rietveld combinado com método Padrão Interno, os dados obtidos foram: 74,3% de estruvita análoga, 16,6% de estruvita e 9,1% de material amorfo. Os resultados foram corroborados pelas técnicas analíticas XRF, SEM / EDS, DSC / TG, FTIR e SSABET que se mostraram eficientes para a confirmação das múltiplas fases identificadas em estruvitas análogas reveladas pelo refinamento Rietveld.
Abstract: Domestic and industrial wastewaters, untreated or minimally treated, are rich in macronutrients that can cause eutrophication if they are released without treatment into the environment. Currently, domestic sewage has been studied as a material source for nutrient recovery, such as struvite precipitation. Struvite is an ammonium-magnesium phosphate hexahydrated (NH4MgPO4.6H2O) formed in equimolar proportions in alkaline aqueous systems. Depending on formation physicochemical conditions (ion concentration, pH and temperature), precipitation of both struvite and the named analogous struvites, with several possibilities of isomorphic substitutions, can occur. The present work aimed the synthesis, characterization, and optimization of struvite crystallization and its analogues for nutrient recovery from wastewater solutions containing magnesium (MgCl2.6H2O), phosphorus (K2HPO4) and nitrogen (NH4Cl); and also perform the mineralogical quantification of the struvite phases, the detailing of crystallochemical aspects, including the determination of the chemical formula of the best synthesis condition obtained using the combined Rietveld refinement method and Internal Standard of the Fullprof program with the FULL graphical interface. The statistical plans were carried out: I - Tree Diagram and II - 23 Full Factorial Design (DOE), duplicated with four central points, using the response surface methodology and the global desirability function to establish the most significant responses for struvite yield. The variables studied were pH (10, 11 and 12), phosphorus concentration (100, 200, and 300 mg L-1), and molar ratio Mg: P: N (1: 1: 1; 1: 1: 1.5; 1: 1: 2), with three response variables: (1) enthalpy variation (ΔH) of decomposition peaks of synthesis products by differential scanning calorimetry (DSC); (2) infrared percent transmittance (% T – IR) at 1073.17 position, which refers to the asymmetric stretching band of the P-O bond from phosphate (PO4 3-) and (3) variation of total mass loss Δm (%) in thermogravimetry (TG). The most significant factors were revealed (pH 10, P concentration = 300 mg L-1 and Mg:P:N molar ratio = 1: 1: 2). The most favorable condition for struvite precipitation, called condition 01 and duplicated (A, B, C, and D), was investigated in details. For this condition, the Rietveld refinement was performed. This technique proved that the generated struvites were of the analogous type with ammonium (NH4 +) substitution by potassium ion (K+). It was quantified an amount of 20.34% of struvite and 79.66% of analogous struvite (K-struvite). Mineralogical quantification was performed using the Rietveld refinement technique combined with the Internal Standard method, the obtained data were: 74.3% of analogous struvite, 16.6% of struvite, and 9.1% of amorphous material. Results were ratified by the analytical techniques XRF, SEM / EDS, DSC / TG, FTIR, and SSABET which proved to be efficient for the confirmation of the multiple phases identified in analogous struvites revealed by the Rietveld refinement.
Palavras-chave: Águas residuais
Estruvitas
Estruvitas análogas
Método de refinamento Rietveld
DOE fatorial completo
Área de Concentração: GEOQUÍMICA E PETROLOGIA
Linha de Pesquisa: MINERALOGIA E GEOQUÍMICA
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::GEOCIENCIAS
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Pará
Sigla da Instituição: UFPA
Instituto: Instituto de Geociências
Programa: Programa de Pós-Graduação em Geologia e Geoquímica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Fonte: 1 CD-ROM
Aparece nas coleções:Teses em Geologia e Geoquímica (Doutorado) - PPGG/IG

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