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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA
DE PROCESSOS QUÍMICOS E BIOQUÍMICOS
ALEXSANDRO LUCCA
EXTRAÇÃO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO DO BIOPOLÍMERO DA PLANTA Pereskia aculeata MILLER COMO AUXILIAR
COAGULANTE/FLOCULANTE NO PROCESSO DE TRATAMENTO DE ÁGUA
Dissertação
PATO BRANCO 2017
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ALEXSANDRO LUCCA
EXTRAÇÃO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO DO BIOPOLÍMERO DA PLANTA Pereskia aculeata MILLER COMO AUXILIAR
COAGULANTE/FLOCULANTE NO PROCESSO DE TRATAMENTO DE ÁGUA
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos, do Programa de Pós-graduação em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Área de Concentração: Biotecnologia. Orientador: Dra. Raquel Dalla Costa da Rocha Co-orientador: Dra. Sirlei Dias Teixeira
PATO BRANCO 2017
Ficha Catalográfica elaborada por Maria Juçara Silveira CRB-9/1359 Biblioteca da UTFPR Campus Pato Branco
L934e Lucca, Alexandro.
Extração, caracterização e aplicação do biopolímero da planta Pereskia aculeata Miller como auxiliar coagulante / no processo de tratamento de água. / Alexsandro Lucca. – 2017.
71 f. : il. ; 30 cm.
Orientador: Profª. Drª. Raquel Dalla Costa da Rocha. Coorientador: Profª. Drª.Sirlei Dias Teixeira. Dissertação (Mestrado) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Programa de Pós-Graduação em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos. Pato Branco, PR, 2017.
Bibliografia: f. 58 – 71.
1.Ora-pro-nobis. 2. Mucilagem. 3. Sulfato de alumínio. 4. Floculação / coagulação. I. Rocha, Raquel Dalla Costa da, orient. II. Teixeira, Sirlei Dias, coorient. III. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos. IV. Título.
CDD 22. ed. 630
TERMO DE APROVAÇÃO Nº 61
Título da Dissertação
EXTRAÇÃO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÃO DO BIOPOLÍMERO DA PLANTA Pereskia
Aculeata Miller COMO AUXILIAR COAGULANTE/FLOCULANTE NO PROCESSO DE
TRATAMENTO DE ÁGUA.
Autor
Alexsandro Lucca
Esta dissertação foi apresentada às 9h do dia 25 de abril de 2017, como requisito parcial
para a obtenção do título de MESTRE EM TECNOLOGIA DE PROCESSOS QUÍMICOS E
BIOQUÍMICOS – Linha de pesquisa em biotecnologia – no Programa de Pós-Graduação
em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos. O autor foi arguido pela Banca
Examinadora abaixo assinada, a qual, após deliberação, considerou o trabalho aprovado.
__________________________________ Profa. Dra. Raquel Dalla Costa da Rocha –
UTFPR/PB Presidente
______________________________________ Prof. Dr. Rodrigo Brackmann – UTFPR/PB
Examinador
_____________________________________ Profa. Dra. Leila Cristina Konradt Moraes –
UEMS/Dourados Examinador
O Termo de Aprovação assinado encontra-se na Coordenação do PPGTP
Visto da Coordenação
Prof. Dra. Cristiane Regina Budziak Parabocz Coordenadora do Programa de Pós-Graduação em
Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos – PPGTP
Ministério da EducaçãoUniversidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus Pato Branco Programa de Pós-Graduação em Tecnologia de
Processos Químicos e Bioquímicos
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AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente, à Deus, por iluminar minha trajetória e por me dar
forças para sempre seguir em frente.
Agradeço imensamente aos meus pais pelo incentivo, apoio, carinho e
companheirismo concedidos ao longo de todo o curso.
À Prof.ª Dra. Raquel Dalla Costa da Rocha pela orientação deste trabalho,
pela paciência, pela compreensão, por todo o conhecimento transmitido, e por seu
apoio em meus momentos de dificuldade o meu eterno carinho e admiração.
À Prof.ª Dra. Sirlei Dias Teixeira pela co-orientação e pela forte colaboração
nas tomadas de decisão deste trabalho.
Aos membros da banca de defesa.
Ao Wendell da Silva Santos, pela compreensão e pelo aporte no
desenvolvimento das extrações e análises.
À minha esposa e amiga Aline Lucca pelo apoio, suporte e compreensão, no
momentos difíceis.
Por fim, agradeço a todos aqueles que, de alguma forma, contribuíram com a
realização deste trabalho.
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“Deus nos concede, a cada dia, uma página de vida nova no livro do tempo. Aquilo que colocarmos nela, corre por nossa conta.”
(Chico Xavier)
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RESUMO LUCCA, Alexsandro. Extração, caracterização e aplicação do biopolímero da planta (P. aculeata Miller), como auxiliar coagulante/floculante no processo de tratamento de água. 2017. 71 f. Dissertação (Mestrado em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos), Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2017. No meio da ampla biodiversidade da flora brasileira, a ora-pro-nobis (Pereskia aculeata Miller) desperta especial interesse, pela alta quantidade de mucilagem em suas folhas. Plantas mucilaginosas são estudadas há algum tempo no processo de floculação/coagulação em tratamentos de água, com a intenção de, reduzir ou até mesmo suceder a utilização do sulfato de alumínio. A mucilagem é um biopolímero com grande capacidade de formar gel, soluções viscosas e estabilizar sistemas de emulsão. O presente trabalho teve como finalidade, avaliar o rendimento da mucilagem em processos de extração, caracterizar a mucilagem não clarificada, e clarificada e aplicar o biopolímero clarificado da P. aculeata, no processo de coagulação/floculação. Para tal as folhas foram secas em estufa até peso constante, foi feita a extração da mucilagem em solução aquosa por duas metodologias diferentes avaliando assim o rendimento, caracterização da morfologia por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difratometria de raio X (DRX), composição estrutural por infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR), determinação do pH potencial de carga zero e do comportamento térmico por análise termogravimétrica (TG/DSC). Para a avaliação de coagulação e floculação, o biopolímero foi avaliado em água do Rio Pato Branco por ensaios em Jar Test avaliando a eficiência da remoção de turbidez, remoção de substâncias húmicas, e aromáticas. A extração da mucilagem foi avaliada no rendimento da produção, em que a extração a 95 ºC (30 min) apresentou rendimento três vezes maior que a extração a 60 ºC (6 horas). A caracterização morfológica exibiu uma estrutura amorfa, esponjosa e com adesão de partículas menores à superfície das partículas maiores, indicando um material higroscópico que pode ser usado como coagulante, sendo semelhante a outras mucilagens pesquisadas, em aspectos de grupos funcionais e de comportamento térmico. A P. aculeata se confirmou como auxiliar no processo de coagulação/floculação em relação aos parâmetros e faixas estudadas, sendo mais eficaz em conjunto com o sulfato de alumínio. Como é uma planta de fácil cultivo, atóxica e com custo relativamente baixo para a extração do seu biopolímero é uma alternativa promissora no tratamento de água e efluentes diminuindo a utilização do sulfato de alumínio no processo de floculação/coagulação. Palavras-chave: Ora-pro-nobis. Mucilagem. Sulfato de alumínio. Floculação/coagulação.
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ABSTRACT
LUCCA, Alexsandro. Extraction, characterization and application of the plant biopolymer (Pereskia aculeata miller) as a coagulant / flocculating aid in the water treatment process. 2017. 71 f. Dissertation (Master in Technology of Chemical and Biochemical Processes), Federal Technological University of Paraná. Pato Branco, 2017.
In the midst of the wide biodiversity of Brazilian flora, the ora-pro-nobis (Pereskia aculeata Miller) arouses special interest because of the high amount of mucilage in its leaves. Mucilage plants have been studied for some time in the flocculation / coagulation process in water treatments, with the intention of reducing or even succeeding the use of aluminum sulphate. Mucilage is a biopolymer with great gel-forming, viscous solutions and stabilizing emulsion systems. The purpose of this study was to evaluate the yield of the mucilage in extraction processes, to characterize the clarified and clarified mucilage and to apply the clarified biopolymer of P. aculeata in the coagulation / flocculation process. For this, the leaves were oven dried to constant weight, the mucilage was extracted in aqueous solution by two different methodologies, evaluating the yield, characterization of the morphology by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffractometry (XRD) (FT-IR), determination of potential zero charge pH and thermal behavior by thermogravimetric analysis (TG / DSC). For the evaluation of coagulation and flocculation, the biopolymer was evaluated in water of the Pato Branco River by tests in Jar Test evaluating the efficiency of the removal of turbidity, removal of humic and aromatic substances. The extraction of the mucilage was evaluated in the yield of the production, in which the extraction at 95 ºC (30 min) yielded a three times higher yield than the extraction at 60 ºC (6 hours). The morphological characterization showed an amorphous structure, spongy and with adhesion of smaller particles to the surface of larger particles, indicating a hygroscopic material that can be used as a coagulant, being similar to other mucilages studied, in aspects of functional groups and thermal behavior. P. aculeata was confirmed as an aid in the coagulation / flocculation process in relation to the parameters and ranges studied, being more effective in conjunction with aluminum sulphate. As it is an easy-to-grow, non-toxic plant with relatively low cost for the extraction of its biopolymer, it is a promising alternative in the treatment of water and effluents by reducing the use of aluminum sulphate in the flocculation / coagulation process. Keywords: Ora-pro-nobis. Mucilage, Aluminum sulfate. Flocculation / coagulation.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Esquema de tratamento de água para consumo humanoErro! Indicador
não definido.0
Figura 2 – Agrupamento das partículas coloidas na coagulaçãoErro! Indicador não
definido.1
Figura 3 – Etapas envolvidas na floculação: a) mistura, b) adsorção, c) reordenação
de cadeias adsorvidas d) floculação).. ....................... Erro! Indicador não definido.3
Figura 4 – (a) Folhas e (b) flores da P. aculeata Miller lErro! Indicador não
definido.7
Figura 5 – P. aculeata Mill., Cactaceae. Secção transversal da folha, evidenciando o
sistema de revestimento. es: estômato, ep: epiderme Erro! Indicador não definido.9
Figura 6 – P. aculeata Mill., Cactaceae – folha. Vista frontal da epiderme foliar, face
adaxial, mostrando estômatos. es: estômato. ........................................................... 29
Figura 7 – P. aculeata Mill., Cactaceae. Secção transversal da nervura central,
indicando a presença de células mucilaginosas e drusas de oxalato de cálcio. dr:
drusas de oxalato de cálcio, ep: epiderme, mu: célula mucilaginosa ........................ 30
Figura 8 – Fluxograma do processo de extração, caracterização e aplicação da
mucilagem de P. aculeata Miller ................................................................................ 34
Figura 9 – Biopolímero sem clarificação (a) e Biopolímero
clarificado (b) ............................................................................................................. 41
Figura 10 – Ponto de carga zero das amostras de biopolímeros
de P. aculeata Miller sem clarificação (SC) e clarificado (BC)................................... 42
Figura 11 – Espectros de IV-TF das amostras dos polímeros liofilizados: biopolímero
clarificado (BC) e biopolímero sem clarificação (SC) ............................................... 43
Figura 12 – Micrografias do biopolímero liofilizado sem clarificação em diferentes
amplificações: (a) x50, (b) x120 e (c) x300................................................................ 44
Figura 13 – Micrografias do biopolímero liofilizado clarificado em diferentes
amplificações: (a) x50, (b) x120 e (c) x300 ............................................................. 45
Figura 14 – Difratograma de Raio X do biopolímero não clarificado ......................... 46
Figura 15 – Difratograma de Raio X do biopolímero clarificado ................................ 46
Figura 16 – Análise termogravimétrica da P. aculeata .............................................. 47
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Figura 17 – Gráficos das curvas de contorno para a variável resposta R254 em
função das interações entre as variáveis (a) [B] e CTC e (b) [B] e CTF no processo
de coagulação/floculação de água superficial pelo biopolímeros de P. aculeata Miller
.................................................................................................................................. 53
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Limites dos parâmetros microbiológicos e de turbidez estabelecidos pela
legislação brasileira ................................................................................................... 17
Tabela 2 – Exemplos de algumas condições de qualidade das águas doces previstas
na Resolução Conama no 357 de 17 de março de 2005 ........................................... 19
Tabela 3 – Níveis das variáveis estudadas de acordo com o DCCR ........................ 39
Tabela 4 – Média dos rendimentos das mucilagens nos processos de extração ...... 40
Tabela 5 – Condições de qualidade dos rios de águas doces classe II, previstas na
Resolução Conama no 357 de 17 de março de 2005.................................................49
Tabela 6 – CCRD para o processo de coagulação/floculação por biopolímeros de
P.aculeata Miller ........................................................................................................ 50
Tabela 7 – Efeitos principais, efeitos de interação, coeficientes de regressão e
interações para a variável SS .................................................................................... 51
Tabela 8 – Análise de variância para SS .................................................................. 52
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 12
2 OBJETIVOS ........................................................................................................... 14
2.1 OBJETIVO GERAL ............................................................................................. 14
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 14
3 REFERENCIAL TEÓRICO ..................................................................................... 15
3.1 ÁGUA .................................................................................................................. 15
3.2 PROCESSOS UTILIZADOS NO TRATAMENTO DE ÁGUA ............................... 16
3.3 COAGULAÇÃO E FLOCULAÇÃO ...................................................................... 20
3.3.1 Reagentes Utilizados no Processo de Coagulação/Floculação ....................... 24
3.3.2 Pereskia aculeata MILLER ............................................................................... 27
4 METODOLOGIA .................................................................................................... 34
4.1 PREPARAÇÃO DA AMOSTRA DA Ora-pro-nObis ............................................. 35
4.2 PROCESSOs DE EXTRAÇÃO DA MUCILAGEM DAS FOLHAS SECAS .......... 35
4.2.1 Processo A ....................................................................................................... 35
4.2.2 Processo B ....................................................................................................... 36
4.3 CARACTERIZAÇÃO DA MUCILAGEM LIOFILIZADA SEM CLARIFICAÇÃO E
CLARIFICADA EXTRAÍDAS DO PROCESSO COM MAIOR RENDIMENTO ........... 37
4.3.1 Determinação do pH potencial de carga zero (pHpzc) ....................................... 37
4.3.2 Determinação dos grupos funcionais ............................................................... 37
4.3.3 Difratometria de raio-X (DRX) .......................................................................... 37
4.3.4 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) .................................................... 38
4.3.5 Análise Térmica ................................................................................................ 38
4.4 APLICAÇÃO DO BIOPOLÍMERO NO TRATAMENTO DE ÁGUA ...................... 38
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................. 40
5.1 EXTRAÇÃO DA MUCILAGEM ............................................................................ 40
5.2 DETERMINAÇÃO DO PH POTENCIAL DE CARGA ZERO (PHPZC) .................. 41
5.3 DETERMINAÇÃO DOS GRUPOS FUNCIONAIS ............................................... 42
5.4 CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS ............................................................. 44
5.5 DIFRATOMETRIA DE RAIO X ............................................................................ 45
5.6 ANÁLISE TÉRMICA ............................................................................................ 47
6.0 AVALIAÇÃO NO PROCESSO DE TRATAMENTO DE ÁGUA .......................... 49
7.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................ 55
8.0 PROPOSTAS FUTURAS .................................................................................... 57
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REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 58
12
1 INTRODUÇÃO
A água é indispensável à vida humana, devendo estar disponível em
quantidade e qualidade para a população mundial. Porém, ao longo dos anos, tem
se tornado mundialmente escassa e muitas vezes imprópria para o consumo. O
crescimento da urbanização, o aumento na carga de produtos químicos que são
utilizados na agricultura e no meio ambiente aumenta consideravelmente a poluição
dos recursos hídricos, e como é um recurso limitado e indefeso, é necessário dar
ênfase a sua proteção, conservação e ao seu manejo sustentável, se considerando
que qualquer ação que é infligida aos cursos hídricos, vai de uma forma ou outra
afetar a qualidade de água, sendo necessário um tratamento eficaz e
economicamente viável (RICHTER; AZEVEDO, 1991; BRAGA et al., 2005;
VICTORINO, 2007).
O tratamento de água para o consumo humano é extremamente necessário,
devido a grande carga poluidora dos rios e lagos. Neste tratamento, duas etapas são
extremamente importante, coagulação e floculação, que consistem em processos
físico-químicos que agregam partículas pequenas formando flocos, que depois são
decantados (GLEICK et al., 2009; CALIJURI; CUNHA, 2013).
Tendo em vista a necessidade de criar novos métodos de tratamento, ou
torná-los mais viáveis, existe como alternativa, a utilização de coagulação/floculação
a partir de agentes coagulantes naturais, como por exemplo, os encontrados em
plantas cactáceas (SÁNCHEZ-MARTÍN et al, 2010a; MORISADA, et al., 2011).
Uma ampla biodiversidade de plantas é encontrada no Brasil, das quais são
utilizadas suas propriedades e características para os mais diversos fins, sendo eles
alimentícios, farmacológicos, ambientais, entre outros.
A grande extensão do nosso país acaba envolvendo vários tipos de clima, o
qual propicia o desenvolvimento dessa infinidade de plantas, tanto nativas quanto
cultivadas. Sendo uma dessas plantas, a P. aculeata Miller (ora-pro-nobis), planta
que pertencente à família Cactaceae. Ela é conhecida por seu emprego na culinária
e em ornamentação de jardins. Visando explorar os demais potenciais da planta, há
de se fazer um levantamento acerca de sua composição e caracterização química.
Devido à presença de alta quantidade de mucilagem na ora-pro-nobis, que
possui alta capacidade para formar gel, soluções viscosas ou ainda estabilizar
13
sistemas de emulsão, o trabalho tem como objetivo analisar o potencial desta
mucilagem como agente coagulante ou floculante no tratamento de águas para
consumo humano.
14
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Extrair e caracterizar a mucilagem presente nas folhas secas da P. aculeata
Miller com a finalidade de estudar o potencial desse biopolímero no processo de
coagulação/floculação para o tratamento de água.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Avaliar o rendimento da mucilagem em processos de extração;
Caracterizar o biopolímero não clarificado e clarificado em termos estruturais,
morfológicos e de comportamento térmico;
Avaliar a eficiência da planta mucilaginosa nos processos de
coagulação/floculação em tratamentos de água por meio de planejamento
experimental.
15
3 REFERENCIAL TEÓRICO
3.1 ÁGUA
Em relatório feito pela UNESCO, o Brasil ocupa uma situação confortável,
quanto à disponibilidade de recursos hídricos. Mas um dos recursos vitais para a
sobrevivência dos seres humanos passa por uma grave crise de abastecimento.
Estima-se que cerca de 40% da população global sofra com a atual situação de
estresse hídrico. São pessoas que vivem em regiões em que a oferta anual de água
é inferior a 1.700 metros cúbicos por habitante, limite mínimo considerado seguro
pela UNESCO. Nesse caso, a carência de água é frequente e, como agravante, a
perspectiva para o futuro é de grande escassez (UNESCO, 2015b).
A água potável é um recurso natural limitado e essencial à vida humana,
animal e vegetal, sendo um importante componente para assegurar a integridade e
sustentabilidade dos ecossistemas mundiais. Este recurso responde as
necessidades fundamentais do homem, sendo um elemento chave no
desenvolvimento econômico, social e cultural (UNESCO, 2015a).
A necessidade de utilizar algum tipo de tratamento para águas destinadas ao
consumo humano é bastante antiga. Os egípcios já realizavam técnicas
rudimentares de tratamento de água para fins potáveis por meio da decantação em
cisternas. Com o passar do tempo, as noções acerca da relação entre a água e a
saúde humana foram se consolidando paralelamente aos avanços do conhecimento
nas diversas áreas das ciências, fazendo com que pesquisas em torno do
tratamento e manutenção da água para a utilização da população se tornasse de
extrema importância (GLEICK et al., 2009).
A qualidade da água natural é definida por um conjunto de características
sendo elas, físicas, biológicas, químicas e radiológicas. Essas características são
adquiridas ao longo dos ciclos hidro geológicos e bioquímicos na natureza (GLEICK
et al., 2009; CALIJURI; CUNHA, 2013).
A garantia de acesso à agua é de suma importância, pois, são essenciais
para manter a biodiversidade dos organismos e a sobrevivência da espécie humana,
com o crescimento contínuo da população humana aumentando a expansão
16
demográfica e atividades econômicas na indústria e agricultura, nem uma fonte de
água superficial pode ser considerada segura para consumo, independente da fonte
de procedência sempre é necessário uma ou outra forma de tratamento antes de ser
utilizada (RICHTER; AZEVEDO, 1991; REBOUÇAS et al., 2002; TUNDISI, 2006;
LEÃO et al., 2014).
3.2 PROCESSOS UTILIZADOS NO TRATAMENTO DE ÁGUA
Nos processos diários das atividades humanas, é imprescindível, utilizar
estratégias eficazes de controle da poluição da água. Mesmo após ser captada de
uma fonte que atenda os padrões de captação, é necessário que se utilize um
tratamento adequado visando assegurar a saúde do consumidor.
Para isso, a qualidade dessas águas deve sempre atender aos Padrões de
Potabilidade, que são estabelecidos por órgãos competentes, com base em critérios
que visam à garantia da saúde do consumidor. No Brasil tem-se a Portaria 2.914 de
12 de dezembro de 2011 do Ministério da Saúde (BRASIL 2011b; CALIJURI;
CUNHA, 2013) que adota critérios físicos, químicos, organolépticos, bacteriológicos
e radiológicos, definindo os valores máximos permitidos (VMP) e estabelecendo a
frequência mínima de amostragens.
A Tabela 1 apresenta dados dos padrões microbiológicos e de turbidez
mínimos, para tratamento da água para o consumo humano de acordo com a
Portaria 2.914 de 12 de dezembro de 2011 do Ministério da Saúde do Brasil
(BRASIL, 2011b).
17
Tabela 1 – Limites dos parâmetros microbiológicos e de turbidez estabelecidos pela legislação brasileira
I – PADRÃO MICROBIOLÓGICO DA ÁGUA PARA CONSUMO HUMANO
Tipo de água Parâmetro VMP(1)
Água para consumo humano Escherichia coli (2)
Ausência em 100 ml
Água
tratada
Na saída do tratamento Coliformes totais (3)
Ausência em 100 ml
No sistema de distribuição (reservatórios e rede)
Escherichia coli Ausência em 100 ml
Coliformes totais
(4)
Sistema ou soluções alternativas coletivas que abastecem menos de 20 mil habitantes
Apenas uma amostra, entre as amostras examinadas no mês, poderá apresentar resultado positivo
Sistemas ou soluções alternativas que abastecem a partir de 20 mil habitantes
Ausência em 100 ml em 95% das amostras examinadas no mês.
II - PADRÃO DE TURBIDEZ PARA ÁGUA PÓS-FILTRAÇÃO OU PRÉ-DESINFECÇÃO
Desinfecção (para águas subterrâneas) 1,0 uT (5)
em 95% das amostras
Filtração rápida (tratamento completo ou filtração direta)
0,5 uT (5)
em 95% das amostras(6)
Filtração lenta 1,0 uT (5)
em 95% das amostras (6)
Observações: (1) Valor máximo permitido;( 2) Indicador de contaminação fecal; (3) Indicador de eficiência de tratamento; (4) Indicador de integridade do sistema de distribuição (reservatório e rede); (5) Unidade de turbidez; (6) ver metas progressivas conforme § 2 inciso do Artigo 30 da Portaria 2.914 do MS.
Fonte: Brasil (2011b).
Para se alcançar os parâmetros necessários para utilização da água para
consumo humano, a mesma precisar passar por uma sequência de operações que
trabalham em conjunto para melhorar suas características. Para isso, as águas são
encaminhadas para estações de tratamento específicas, as estações de tratamento
de água (ETAS) (BRASIL, 2011a; EDZWALD; TOBIASON, 2010).
Uma estação de tratamento de água (ETA) transforma a água natural, através
dos variados processos, em água potável. Porém o uso de diversos agentes
químicos geram subprodutos indesejáveis, tais como os lodos (TSUTIYA; HIRAT,
2001; EDZWALD; TOBIASON, 2010 ).
Para definir os procedimentos apropriados para o tratamento de água é
essencial considerar parâmetros de qualidade da água bruta, entre eles, o pH que é
uma variante impactante na química dos componentes da água e na eficiência dos
processos de tratamento, águas com valores baixos de pH podem ser corrosivas ou
agressivas no interior das canalizações de distribuição de água tratada, e águas com
pH elevado tendem a formar incrustações; a alcalinidade mede a capacidade da
18
água em neutralizar os ácidos, é a partir do seu teor que é estabelecido a dosagem
dos produtos químicos utilizados, sob as condições naturais as águas apresentam
alcalinidade suficiente para reagir com o sulfato de alumínio, quando ela é muito
baixa se cria uma alcalinidade artificial pela adição da cal hidratada, quando é muito
alta se acidifica a água para que ela alcance teor suficiente para a reação com o
sulfato de alumínio. A dureza ocorre devido a existência de íons metálicos bi e
trivalentes na água, principalmente os íons Ca2+ e Mg2+, ela que determina os
processos utilizados no sistema de tratamento. Da mesma forma que a alcalinidade,
afeta a escolha do método de controle de corrosão. O oxigênio dissolvido (OD) tem
grande importância na regulação das condições de oxidação-redução e da
especiação química de um grande número de constituintes da água (VON
SPERLING, 1996; FUNASA, 2004; EDZWALD; TOBIASON, 2010).
A Turbidez é a medida do material particulado presente na água. Ela afeta a
escolha dos métodos de clarificação e pode definir se há ou não necessidade de
pré-tratamento da água antes de outros processos. Corresponde ao grau de
intervenção da passagem de luz pelo meio da água pela existência de sólidos em
suspensão, como areia, silte, argila e detritos orgânicos, como algas, bactérias e
plâncton (BRASIL, 2004; VON SPERLING; DE LEMOS CHERNICHARO, 2005;
EDZWALD; TOBIASON, 2010).
Os Sólidos dissolvidos totais (SDT) constituem uma medida do conteúdo de
sais e de minerais da água, o qual pode afetar tanto as necessidades de tratamento,
em termos de processos e operações, quanto a aceitabilidade de um manancial
como fonte para abastecimento. A existência de matéria orgânica natural (MON) nas
águas conecta a formação de subprodutos da desinfecção, essa característica
amplia a demanda de produtos coagulantes e oxidantes, sendo capaz de influenciar
múltiplos processos de tratamento. Uma parte significativa e importante da MON é
formada de substâncias húmicas, que também atribuem cor às águas naturais. Pode
ser caracterizada por meio de várias determinações indiretas como carbono
orgânico Total (COT), absorbância de luz ultravioleta (UV254) e cor verdadeira.
Elevados níveis de MON e a sua capacidade de formar subprodutos (trihalometanos,
cloraminas entre outros) durante o tratamento de desinfecção, se mostrou um
grande desafio a nível mundial devido as suas características carcinogênicas e
mutagênicas (CHOW et al., 2005; ALVAREZ-PUEBLA et al., 2006; XUE et al., 2011;
QIN et al., 2015).
19
Outro componente importante da (MON) são os compostos aromáticos com
absorbância de luz ultravioleta (UV280), que podem ser contaminantes
farmacêuticos, agrotóxicos, estrógenos sintéticos e naturais ou subprodutos
industriais, que são facilmente encontrados em efluentes e corpos de água,
contaminando praticamente todas as fontes de abastecimento, pela sua
hidrofobicidade ou lipofilicidade, esses compostos podem ser bioacumulados ao
longo da cadeia alimentar sendo capaz de provocar grandes níveis de toxicidade no
organismo humano quando o mesmo é exposto por longos períodos de tempo
(ALMEIDA et al., 2007; LOCATELLI, 2011; MONTAGNER; JARDIM, 2011).
A Tabela 2 guarnecida por dados da Resolução Conama no 357 de 13 de
maio de 2011, demonstra alguns exemplos de padrões de turbidez, cor e pH da
Portaria MS 2.914 (BRASIL, 2005).
Tabela 2 – Exemplos de algumas condições de qualidade das águas doces previstas na Resolução Conama n
o 357 de 17 de março de 2005.
Parâmetro
Unidade
Classe
1 2 3 4
Turbidez (UT)** ≤40 ≤75 ≤75 (2)
Cor verdadeira mgPt L-1
(1) ≥75 ≥75 (2)
pH 6 a 9
Coliformes, toxicidade, óleos e graxas e outros parâmetros.
*Ver texto completo da Resolução CONAMA 357 (BRASIL, 2005)
Observações: (1) nível de cor natural do corpo de água em mgPt/L ; (2) não há limites. ** UT – unidade de turbidez
Fonte: Brasil (2005).
Na Figura 1 estão representadas as fases tidas como convencionais no
tratamento de água salientando as operações e processos mais frequentes.
20
Figura 1 - Esquema de tratamento de água para consumo humano (as setas representam as operações e processos unitários mais frequentes). Fonte: Adaptado de VIEIRA et al., (2007).
Dentro dos processos de tratamento de água, a coagulação e a floculação
têm fundamental importância, pois desempenham um papel crucial na cadeia de
processos de tratamento de água (LETTERMAN; YACOUMI, 2010; EDZWALD;
TOBIASON, 2010).
3.3 COAGULAÇÃO E FLOCULAÇÃO
A coagulação consiste no processo de desestabilização das partículas
coloidais e suspensas, essa reação acontece pela junção de ações físicas e
químicas, onde as partículas menores colidem formando partículas maiores
(LETTERMAN; YACOUMI, 2010; LIBÂNIO, 2010).
Coloides são formados por elementos que variam de tamanhos entre 1 nm
(10-7) a 0,1 nm (10-8) e provocam cor e turbidez (MASLIYAH; BHATTACHARJEE,
2006; BACHE; GREGORY, 2007). Apresentam propriedades elétricas criando uma
força de repulsão que impossibilita a aglomeração e a sedimentação, os sistemas
MISTURA RÁPIDA Coagulação Adição de
coagulantes Correção e pH
FLOCULAÇÃO
DECANTAÇÃO
FILTRAÇÃO Correção de
pH/agressividade
DESINFECÇÃO
21
coloidais são referidos usualmente com hidrófobos ou suspensoides (DI
BERNARDO; DANTAS, 2005; EDZWALD; TOBIASON, 2010).
Coagulantes químicos são adicionados na água para estimular a agregação
dos sólidos em suspensão com a intenção de facilitar a formação de partículas
maiores para que possam sedimentar ou serem removidas por métodos físicos, a
coagulação é o mecanismo que gera o desequilíbrio essas partículas colidais
fazendo que as partículas aumentem de tamanho em decorrência do choque entre
essas partículas (METCALF; EDDY, 2003; BORCHATE et al., 2014; WILSON,
2014).
O coagulamente que é usualmente mais utilizado no tratamento de água é o
sulfato de alumínio AL2(SO4)3, quando é adicionado a água se formam óxidos
hidratados de alumínio, fazendo com que ocorra a neutralização das cargas e a
formação dos flocos (Figura 2) formando os precipitados,a alcalinidade é necessária
para que ocorra a reação do sulfato de alumínio por este motivo é adicionado a cal
hidratada para controle do pH, a reação do sulfato de alumínio é demonstrada
abaixo (RAVINA; MORAMARCO, 1993; LETTERMAN; YACOUMI, 2010).
Figura 2 - Agrupamento das partículas coloidas na coagulação Fonte: Adaptado de SASAKI (2015).
22
É uma desestabilidade em que, se acrescentando produtos químicos se
neutralizam as potenciais forças elétricas, se invalida as energias repulsivas
(coagulação) (METCALF; EDDY, 2003; BORCHATE et al., 2014; WILSON, 2014).
Alguns mecanismos principais agem no processo de coagulação sendo eles:
a compressão de camada difusa que provoca a desestabilização dessas partículais
coloidais pela adição de íons de carga contrária, essa adição de íons causa o
aumento de densidade de cargas na camada difusa diminuindo o diâmetro de
atuação das partículas gerando a coagulação por compressão (DI BERNARDO;
DANTAS, 2005).
A desestabilização da dispersão coloidal ocorre na adsorção e neutralização
de cargas e consiste nas interações entre o coagulante e as partículas livres no meio
aquoso, diminuindo a barreira energética e formando flocos estáveis. Nesse
mecanismo o coagulante precisar ter carga contrária do coloide ocorrendo a
neutralização de cargas permitindo a aglutinação (RAVINA; MORAMARCO, 1993; DI
BERNARDO; DANTAS, 2005).
A varredura implica na adição de doses maiores de coagulantes químicos
normalmente os sais de alumínio ou ferro, com a intenção de formar flocos maiores
e que sedimentem com maior facilidade, essa técnica vem sendo mais utilizada nas
estações de tratamento de água do tipo completa, pela formação dos flocos maiores
aumentando a velocidade de sedimentação (RAVINA; MORAMARCO, 1993; DI
BERNARDO; DANTAS, 2005). A Adsorção e formação de pontes é caracterizada
pela utilização de polímeros que têm grandes cadeias moleculares, eles servem de
pontes entre a superfície em que estão aderidos e as outras partículas, é utilizado
com o mecanismo de adsorção e neutralização de cargas proporcionando uma
sedimentação mais rápida (RAVINA; MORAMARCO, 1993; DI BERNARDO, 1993).
A segunda fase, a floculação, é um agrupamento dos coloides
“descarregados” eletricamente, até que ocorra a formação de flocos, e que os
mesmos se depositem a uma velocidade apropriada. A aglomeração torna-se mais
simples com a agitação suave, facilitando assim o contato entre os flocos, sem que
ocorra a fragmentação (EDZWALD; TOBIASON, 2010; ZEMMOURI et al., 2012). O
uso de polímeros iônicos como agentes floculantes é evidente pelas suas atribuições
características, são fácil manuseio, se solubilizam imediatamente em sistemas
aquosos não afetando o pH do meio, são altamente eficazes em pequenas
23
quantidades, os flocos formados são fortes e densos com formas regulares com
bons atributos de sedimentação (MAHVI; RAZAVI, 2005; RAZALI et al., 2011).
A Figura 3 demonstra as etapas que implicam na floculação de partículas
utilizando polímero adsorvente.
Figura 3 - Etapas envolvidas na floculação: a) mistura, b) adsorção, c) reordenação de cadeias adsorvidas d) floculação). Fonte: BOLTO; GREGORY (2007).
Na floculação, ocorre contato entre as impurezas que estão instáveis e o
precipitado do metal para formação de aglomerados que em seguida vão ser
retirados por sedimentação, flotação ou filtração, não sendo necessária uma
agitação intensa como a da mistura rápida (LETTERMAN, 1999).
O processo de coagulação, floculação e sedimentação começa na câmara de
mistura rápida ela gera condições para que rapidamente, o coagulante seja
espalhado de maneira uniforme por toda a massa d‟água. Ao sair da câmara de
mistura, a água segue para a câmara de floculação. Nesta, os flocos (sementes de
flocos gerados na coagulação) irão se agregar por adsorção, as partículas
dissolvidas ou em estado coloidal. Ao sair da câmara de floculação, a água segue
para os decantadores, onde a velocidade é bem pequena, fazendo com que os
flocos sedimentem. Durante este caminho eles vão arrastando (e ativando)
24
partículas que vão encontrando até atingir o fundo do decantador, para constituírem
assim o chamado lodo químico (formado pela adição de coagulantes, comumente
não naturais) (LETTERMAN, 1999; LIBÂNIO, 2010; CALIJURI; CUNHA, 2013).
De acordo com Dennett et. al, (1996) e Edwards e Amirtharajah (1985), a
eficiência no processo de coagulação/floculação na retirada de matéria orgânica
depende da concentração dessas substâncias húmicas na água, do coagulante que
é utilizado e do pH de coagulação, ainda afirmam que a remoção mais eficiente de
cor ocorre em faixas de pH menores (pH 4 a 5,5) do que aquelas usualmente
utilizadas para remoção de turbidez (pH 6 a 8).
3.3.1 Reagentes Utilizados no Processo de Coagulação/Floculação
Os reagentes químicos mais utilizados no processo de coagulação são
coagulantes constituídos normalmente de sulfato de alumínio ou cloreto férrico pois
produzem hidróxidos gelatinosos e insolúveis gerando uma floculação parcial, são
também utilizados auxiliares de coagulação com argila bentonita, silicato de sódio ou
carvão ativado, são adicionados na água com a intenção de agilizar e melhorar o
processo de coagulação, devido a alta densidade desses materiais a velocidade de
sedimentação é alta (ABREU-LIMA, 2007; LIBÂNIO, 2010; TZOUPANOS;
ZOUBOULIS, 2008; CALIJURI; CUNHA, 2013) .
Na água reservada ao abastecimento público é comum a existência de um
residual de alumínio, não só pela sua frequência na água de origem para captação
como também pelo emprego periódico de coagulantes à base de sais de alumínio no
tratamento (PORTELLA et al., 2003; DE ALMEIDA NETO et al., 2016).
No entanto o uso desses produtos químicos, especialmente o alumínio, pode
ter várias consequências ambientais, implicações para a saúde humana como
Alzheimer e outras doenças com propriedades cancerígenas (PRIEST et al., 1988;
BONDY, 2010; DARBRE et al., 2013).
25
3.3.1.1 Alumínio
O alumínio (Al) é o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre
estando presente em todas as águas superficiais, como sais de alumínio ou sulfato
de alumínio. A possível contribuição para o acréscimo do teor em Al na água tratada
e os conhecidos ou suspeitos efeitos na saúde humana têm suscitado interesse e
preocupação no seio da comunidade científica (CRISPONI et al., 2012).
A maioria das águas naturais contêm quantidades praticamente
imperceptíveis do metal; no entanto o uso de alumínio em sistemas de purificação
de água leva a quantidades não tão insignificantes deste íon metálico pelo sistema
municipal de águas e sua especiação tem que ser levada em conta (CRISPONI et
al., 2012).
Estudos como o de Exley (2013), citam as principais vias de absorção do
alumínio no corpo humano.
Cada uma das superfícies externas do corpo, principalmente a pele, nariz, pulmão e trato gastrointestinal, é uma via de absorção de alumínio no corpo e um fator que contribui diretamente para a carga corporal total de alumínio. Historicamente estas quatro vias principais de impacto só foram consideradas barreiras para a absorção e acumulação sistêmica subsequente de alumínio enquanto que elas são realmente contribuintes significativas para a carga corporal total do alumínio e, importante, eles também são os próprios alvos para as atividades biológicas e, por
conseguinte, para toxicidade, de alumínio (EXLEY, 2013).
Wang et al. (2013), sugere que a ação do alumínio também é conhecida por
ter um perfil genotóxico, causando modificações de cromatina e no DNA. Darbre et
al. (2013), destaca evidências recentes que ligam o acúmulo de alumínio no
organismo humano com a etiologia do câncer de mama.
“A presença de alumínio no peito humano também pode alterar o rompimento microambiente da mama causando ruptura ao metabolismo do ferro, o dano oxidativo aos componentes celulares, as respostas inflamatórias e alterações da motilidade das células” (DARBRE et al., 2013).
26
A exposição humana ao alumínio é inevitável, uma vez que está
presente numa vasta gama de produtos e é utilizado em diversas áreas. No entanto,
existe uma considerável preocupação no que diz respeito ao alumínio que é ingerido
tanto nos alimentos como na água (BONDY, 2010).
Devido aos diversos problemas relacionados com a ingestão em excesso do
alumínio, torna-se essencial a redução do seu uso. Diversos biopolímeros são
pesquisados no tratamento de água, tendo como objetivo principal a coagulação e a
floculação, sendo comprovado o melhoramento na formação dos flocos tornando-os
mais resistentes (ABREU-LIMA, 2007; MANGRICH et al., 2013; ZHANG et al.,
2016). Alguns dos biopolímeros mais estudados são provenientes da: Moringa
oleífera (DA SILVA et al., 2003), da acácia negra (TANAC, 2008; MANGRICH et al.,
2013), e da quitosana (KONRADT-MORAES et al., 2005). Esses biopolímeros
poderão se constituir em potenciais aliados, quando se considera que o excesso de
alumínio pode causar problemas para o organismo humano, além de contribuir com
a diminuição dos custos dos tratamentos de água.
3.3.1.2 Biopolímeros
Biopolímeros são polímeros que são produzidos a partir de um organismo
vivo podendo ser (proteínas, ácido nucleico ou polissacarídeos), biomaterais
consistem em materiais bioativos uma vez que detêm a habilidade de interagir com
os tecidos naturais, podendo eles ser naturais ou sintéticos (BORSCHIVER et al.,
2008; RUDIN; CHOI, 2012).
Vários polímeros são citados na literatura, como, o polilactato (PLA), o
polihidroxialcanoato (PHA) e a goma xantana, o PLA é um poliéster feito por síntese
química tem como base no ácido láctico produzido pela fermentação bacteriana da
glicose que é retirada do milho, o PHA faz parte de um vasto conjunto de poliésteres
gerados por bactérias pela biossíntese de carboidratos de cana-de-açúcar, milho ou
óleos vegetais retirados basicamente da soja e da palma, os PA são polissacarídeos
alterados quimicamente ou não, sendo extraídos a partir do amido que é retirado do
milho, batata, trigo ou mandioca, um exopolissacarídeo que é extraído por
microrganismo tendo como base carboidratos que são retirados do milho ou da
27
cana-de-açúcar é a Goma xantana que possui vasta aplicação na área alimentícia,
de cosméticos e é estudado na exploração de petróleo (PRADELLA, 2006;
BORSCHIVER et al., 2008).
São utilizados em pesquisas no tratamento de água desde os anos 50, em
especial como auxiliadores na coagulação e floculação, tendo como maior vantagem
a sua utilização como auxiliares no desenvolvimento de flocos maiores e mais fortes
ccm maior capacidade de resistir as forças de cisalhamento (ABREU-LIMA, 2007).
Diversos polímeros naturais são avaliados como auxiliares nos processos de
coagulação e floculação, com a sua utilização além de oferecer melhorias à
qualidade da água tratada, benefícios para o meio ambiente e para a saúde dos
consumidores, por meio da redução do uso dos coagulantes metálicos que se
encontram presentes em menores concentrações na água tratada que será ingerida
e no lodo das estações de tratamento, provavelmente ainda será ocasionado uma
maior facilidade para a disposição final do lodo gerado. Entretanto existem diversas
lacunas sobre o conhecimento acerca da aplicação de biopolímeros, em especial os
de origem vegetal, no tratamento de efluentes industriais (DA SILVA et al., 2003).
3.3.2 Pereskia aculeata MILLER
A ora-pro-nobis (Figura 4), nome popular das espécies Pereskia aculeata
Miller, pertencente à família Cactaceae e é uma angiosperma eudicotiledônea com
folhas, caules, frutos e sementes bem caracterizados morfologicamente (GARCIA et
al., 2000; DUARTE; HAYASHI, 2005; LOPES et al., 2008; QUEIROZ, 2012). É uma
planta que pertence ao reino Plantae, classe Equisetopsida C. Agardh, sub classe
Magnoliidae Novákex Takht superordem Caryophyllanae Takht. ordem
Caryophyllales Juss. ex Bercht. & J. Presl, família Cactaceae Jusse gênero
Pereskia Mill (TROPICOS, 2015).
28
(a)
(b)
Figura 4 – (a) Folhas e (b) flores da P. aculeata Miller Fonte: Arquivo pessoal.
Estudos morfoanatômicos de Duarte e Hayashi (2005) e Squena et al., (2014)
descreveram a P. aculeata Miller, como uma planta que apresenta folha simples,
verdes e suculentas. Cada folha possui cerca de 7 cm de comprimento e 3 cm de
largura, são simétricas com formato elíptico, com ápice agudo-acuminado, somente
a nervura central é nítida, o pecíolo é curto e simétrico, são uniestratificadas,
recobertas por uma cutícula espessa e lisa, a filotaxia é alterna, possuindo espinhos
junto ao pecíolo. O gênero Pereskia se diferencia das demais cactáceas suculentas
pela presença de folhas normais, deste modo, dificultando o reconhecimento como
um membro da família.
As figuras 5 e 6 exibem secções da folha evidenciando o sistema de
revestimento e a epiderme foliar.
29
Figura 5 - P. aculeata Mill., Cactaceae. Secção transversal da folha, evidenciando o sistema de revestimento. es: estômato, ep: epiderme. Fonte: Squena et al. (2014).
Figura 6 - P. aculeata Mill., Cactaceae – folha. Vista frontal da epiderme foliar, face
adaxial, mostrando estômatos. es: estômato. Fonte: Squena et al. (2014).
As folhas possuem grande quantidade de células contendo mucilagem e
cristais de oxalato que são caraterísticos na família das Cactaceae. Aos cristais de
oxalato são atribuídas diversas funções, como defesa mecânica contra-ataques de
herbívoros, reserva de cálcio e manutenção do equilíbrio iônico. (Figura 7) (GARCIA
et al. 2000; FRANCESCHI; HORNER Jr., 1980).
30
Figura 7 - P. aculeata Mill., Cactaceae. Secção transversal da nervura central, indicando a presença de células mucilaginosas e drusas de oxalato de cálcio. dr: drusas de oxalato de cálcio, ep: epiderme, mu: célula mucilaginosa.
Fonte: Squena et al. (2014).
O gênero Pereskia é considerado um ancestral dos cactos, compreende 17
espécies incluindo arbustos folhosos e plantas arbóreas, cujos caules não são
suculentos (NOBEL, 2002; EDWARDS e DONOGHUE, 2006).
São classificadas como suculentas, pois exibem uma grande capacidade de
armazenamento de água em um ou mais órgãos. A maioria das Cactaceae tem um
amplo e superficial sistema de enraizamento que permite rápida absorção de água
após a chuva, a raiz primária é determinante no crescimento (NOBEL, 2002;
EDWARDS e DONOGHUE, 2006; SHISHKOVA et al., 2013).
O gênero Pereskia é considerado o menos evoluído da família. Geralmente
existe contração das raízes, mantendo assim a planta perto da superfície do solo
(MAUSETH, 1999; SHISHKOVA et al., 2013).
Em alguns países a espécie é considerada uma erva daninha devido a sua
alta capacidade de dispersão e a baixa necessidade hídrica, o que torna a planta
altamente adaptável e de fácil cultivo (PATERSON et al., 2009). No Brasil a taxa de
dispersão da planta é alta, alcançando praticamente todos os estados (TOFANELLI;
RESENDE, 2011; ZAPPI et al., 2015):
31
Popularmente, a utilização medicinal é conhecida em algumas regiões do
Brasil, e pesquisas científicas têm confirmado a potencialidade das folhas como anti-
inflamatório, cicatrizante e antitumoral (ROYO et al., 2005; VALENTE et al., 2007;
SARTOR et al., 2010).
Na medicina popular, as folhas são amplamente utilizadas no abrandamento
das evoluções inflamatórias e no restabelecimento da pele em ocorrências de
queimadura, já os frutos apresentam propriedades expectorantes e antissifilíticas
(SANTOS et al., 2011).
A P. aculeata Miller. é uma planta tropical que integra a flora brasileira nativa
(TOFANELLI; RESENDE, 2011) e como nativa não endêmica por Zappi et al. (2015).
No Brasil é mais conhecida como ora-pro-nobis, embora possam ser sinônimas as
designações lobrobó, cipó-santo, mata velha, trepadeira-limão, espinho-preto,
espinho-de-santo-antônio e rosa-madeira. Sendo utilizada como alimento humano e
também como medicamento fitoterápico popular (DUARTE; HAYASHI, 2005; SILVA
JÚNIOR et al., 2010). É rica em biopolímeros comestíveis formados a partir de
arabinogalactanos, fazendo dela uma fonte potencial de aditivo para indústria
farmacêutica e alimentícia (MERCÊ; LANDALUZE, 2001).
A Pereskia aculeata Miller é consumida na culinária regional brasileira e se
destaca pelo elevado conteúdo de proteínas e mucilagem de suas folhas (MERCÊ;
LANDALUZE, 2001; DUARTE; HAYASHI, 2005).
3.3.2.1 Mucilagem
Na literatura são encontradas diversas designações para o termo mucilagem,
como gomas, coloides hidrofílicos (ou hidrocoloides) ou ainda polissacarídeos
solúveis em água (JAHANBIN et al., 2012)
Mucilagens são utilizadas para diversas aplicações devido a sua grande
capacidade de formar géis, soluções viscosas ou como agentes emulsificantes
(MIRHOSSEINI; AMID, 2012; CEVOLI et al., 2013).
Normalmente a sua procedência é de origem vegetal, possuindo grande
potencial para ser utilizada nas indústrias cosméticas, alimentares e farmacêuticas
com as mais variadas utilidades como, por exemplo, agentes de espessamento,
32
gelificantes, modificadores de textura e como agentes de ligação (DEORE;
KHADABADI, 2008; KOOCHEKI et al., 2009; LAI; LIANG, 2012).
A sua variedade é ampla na natureza, com origem microbiana, animal ou
vegetal. A composição da mucilagem depende da sua origem e dos tipos de
polissacarídeos que a compõem, pois os polissacarídeos podem ter diversas
características e possuírem diferentes funções (RENARD et al., 2012).
De acordo com Robert Hine e Elisabeth Martin no Dictionary of Biology.
A mucilagem, no sentido botânico é uma secreção rica em polissacarídeos.
Retém a água aumentando de volume. Encontra-se, em alta concentração,
em raízes aquáticas para sua proteção, envolvendo algumas sementes etc.
No sentido farmacológico, é uma substância viscosa resultante da solução
de determinadas matérias em água. Grande grupo
de polissacarídeos complexos, frequentemente presentes nas paredes
celulares das plantas aquáticas e nos tegumentos de algumas outras
espécies. Mucilagem é rígida quando seca e pegajosa quando úmida. Tem
possivelmente uma função protetora e de âncora nas plantas (HINE;
MARTIN, 2005).
Prajapati et al. (2013) descrevem alguns atributos e vantagens dos
materiais naturais adquiridos a partir das plantas, como a biodegradabilidade, baixo
custo, a fácil disponibilidade, entre outros.
Várias partes da planta como as frutas, sementes, folhas, raízes e os
exsudatos de árvores, possuem células superficiais que são ricas em mucilagens,
fibras e proteínas (RANA et al., 2011).
Como a mucilagem é considerada um agrupamento de hidrocoloides,
associados basicamente com polissacarídeos e proteínas que apresentam forte
interação com a água (MALVIYA et al., 2011).
Dentro destas novas possibilidades, estudos de produtos vegetais como
agentes de tratamento de água potenciais têm uma longa história. Polímeros
vegetais são ótima opção sustentável ao uso sistemático dos coagulantes químicos,
pois são biodegradáveis, não causam nenhum dano à saúde e tem menor custo.
Coagulantes e/ou auxiliares de coagulação de origem orgânica que possuem base
de tanino ou mucilaginosas, constituídos a base de polissacarídeos, proteínas e
principalmente, os amidos, como, farinha de mandioca, araruta e fécula de batata
33
(DI BERNARDO, 1993); amido modificado com taninos em gel (MORISADA, et al
2011); plantas, tais como: o quiabo (Abelmoschus esculentus), a mutamba
(Guazuma ulmifolia) e o cacau (Theobroma cacau) (DE ABREU; LIMA, 1998),
Quebracho (Schinopsis balansae) e Mimosa (Acacia mearnsii) (SENGIL; ÖZACAR,
2008; YURTSEVER; SENGIL, 2009; SÁNCHEZ-MARTÍN et al., 2010b), Moringa
(Moringa oleífera) (SÁNCHEZ-MARTÍN et al., 2010b), coco (Cocos
nucifera) (FATOMBI et al., 2013).
A utilização de coagulantes/floculantes para a remoção de turbidez, cor e
matéria orgânica têm sido realizada com sucesso para o tratamento de águas
superficiais para a produção de água potável (SÁNCHEZ-MARTÍN et al.,2010a).
34
4 METODOLOGIA
As etapas com as atividades do estudo da potencialidade da mucilagem da P.
aculeata Miller são apresentadas no fluxograma descrito na Figura 8.
Figura 8 - Fluxograma do processo de extração, caracterização e aplicação da mucilagem de P. aculeata Miller
PREPARAÇÃO DA AMOSTRA
• Coleta das folhas
• Desinfecção
• Lavagem com água
• Secagem
• Moagem
EXTRAÇÃO
• Avaliação de rendimento:
• Processo A
• Processo B
CARACTERIZAÇÃO
• Físico-química
• Térmica
• Grupos Funcionais
• Morfológica
APLICAÇÃO DO EXTRATO
• Planejamento experimental fatorial completo 23 incluindo 6 pontos axiais e repetições no ponto central
• Variáveis independentes: concentração de biopolímero, tempo de coagulação e de floculação
• Variáveis respostas: turbidez, compostos que absorvem em 254 nm (medida indireta de substâncias húmicas ) e compostos que absorvem em 280 nm (medida indireta de substâncias aromáticas )
35
4.1 PREPARAÇÃO DA AMOSTRA DA ORA-PRO-NOBIS
As amostras de Ora-pro-nobis (P. aculeata Miller) foram coletadas no verão
na Região Oeste do Paraná. A exsicata da planta foi depositada no Herbário da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná sob o número HPB 959.
As folhas foram lavadas com água corrente, imersas em solução de
hipoclorito de sódio a 200 µL L-1,por um período de 10 minutos e lavadas com água
destilada. Após as lavagens, foram secas em estufa com circulação de ar (Sterilifer-
SXCR40) a 40 ºC até peso constante. O material seco foi triturado em moinho de
facas (Willye STAR FT-50) de acordo com a metodologia proposta por De Almeida et
al. (2014).
4.2 PROCESSOS DE EXTRAÇÃO DA MUCILAGEM DAS FOLHAS SECAS
Para extração foram avaliados dois processos, adaptados a partir de duas
metodologias, a fim de selecionar o processo com maior rendimento de mucilagem.
4.2.1 Processo A
O processo (A) foi adaptado das metodologias de Alzueta et al. (2002) e Amin
et al. (2007).
Ao material seco e triturado (MS) foi adicionado água destilada na proporção
2,5:1 (L de água destilada: kg de MS), mantidos sob temperatura de 95 ºC e
agitação constante em chapa de aquecimento (Logen), por 30 minutos, com
posterior decantação a 50 ºC por 15 minutos. O sobrenadante foi filtrado em peneira
de 50 mesh (Bertel).
A solução extrativa foi clarificada a 50 ºC com peróxido de hidrogênio (H2O2)
(30%) na proporção de 5:1 (H2O2:solução extrativa – v/v), gerando o extrato
clarificado (DENG et al., 2012). Etanol 95% na proporção 2,5:1 (etanol: extrato
36
clarificado – v/v) foi adicionado no extrato clarificado para precipitação do
biopolímero. E, a fim de separar o sobrenadante, a amostra foi centrifugada a 4000
rpm (Hermle).
4.2.2 Processo B
No processo (B), a extração da mucilagem da folha foi adaptada dos estudos
de Lima Junior et al. (2013): o MS foi adicionado em água destilada na proporção
2.5:1 (L de água destilada:kg de MS), mantidos sob temperatura de 60 ºC e agitação
constante por 6 horas em chapa de aquecimento (Logen). O sobrenadante foi
filtrado em peneira de 50 mesh (Bertel).
O sobrenadante também foi clarificado conforme adaptação de Deng et al.,
(2012). Como o descrito no item 4.2.1.
Para ambas as extrações, o rendimento foi calculado por meio da Equação
(1). Os biopolímeros precipitados foram resfriados a - 4 ºC e liofilizados (Liotop–
L1019).
mm 00
(1)
Em que,
R: rendimento da extração (%)
Mm : massa de mucilagem obtida (mg)
P: massa (mg)
37
4.3 CARACTERIZAÇÃO DA MUCILAGEM LIOFILIZADA SEM CLARIFICAÇÃO E
CLARIFICADA EXTRAÍDAS DO PROCESSO COM MAIOR RENDIMENTO
4.3.1 Determinação do pH potencial de carga zero (pHpzc)
No ponto de carga zero (PCZ), se determina o pH em que as cargas
superficiais são nulas. Neste trabalho, o PCZ foi determinado conforme estudos de
Regalbuto e Robles (2004) e Da Silva Guilarduci et al. (2006), segundo os quais, o
biopolímero (50 mg) foi adicionado em solução aquosa (50 mL) sob diferentes
condições de pH inicial (1 a 12) por 24 h. Os ajustes de pH foram realizados por
adição de HCl e NaOH.
4.3.2 Determinação dos grupos funcionais
A determinação dos grupos funcionais presentes no biopolímero foi realizada
por espectroscopia no infravermelho médio com transformada de Fourier. Estas
análises foram realizadas no espectrofotômetro (Modelo: Perkin Elmer FT-IR
Frontier) na faixa de 400-4000 cm-1, com resolução em 2 cm-1, utilizando pastilhas
de KBr contendo biopolímeros nas proporções de 99mg:1mg, respectivamente.
4.3.3 Difratometria de raio-X (DRX)
Difratometria de raio–X (DRX) (Miniflex da Rigaku) com varredura de 5 a 80 e
passo de 5º de 2θ e fonte de Cobre Kα com 30 KV e 30 mA, foi utilizada para
verificar o grau de cristalinidade do material.
38
4.3.4 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
As características morfológicas da superfície do biopolímetro foram obtidas
por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura - MEV (Modelo: Hitachi TM3000),
nas ampliações de 50, 120 e 300x, a fim de verificar a morfologia e a
homogeneidade das partículas.
4.3.5 Análise Térmica
Para a análise térmica foi utilizado o equipamento Shimadzu Thermo
gravimetric Analyzer – modelo TA-50, sob atmosfera de ar sintético (10mL min-1),
razão de aquecimento: 2 °C min-1 até 600 oC e porta-amostra de -alumina.
4.4 APLICAÇÃO DO BIOPOLÍMERO NO TRATAMENTO DE ÁGUA
Amostra de água superficial foi coletada no rio que abastece o município de
Pato Branco – Paraná, Brasil (Rio Pato Branco) no ponto de coleta da empresa de
abastecimento. A amostra foi armazenada em frascos de polietileno a 4 oC.
O Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) 23 (2 níveis, 3 pontos
centrais e 6 pontos axiais) foi empregado para avaliar o desempenho do biopolímero
(Tabela 3) no processo de coagulação/floculação em relação aos fatores (variáveis
independentes) concentração de biopolímeros clarificado ([B]), tempo de contato na
coagulação (TC) e tempo de contato na floculação (TF) e sobre as variáveis
dependentes, redução de turbidez (RT), remoção de compostos que absorvem em
254 nm, como medida indireta de substâncias húmicas (R254) e compostos que
absorvem em 280 nm, como medida indireta de substâncias aromáticas (R280).
Foram determinadas por turbidímetro (Tecnopon TB-1000) e por espectrofotômetro
UV-Vis (Evolution 60S), respectivamente.
39
Tabela 3 - Níveis das variáveis estudadas de acordo com o DCCR.
Variáveis independentes Símbolo Níveis codificados e reais
-1,68 -1 0 1 1,68
Concentração do biopolímero (g L-1
) [B] 0,50 1,40 2,75 4,10 5,00
Tempo de coagulação (s) TC 20 53 100 147 180
Tempo de floculação (s) TF 600 1207 2100 2993 3600
Os ensaios para avaliação do biopolímero no processo de
coagulação/floculação do tratamento de água foram conduzidos em aparelho de Jar
test (JT-203/M6), em copos de Béckeres com volume de água de 250 mL. A
velocidade de mistura rápida (120 rpm), velocidade de mistura lenta (30 rpm), pH da
amostra de água (6,7), concentração e volume de sulfato de alumínio (0,5 g L-1 e 1
mL) e tempo de decantação (1 h) foram mantidos constantes. Análise de variância
(ANOVA) foi utilizada para avaliar a qualidade e o ajuste dos modelos matemáticos
gerados.
40
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 EXTRAÇÃO DA MUCILAGEM
As medidas de rendimento da extração da mucilagem da ora-pro-nobis (P.
aculeata Miller) estão representadas na Tabela 4 onde (A) é a determinação
realizada a 95 oC. e (B) a 60 oC., ao final dos processos de extração da mucilagem
as amostras foram comparados para avaliação da maior eficiência de extração.
Tabela 4- Média dos rendimentos das mucilagens nos processos de extração
PARÂMETROS PROCESSO (A) PROCESSO (B)
P(g)
10,000 10,000
Mg
0,179 0,050
R (%)
1,790 0,500
P – massa; mg – massa de mucilagem obtida; R – rendimento da extração.
Os rendimentos na extração da mucilagem para as duas condições estudadas
(Tabela 4) apresentaram valores de 1,79% para o (processo A) e 0,50% para o
(processo B). O que foi observado é um rendimento 3,6 vezes maior quando a
extração ocorre a temperatura maior (95 ºC), demonstrando maior eficácia do
processo de extração (A), possivelmente reduzindo significativamente os custos da
operação em comparação com o processo de extrato (B), no qual a planta
permanece em suspensão por 6 horas em temperatura constante de (60 ºC).
Extrações já estudadas para vegetais mucilaginosos, como a linhaça,
(LUCYSZYN et al., 2015), cactos Oputia fícus-indica, Nopalea cochenillifer, Opuntia
humifusa Raf (MAGALHÃES 2009, HWAN et al., 2013), Morus alba L (LIN; LAi,
2009), Asplenium australasicum (LAI; LIANG, 2012), e também com a ora-pro-nobis
(LIMA JUNIOR et al., 2013; CARVALHO et al., 2014; CONCEIÇÃO et al., 2014),
41
utilizaram de temperaturas entre 80 e 100 ºC, concluindo que mudanças no tempo
de extração e de temperaturas acima dos 100 ºC, não indicam ganhos significativos
no rendimento dos extratos.
A Figura 9 mostra uma amostra do biopolímero da P. aculeata Miller antes (a)
e depois (b) do uso de H2O2 30% na clarificação.
Figura 9 - Biopolímero sem clarificação (a) e Biopolímero clarificado (b) Fonte: arquivo pessoal
5.2 DETERMINAÇÃO DO pH POTENCIAL DE CARGA ZERO (pHPZC)
Os resultados obtidos para os pontos de carga zero dos biopolímeros sem
clarificação (SC) e clarificado (BC) são apresentados na Figura 10, os resultados
mostram que os valores do pHPZC obtido para UB e CB foram, respectivamente, 5,50
e 5,80, em que os pH finais se mantiveram constantes independente do pH inicial.
42
Figura 10 - Ponto de carga zero das amostras de biopolímeros de P. aculeata Miller sem clarificação (SC) e clarificado (BC).
Houve uma pequena diferença entre o pH final do biopolímeros sem
clarificação (SC) e do biopolímero clarificado (BC), sendo que o pH clarificado foi
ligeiramente superior. O ponto de carga zero permite prever a ionização de grupos
funcionais de superfícies e sua interação eletrostática com substâncias na água
(WAN NAGH et al., 2002; SANTOS, et al., 2008). Substâncias catiônicas tendem a
ser aglomeradas quando o pH for superior ao pH de carga neutra, enquanto que
para aniônicos essa aglomeração ocorre em pH inferior. O ponto de carga zero
encontrado (5,80) para o biopolímero clarificado (CB) (Figura 10) é próximo a outros
biopolímeros utilizados no tratamento de água e efluentes, como para quitosana
(5,59), goma de acácia (6,7), e Moringa oleifera (6,96) (SINGH; SINGH 2011; SAINI
et al., 2016).
5.3 DETERMINAÇÃO DOS GRUPOS FUNCIONAIS
Os principais grupos funcionais das amostras liofilizadas, o biopolímero
clarificado e o biopolímero sem clarificação, foram identificados utilizando
43
Espectroscopia na região do Infravermelho médio por Transformada de Fourier (IV-
TF), os espectros obtidos são apresentados na Figura 11.
Figura 11 – Espectros de IV-TF das amostras dos polímeros: biopolímero clarificado (BC) e biopolímero sem clarificação (SC).
Ao comparar-se os espectrogramas de IV dos biopolímeros de P. aculeata
Miller, com espectrogramas encontrados na literatura, os biopolímeros apresentaram
características típicas de polissacarídeos com a presença de componentes
proteináceos, semelhantes a goma arábica (WANG et al., 2014), goma da acácia
(SINGH; SINGH, 2011), alginato e quitosana (REINAS et al., 2014), Moringa oliefera
e goma da Pereskia aculeata Miller (CONCEIÇÃO et al., 2014). Foram observadas
absorções na região de 800 a 1200 cm-1 devido a vibração do anel aromático
sobreposto com a vibração da ligação da hidroxila e vibrações de ligações
glicosídicas. Essas bandas nessa posição e com intensidade média, se constituem
em uma espécie de impressão digital de um polissacarídeo. Os espectrogramas
apresentam bandas também, entre 3450 e 3300 cm-1 que podem ser atribuída ao
estiramento vibracional do grupo O-H, para ambas as amostras (SC e BC). Bandas
na faixa de 2926 cm-1 e 2853 cm-1 correspondem à deformação axial assimétrica (as
CH2) e a deformação axial simétrica (s CH2), respectivamente, (SILVERSTEIN;
WEBSTER, 2000) e podem corresponder a unidades de monossacarídeos
(TAVARES et al., 2011). Bandas em 1343 cm-1 podem corresponder a estiramento
44
de -CH resultado próximo ao encontrado por WANG; HE. (2002). Ligações N-H
(grupo amino) podem ser observadas em 1646 cm-1, resultado semelhante ao
observado por Reinas et al., (2014) em espectrograma de infravermelho de
quitosana. Estiramento -C-O-C- pode ser observado na banda em 1100 cm-1, que é
observada em polissacarídeos (CAI; KIM, 2008; BAPTISTA et al., 2017).
Conforme Razavi et al., (2014) e Lima Junior et al., (2013), a existência de
grupos carboxila e de proteína, possibilitam uma interação com a água, contribuindo
para formação de géis.
A goma estudada apresentou faixas e bandas próprias de polissacarídeos,
sendo que a partir desta análise e por meio da comparação com a literatura é
possível afirmar que o biopolímero estudado se trata de uma glicoproteína, pois
apresentam carboidratos em sua constituição (SINGTHONG et al., 2009;
MAGHCHICHE et al., 2010; LIMA JUNIOR et al., 2013; CONCEIÇÃO et al., 2014 ).
5.4 CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS
As características morfológicas foram obtidas por meio de microscopia
eletrônica de varredura, onde se verifica partículas relativamente cristalinas,
possuindo constituição variável e sem forma prevalecente. Essas características
estão sendo apresentadas nas Figuras 12 e 13 (microscopia para o biopolímero sem
clarificação e para o biopolímeo clarificado, respectivamente).
Figura 12 - Micrografias do biopolímero liofilizado sem clarificação em diferentes ampliações: (a) x50, (b) x120 e (c) x300.
45
Figura 13 - Micrografias do biopolímero liofilizado clarificado em diferentes ampliações: (a) x50, (b) x120 e (c) x300.
As imagens, verificadas por microscopia eletrônica de varredura para o
biopolímero sem clarificação e para o biopolímero clarificado apresentadas nas
Figuras 12 e 13, revelam estruturas diferentes do ponto de vista morfológico.
A estrutura do biopolímero sem clarificação (Figura 12) é maior e uniforme e
apresentam pouca aderência entre as partículas, demonstrando contaminação por
outras substâncias como, por exemplo a clorofila.
Na Figura 13 (biopolímero clarificado) verifica-se grande atração e adesão das
partículas menores à superfície das partículas maiores, que indicam que essas
estruturas se organizaram durante o processo de liofilização. Essa forte adesão
amplia a viscosidade do material e seu aspecto esponjoso que também é
característico de um material higroscópico, semelhante à quitosana, o tanfloc SG
(Tanac®), à goma guar e a goma kondagogu, que são utilizados no tratamento de
água (WANG et al., 2002, 2006; VINOD et al., 2008; MONTEIRO et al., 2009;
RENAULT et al., 2009; LIMA JUNIOR et al., 2013; CONCEIÇÃO et al., 2014).
5.5 DIFRATOMETRIA DE RAIO X
A caracterização por difratometria de raio X é de grande importância para
determinar o grau de cristalinidade de uma amostra. Um bom floculante/coagulante
precisa ter características amorfas, com pontos de cristalinidade, que possivelmente
podem estar relacionados à constituição química, taticidade e massa molecular,
porém pode também apresentar cristalização de açúcares amorfos (ROSS, 1998),
46
justamente para proporcionar uma maior adesão entre as partículas que estão em
suspensão no tratamento de água, otimizando os processos de floculação e
coagulação. As Figuras 14 e 15 representam os difratogramas do biopolímero não
clarificado e clarificado respectivamente.
Figura 14 - Difratograma de Raio X do biopolímero não clarificado
Figura 15 - Difratometria de Raio X do biopolímero clarificado
Em ambos os difratogramas, verifica-se a formação de um anel característico
de compostos amorfos, com pontos de cristalinidade possivelmente pode estar
47
relacionado a constituição química, taticidade das ramificações e massa molecular,
porém pode também apresentar cristalização de açúcares amorfo quando
comparado com outros estudos de gomas e biopolímeros a formação do anel é
característica, alcançando um resultado parecido, indicando que a goma natural é
completamente amorfa em sua natureza, sendo econtrando todas as características
necessárias de um semi cristalino (ROSS, 1998; Vinod et al., 2008; COZIC et al.
2009; CONCEIÇÃO et al., 2014), quando este tipo de composto é aplicado, se
mostra como um bom agente floculante/coagulante.
5.6 ANÁLISE TÉRMICA
A utilização da análise termogravimétrica (TGA) possibilita delimitar faixas de
temperaturas onde os produtos possam ser expostos sem que ocorra degradação, a
qual prejudicaria a estrutura do material. É um conjunto de técnicas onde uma
característica física é avaliada durante o tempo em que a amostra é sujeitada a um
programa com controle de temperatura (BANNACH et al., 2011).
O desempenho térmico do biopolímero extraído pode ser observado na Figura
16.
Figura 16 - Análise termogravimétrica da P. aculeata, a) biopolímero não clarificado (SC), b) biopolímero clarificado (BC).
48
Observa-se perda de massa nas amostras do biopolímero sem clarificação
(SC: 8,4%) e do biopolímero clarificado (BC: 13,8%) abaixo de 175 °C. Essa perda
pode ser atribuída à evaporação de água livre e estrutural contida no biopolímero.
Zohuriaan; Shokrolahi (2004) descrevem perda de massa similares na goma
arábica, goma xantana, quitosana e alginato de sódio, o que corresponde ao
aspecto hidrofílico dos grupos funcionais nestes biopolímeros. Conforme Kittur et al.
(2002), polissacarídeos higroscópicos possuem uma desordenação nas estruturas o
que facilita a hidratação do material. O mesmo é observado em estudos com
biopolímeros de P. aculeata Miller (MERCÊ; LANDALUZE, 2001; CONCEIÇÃO et
al., 2014).
Perdas de massa subsequentes podem estar associadas à decomposição
inicial dos polissacarídeos (ZOHURIAAN; SHOKROLAHI, 2004), o que inicia após
200 oC e finaliza em 600 oC, (degradação oxidativa dos polissacarídeos presentes).
Foram observados comportamentos semelhantes na goma arábica, goma xantana,
quitosana e alginato de sódio. Geralmente processos como desidratação,
despolimerização e decomposição pirolítica são encontrados nestes estágios e
resultam na formação de água (H2O), monóxido de carbono (CO) e metano (CH4),
porém devido a variações nos tipos estruturais e de grupos funcionais dos polímeros
as vias de degradação são diferentes (ZOHURIAAN; SHOKROLAHI, 2004), estudos
com outras plantas como a acacia, (SINGH & SINGH, 2011), a Albizia procera,(
PACHUAU et al., 2012), a goma arábica, (MOTHÉ; RAO, 2000) e com a ora pro
nobis, (LIMA JUNIOR et al., 2013; CONCEIÇÃO et al., 2014), chegaram a
resultados semelhantes de perda de massa nos materiais orgânicos com as
mesmas alterações de temperatura. Os autores sugerem ainda, que o biopolímero
apresenta uma boa estabilidade térmica.
49
6.0 AVALIAÇÃO NO PROCESSO DE TRATAMENTO DE ÁGUA
O DCCR (Tabela 6) foi determinado para investigar a concentração de
biopolímero ([B]), tempo de contato na coagulação (CTC) e tempo de contato na
floculação (CTF) nos ensaios de coagulação/floculação com o biopolímero extraído
da P. aculeata Miller considerando as variáveis dependentes: redução de turbidez
(RT), remoção de compostos que absorvem em 254 nm, como medida indireta de
substâncias húmicas (R254) e compostos que absorvem em 280 nm, como medida
indireta de substâncias aromáticas (R280).
Rio Pato Branco é classificado como classe II (Tabela 5) conforme resolução
brasileira CONAMA 357/2005, e pode ser destinado ao abastecimento para
consumo humano após tratamento convencional. A amostra coletada para a
realização dos ensaios apresentou pH 6,8 e turbidez de 56 NTU (Unidade de
turbidez nefelométrica), valores dentro do estabelecido pela legislação nacional (pH
entre 6,0 - 9,0 e Turbidez:<100 NTU) (BRASIL, 2005). Os valores obtidos para as
absorbâncias em UV254 e UV280 (0,086 e 0,077), respectivamente correspondem a
existência substâncias húmicas e aromáticas na amostra coletada.
Tabela 5 – Condições de qualidade dos rios de águas doces classe II, previstas na Resolução Conama n
o 357 de 17 de março de 2005.
Águas que podem ser destinadas
a) ao abastecimento para consumo humano, após tratamento simplificado.
b) à proteção das comunidades aquáticas.
c) à recreação de contato primário, tais como natação, esqui aquático e mergulho, conforme Resolução do Conama n
o 274, de 2000;
d) à irrigação de hortaliças que são consumidas cruas e de frutas que se desenvolvam rentes ao solo e que sejam ingeridas cruas sem remoção de película.
e) à proteção das comunidades aquáticas em terras indígenas.
Fonte: Brasil (2005).
As substâncias húmicas são materiais orgânicos proveniente de
decomposição de plantas e animais, podendo ser carboxilas, fenóis e hidroxilas
(ALVAREZ-PUEBLA et al., 2006; QIN et al., 2015). Causam efeitos desagradáveis
50
devido a sua coloração (amarelada), podendo ainda reagir com o cloro gerando
produtos cancerígenos (trihalometano) (XUE et al., 2011). Substâncias que
absorvem em UV280, são compostos aromáticos, muitos deles recalcitrantes, como
contaminantes farmacêuticos (ibuprofeno, diclofenaco, entre outros) (ALMEIDA et
al., 2004), têxteis (corantes com ligações duplas) (NAGEL-HASSEMER et al., 2012)
ou então derivados da lignina proveniente de contaminação de áreas de indústria de
papel e celulose (BARROS; NOZAKI, 2002) ou natural, como restos de plantas.
Tabela 6 - CCRD para o processo de coagulação/floculação por biopolímeros de P. aculeata Miller.
Níveis codificados Níveis reais Resultados
Teste [B] CTC CTF [B]
(g L-1
) CTC (s)
CTF
(s)
RT
(%)
R254
(%)
R280
(%)
1 -1,00 -1,00 -1,00 1,40 53 1207 83,04 88,37 19,48
2 1,00 -1,00 -1,00 4,10 53 1207 81,07 00,00 00,00
3 -1,00 1,00 -1,00 1,40 147 1207 85,18 86,05 14,65
4 1,00 1,00 -1,00 4,10 147 1207 84,29 00,00 00,00
5 -1,00 -1,00 1,00 1,40 53 2993 80,71 65,12 57,14
6 1,00 -1,00 1,00 4,10 53 2993 78,57 13,95 00,00
7 -1,00 1,00 1,00 1,40 147 2993 81,43 72,09 05,19
8 1,00 1,00 1,00 4,10 147 2993 86,43 75,58 00,00
9 -1,68 0,00 0,00 0,50 100 2100 79,29 94,19 94,81
10 1,68 0,00 0,00 5,00 100 2100 75,00 10,47 68,83
11 0,00 -1,68 0,00 2,75 20 2100 71,25 10,47 41,56
12 0,00 1,68 0,00 2,75 180 2100 69,11 22,09 49,35
13 0,00 0,00 -168 2,75 100 600 68,21 47,67 80,52
14 0,00 0,00 1,68 2,75 100 3600 85,54 25,58 51,95
15 0,00 0,00 0,00 2,75 100 2100 80,54 31,40 57,14
16 0,00 0,00 0,00 2,75 100 2100 83,04 22,09 50,65
17 0,00 0,00 0,00 2,75 100 2100 81,96 30,23 48,05
51
Considerando os resultados obtidos, os pontos centrais apresentaram
pequena variação para as respostas, indicando uma boa reprodutibilidade do
processo. O pH permaneceu constante no decorrer do experimento com o
biopolímero de P. aculeata Miller conforme os valores iniciais.
De acordo com os resultados obtidos, a eficiência na redução da turbidez
variou de 68,21% (teste 13) a 86,43% (teste 8), e de compostos que absorvem a 254
nm de 00,00% (testes 2 e 4) a 94,19% (teste 09) enquanto que para a remoção de
compostos que absorvem a 280 nm variou de 00,00% (testes 2, 4, 6 e 8) a 94,81%
(teste 9).
Os conjuntos de dados para a redução de turbidez e de R280 foram
submetidos à análise estatística e não apresentaram variação significativa para
nenhuma das variáveis independentes. Porém, evidencia-se que as porcentagens
de remoção de turbidez são acima de 70%, podendo ser considerada satisfatória
para o processo de coagulação/floculação pelo biopolímero de P. aculeata Miller.
Para a remoção R280, houve duas remoções acima de 80% (ensaios 9 e 13),
também podendo ser considerado satisfatório o processo de tratamento com o
biopolímero nestes casos.
Na Tabela 7, podem-se observar os valores dos efeitos estimados,
coeficientes de regressão, as interações com parâmetros significativos e não
significativos, além do erro associado aos efeitos e aos coeficientes, bem como o
valor de p, para a variável de resposta R254. Na análise das estimativas dos efeitos
foram considerados os valores significativos para o intervalo de confiança de 95%
(p<0,05).
Tabela 7 - Efeitos principais, efeitos de interação, coeficientes de regressão e interações para a variável SS. (continua)
Fatores Efeito Erro
padrão
tcal Valor-p Coeficiente Erro de
coeficiente
Média* 26,932 9,098 2,959 0,021 26,932 9,098
[B] (L)* -53,170 8,550 -6,218 0,000 -26,585 4,275
[B] (Q)* 23,828 9,420 2,529 0,039 11,914 4,710
CTC (L) 12,576 8,550 1,470 0,184 6,288 4,275
CTC (Q) -1,716 9,420 -0,182 0,860 -0,858 4,710
52
Tabela 7 - Efeitos principais, efeitos de interação, coeficientes de regressão e interações para a variável SS. (conclusão)
Fatores Efeito Erro
padrão
tcal Valor-p Coeficiente Erro de
coeficiente
CTF (L) 2,229 8,550 0,260 0,801 1,114 4,275
CTF (Q) 12,700 9,420 1,348 0,219 6,350 4,710
[B] x CTC 14,245 11,167 1,275 0,242 7,122 5,583
[B] x CTF* 31,685 11,167 2,837 0,025 15,842 5,583
CTC x CTF 17,730 11,167 1,587 0,156 8,865 5,583
L: linear; Q: Quadrático
* Fatores estatisticamente significativos (p<0,05).
A R254 foi influenciada consideravelmente pelos fatores concentração de
biopolímeros e tempo de contato na floculação, ao nível de 5% de significância. Os
coeficientes significativos gerados foram [B] linear e quadrático com p-valor de 0,000
(L) e 0,039 (Q), respectivamente. A análise estatística mostrou que, somente a
interação entre os fatores [B] x CTF foi significativa (p-valor de 0,025). Utilizando o
conjunto de dados (Tabela 8) foi possível gerar os modelos codificados que
descrevem os processos de redução de compostos que absorvem a 254 nm dentro
das faixas estudadas e examiná-los em termos de qualidade do ajuste (Tabela 8).
Tabela 8 - Análise de variância para SS
Fonte de Variação GL SQ QM Fcalc Fcalc/tab
Modelo 1 13247,54 13247,54 56,33 12,55
Resíduo 16 3762,49 235,16
Total 17 17010,03
GL: grau de liberdade; SQ: soma dos quadrados; QM: quadrado médio.
R2 = 0,8974; F0,05;1;16 = 4,49.
A razão da variância do modelo pela variância do resíduo, Fcalc/tab, mostrou
que este modelo foi altamente preditivo (Fcalc >> Ftab). O coeficiente de
determinação, R2, para o modelo gerado foi 0,8974, indicando que 89,74% da
53
variabilidade dos dados podem ser explicados pelo modelo proposto, e assim, é
considerando satisfatório.
Os dados de R254 foram submetidos à regressão linear múltipla e o modelo
quadrático que relacionam R254 em função das variáveis independentes [B]-CTC e
[B]- CTF (Equação 2 e 3), considerando os parâmetros significativos e não
significativos pode ser apresentados.
254( 26.932 26.585 .9 4 2 6.288 C C 0.858C C
2 7. 22 C C (
254( 26.932 26.585 .9 4 2 . 4 C 6.350 C
2 5.842 C (
Os gráficos das curvas de contorno, originados a partir dos modelos (Equação
1 e 2) mostram a influência das variáveis dependentes significativas sobre a R254
(Figura 17).
(a) (b)
Figura 17 - Gráficos das curvas de contorno para a variável resposta R254 em função das interações entre as variáveis (a) [B] e CTC e (b) [B] e CTF no processo de coagulação/floculação de água superficial pelo biopolímeros de P. aculeata Miller.
O comportamento do processo (Figura 15) indica que os valores escolhidos
do ponto mínimo para a concentração de biopolímeros (0,50 g L-1) e o menor tempo
de contato para o processo de floculação (600 s) levam a uma maior redução de
compostos orgânicos, como substâncias húmicas, que absorvem em um
54
comprimento de onda de 254 nm, sendo este comportamento para qualquer tempo
de contato no processo de coagulação estudado.
De acordo com a Tabela 6 o teste 09 teve a maior eficiência, observado
reduções superiores a 79,0% para a RT e 94,0% para compostos orgânicos R254 e
R280, demostrando que há propriedades importantes no biopolímeros de P.
aculeata Miller para uso no processo de coagulação/floculação.
55
7.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A pesquisa realizada utilizando a P. aculeata Miller levaram as seguintes
considerações finais:
Dois processos com temperaturas diferentes foram avaliados para a
extração da mucilagem, com a intenção de quantificar qual dos
processos é mais eficaz na extração, o processo A utilizando
temperatura de (95 ºC) e como tempo de contato de 30 minutos foi
mais eficiente na retirada da mucilagem tendo um rendimento de 0,179
Mg sendo 3,6 vezes maior que o processo B que utilizou temperatura
de (60 ºC), mantendo o extrato da planta em suspensão por 6 horas e
obteve um rendimento de extração de 0,050 Mg.
pH de carga zero do biopolímero sem clarificação foi de 5,50 e para o
biopolímero clarificado foi de 5,80, sendo próximo a outros
biopolímeros utilizados no tratamento de água e efluentes.
A Espectroscopia na região do Infravermelho médio por Transformada
de Fourier (IV-TF), mostrou que o biopolímero de P. aculeata Miller
possuiu atributos específicos de polissacarídeos, com grupos carboxila
e proteicos, sendo de uma glicoproteína pela presença de carboidratos
na sua constiuição demonstrando que o biopolímero em contato com
água, contribui para a formação de géis.
As características morfológicas forma obtidas pela microscopia
eletrônica de varredura, demonstrando diferenças entre o biopolímero
clarificado e o sem clarificação quanto a sua estrutura e adesão,
possivelmente pela contaminção do biopolímero não clarificado, o
biopolimero clarificado apresentou maior adesão entre as partículas
confirmando as características higroscópicas do material.
Na difratometria de Raio X foram confirmadas as características
amorfas do material apresentando pontos de cristalização que
proporcianam maior adesão entre as partículas.
A análise termogravimetrica demostrou que o biopolímero possui ótimo
equilíbrio térmico, tendo pouca perda de massa até os 175 oC,
podendo ser desidratado e reidratado com facilidade.
56
De acordo com os resultados obtidos no processo de avaliação da
água do Rio Pato Branco, a redução de turbidez teve variações de
65,21% até 86,43%, a redução de substâncias que adsorvem na faixa
de 254 nm e 280 nm houve oscilações entre 00,00% até 94,0% na
redução dos compostos orgânicos, sendo considerado satisfatório a
utilização do biopolímero em associação como sulfato de alumínio
(Al2(SO4)3).
O biopolímero se confirmou como um bom agente coagulante/floculante, uma
vez que a estrutura do material, mostrou-se com grande capacidade de adesão de
partículas. Além disso, é uma planta de fácil cultivo, atóxica, com custo relativamente
baixo para extração da sua mucilagem. Portanto, é uma possibilidade promissora no
tratamento de água diminuindo assim a ingestão do sulfato de alumínio pelo
organismo humano, muito utilizado no tratamento de águas para o consumo
humano, prevenido doenças correlacionadas ao excesso do mesmo no corpo.
57
8.0 PROPOSTAS FUTURAS
Para estudos posteriores, poderia se interessante, testar o biopolímero
proveniente da ora-pro-nóbis, como auxiliar de floculação e filtração no tratamento
de esgoto em associação com outros coagulantes, testar o biopolímero como
coagulante em conjunto com coagulantes químicos, para avaliar a remoção de cor,
no tratamento de esgoto para reuso e na redução de microrganismos, promover o
uso do biopolímero proveniente da ora-pro-nóbis em despejo industriais, verificando
a eficácia do processo.
58
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