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O uso da quitosana para remoção de metais pesados em solução aquosa
Autor: Elaine Cristina Nogueira Lopes de Lima e Claudio Airoldi


A água é uma das necessidades básicas exigidas para a subsistência e continuidade da vida. Por isso, é importante que a mesma seja de boa qualidade, esteja disponível para o consumo humano e para diversas atividades. Entretanto, isto está tornando-se cada vez mais difícil, em virtude da alta taxa de poluição causada por atividades industriais têxteis, couro, papéis, plásticos, agrícolas, domésticas etc [1,2]. Estas atividades geram efluentes que contêm poluentes inorgânicos e orgânicos, sendo os mais comuns os fenóis [3], as tinturas [4], os detergentes [5], os inseticidas [6] e os metais pesados [7], como o cobre. Estes poluentes são, em geral, tóxicos e causam efeitos adversos na vida humana e animal se presentes acima de determinados níveis de concentração. Dentre os poluentes citados, os metais pesados constituem uma das principais causas da poluição ambiental e são diariamente descartados em efluentes de diversas indústrias.

Desta maneira, há um crescente interesse na utilização de polímeros de origem natural, pois, além de apresentarem vantagens na sua composição, os mesmos são amplamente encontrados na natureza podendo-se destacar como exemplo, os polímeros biodegradáveis que são obtidos a partir de fontes naturais sejam elas de origem animal ou vegetal, tais como: colágeno, celulose, quitina, quitosana, amido [8,9], entre outros.
 

Entre os polissacarídeos mais utilizados em estudos de remoção de metais pesados de efluentes industriais, destacam-se os polissacarídeos naturais: celulose, quitina e quitosana. A quitina, quitosana e seus derivados são extensivamente investigados como sorventes para a remoção de íons metálicos de água e efluentes. A quitosana possui um elevado potencial na sorção de metais pesados, este potencial pode ser atribuído à (1) elevada hidrofilicidade devido ao grande número de grupos hidroxila nas unidades glicosídicas, (2) presença de grande número de grupos funcionais, (3) elevada reatividade química destes grupos, (4) flexibilidade estrutural do polímero e (5) facilidade de ser modificada quimicamente, introduzindo novos grupos funcionais na sua cadeia polimérica [10].

As modificações estruturais da quitina e da quitosana favorecem a utilização destes polissacarídeos em vários campos da ciência. A lista de aplicações da quitosana é ainda mais extensa quando são incluídos os vários derivados deste biopolímero, obtidos por meio de reações químicas através das quais são inseridos diferentes grupos funcionais as suas moléculas, conferindo diferentes propriedades e aplicações [11].

A quitosana é um copolímero
b(1-4)-2-amino-2-desoxi-D-glicose e b(1-4)-2-acetamida-2-desoxi-D-glicose [12], normalmente obtida pela desacetilação alcalina da quitina, podendo ser comercializada em pó ou flocos [12,13]. A quitina é o polissacarídeo mais abundante na natureza, depois da celulose, sendo o principal componente de exoesqueletos de crustáceos, insetos e parede celular de fungos [14]. A quitosana atrai atenção particular como eficaz biossorvente devido ao seu baixo custo comparado ao carbono ativado e a seus elevados índices de grupos funcionais amino e hidroxila, que mostram o seu elevado potencial na sorção de vários poluentes aquáticos [11,15,16]. 

A habilidade da quitosana em ser modificada quimicamente a torna ainda mais atraente do ponto de vista da aplicação [17]. A modificação química pode ser justificada por pelo menos dois objetivos: (a) prevenir a dissolução do polímero quando o experimento é realizado em soluções ácidas ou (b) para aumentar a seletividade ou a reatividade frente a uma aplicação específica [17].

Neste trabalho, o biopolímero quitosana foi submetido a uma série de reações com a finalidade de explorar a reatividade do grupo amino livre da cadeia polimérica, através de reações com cloretos orgânicos e compostos aminados. Foram utilizados nas modificações químicas o dicloreto de isoftaloíla e o cloreto cianúrico, com posterior reação com etilenodiamina e dietilenotriamina. Os novos biopolímeros foram caracterizados por análise elementar, espectroscopia de absorção na região do infravermelho, ressonância magnética nuclear de carbono 13, difratometria de raios X, análises térmicas e microscopia eletrônica de varredura. Essas superfícies foram aplicadas na remoção de metais de soluções aquosas, sendo que a sorção dos cátions metálicos, em quitosana não modificada apresentou a ordem: Cu2+ > Cd2+ > Ni2+ > Pb2+ > Co2+ > Zn2+, com os valores de Ns, capacidade máxima de sorção: 2,09±0,05, 1,39±0,03, 1,33±0,02, 1,05±0,02, 1,04±0,02 e 0,76±0,02 mmol g-1, respectivamente. A mesma ordem foi seguida para as quitosanas quimicamente modificadas, sendo que essas, de um modo geral, apresentaram valores de Ns superiores ao da quitosana não modificada.
 
Os materiais foram submetidos também a estudos calorimétricos com o objetivo determinar as grandezas termodinâmicas (ΔH, ΔG, K e ΔS) das interações cátion-centro básico das moléculas imobilizadas através da técnica de titulação calorimétrica. Os resultados obtidos a partir desta técnica mostraram que a sorção dos metais na quitosana e em seus derivados trata-se de um processo exotérmico com valores de ΔH variando entre -1,95 a -61,89 kJ mol-1. Em geral, os biopolímeros modificados quimicamente apresentaram valores entálpicos maiores que o da quitosana não modificada, corroborando com os resultados obtidos nos estudos de sorção. A espontaneidade do processo de sorção foi comprovada através dos valores negativos de ΔG, em torno de -20 kJ mol-1. Os valores entrópicos negativos sugerem o ordenamento do sistema a partir do processo de complexação do metal com os centros básicos das cadeias pendentes dos polímeros [18].
 
 
 
Os resultados obtidos através dos estudos de sorção e calorimétricos sugerem que as quitosanas modificadas quimicamente apresentam maior capacidade de sorção em solução aquosa, quando comparados com a não modificada. Portanto, estes materiais podem ser empregados com êxito na remoção de cátions metálicos de efluentes industriais, atuando como agentes na diminuição dos efeitos tóxicos causados por metais pesados e também na renovação do ecossistema.
 
 
Referências Bibliográficas:

1. P. Kumar, B. Prasad, I.M. Mishra, S. Chand, J. Hazard. Mater. 151, 2008, 770.
2. D. Pokhrel, T. Viraraghavan, Sci. Total Environ. 333, 2004, 37.
3. H. Ma, X. Zhang, Q. Ma, B. Wang, J. Hazard. Mater. 165, 2009, 475.
4. S. S. M. Hassan, N. S. Awwad, H.A. Aboterika, J. Hazard. Mater. 162, 2009, 994.
5. X. Wang, Y. Song, J. Mai, J. Hazard. Mater.  160, 2008, 344.
6. M. C. Hernández-Soriano, M. D. Mingorance, A. Peña, Water Res. 43, 2009, 2481.
7. W.S. W. Ngah, M.A.K.M. Hanafiah, Bioresour. Technol. 99, 2008, 3935.
8. F. Wu, R. Tseng, R. Juang, J. Hazard. Mater. B81, 2001, 167.
9. H. Sashiwa, S. Aiba, Prog. Polym. Sci. 29, 2004, 887.
10. A. Bhatnagar, M. Sillanpää, Adv. Colloid Interface Sci. 152, 2009, 26.
11. M. N. V. R. Kumar, React. Funct. Polym. 46, 2000, 1.
12. X. D. Liu, S. Tokura, M. Haruki, N. Nishi, N. Sakairi, Carbohydr. Polym. 49, 2002, 103.
13. E. Guibal, J. Roussy, React. Funct. Polym. 67, 2007, 33.
14. B. Krajewska, Sep. Purif. Technol. 41, 2005, 305.
15. E. Guibal, Sep. Purif. Technol. 38, 2004, 43.
16. A. J. Varma, S. V. Deshpande, J. F. Kennedy, Carbohydr. Polym. 55, 2004, 77.
17. K. Inoue, K. Yoshizuka, K. Otho,  Anal. Chim. Acta 388, 1999, 209.
18. E. C. N. Lopes, K. S. Sousa, C. Airoldi, Thermochim. Acta 483, 2009, 21.

 

 
Elaine de Lima tem Licenciatura e Mestrado em Química pela Unversidade Federal de Sergipe e Doutorado pela Universidade Estadual de Campinas.
 
Bacharel em Química pela USP, Claudio Airoldi tem Douturado pela Unicamp, onde atua como professor.
 
Contatos pelo e-mail elopes@iqm.unicamp.br.
 
 
 




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