CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Os BTEX (benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos) constituem preocupaÃÃo particular pela sua toxicidade, sendo formados no meio ambiente pela oxidaÃÃo incompleta dos combustÃveis fÃsseis, os quais contaminam a atmosfera; pelo descarte de efluentes industriais, por derrames durante o transporte e por vazamentos em postos de combustÃveis, contaminando o solo e a Ãgua, e acumulando-se, principalmente, nas Ãguas subterrÃneas. Tecnologias convencionais e avanÃadas vÃm sendo utilizadas na tentativa de tratamento e remediaÃÃo de Ãreas contaminadas por BTEX. As zeÃlitas englobam grande nÃmero de minerais naturais e sintÃticos que apresentam caracterÃsticas comuns. O grande potencial de aplicaÃÃo das zeÃlitas sintÃticas na Ãrea ambiental à mundialmente comprovado. Neste trabalho, avaliou-se a modificaÃÃo superficial da zeÃlita sintÃtica Y com surfactante HDTMA-Br e sua aplicaÃÃo para a remoÃÃo de BTEX de amostras aquosa. Foi realizado estudo da capacidade de troca catiÃnica (CTC) da zeÃlita e em seguida foram realizadas trÃs modificaÃÃes da zeÃlita com surfactante, correspondente a 50% da CTC, 100% da CTC e 200% da CTC. A zeÃlita sintÃtica e as modificadas foram submetidas a teste de adsorÃÃo dos BTEX. Os resultados mostraram que dentre as zeÃlitas modificadas, a ZMS-100 se mostrou mais eficiente na remoÃÃo dos BTEX. Este material foi utilizado para estudo de cinÃtica e isoterma de adsorÃÃo. O estudo de cinÃtica indicou que o equilÃbrio de adsorÃÃo multicomponente foi atingido em 6 horas e segue cinÃtica de pseudo-segunda ordem. Foram utilizados os modelos de Langmuir, Freundlich, Redlich-Peterson e Temkin para avaliar o mecanismo de adsorÃÃo dos BTEX pela ZMS-100. O modelo de Temkin foi adequado para todos os BTEX em um sistema multicomponente e os valores de capacidade de adsorÃÃo mÃxima foram de 175, 32; 164,58; 162,22; 152,41; 150,42 mg/g para m,p-xilenos, o-xileno, etilbenzeno, tolueno e benzeno, respectivamente. Foi realizado estudo de ciclos de regeneraÃÃo do material em batelada e os resultados mostraram que o adsorvente sà pode ser utilizado para um ciclo de adsorÃÃo na remoÃÃo do benzeno, para os outros componentes à possÃvel realizar quatro ciclos de adsorÃÃo. / BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes) are organic compounds of particular concern due to their toxicity. BTEX occur in the environment as products of incomplete oxidation of fossil fuels, thus polluting the atmosphere. Also, the disposal of industrial effluents, oil spills, and fuels leaks at gas stations are sources of BTEX contamination in soil and water, resulting in their accumulation mainly in groundwater. Conventional and advanced technologies have been used for treatment and remediation of contaminated areas. Zeolites include many natural and synthetic minerals that have characteristics in common. The potential application of synthetic zeolites in the environmental field has been reported worldwide. In this work, surface modification of synthetic zeolite Y by Hexadecyltrimethylammonium (HDTMA-Br) was studied, as well as its application for removal of BTEX from aqueous solution. The zeolite cation exchange capacity (CEC) was evaluated and three modifications of the zeolite with surfactant HDTMA-Br were carried out, with results corresponding to 50%, 100%, and 200% of CEC. The results of BTEX adsorption experiments onto both synthetic and modified zeolites showed that the ZMS-100 was the most efficient modified zeolite for BTEX removal. Adsorption isotherms and kinetics study of this material were carried out. Kinetics study indicated that multicomponent adsorption equilibrium was reached in 6 hours and followed pseudo-second order kinetics. Langmuir, Freundlich, Redlich-Peterson and Temkin models were used to evaluate the adsorption capacity of BTEX by ZMS-100. Temkin model was found to be suitable all BTEX in a multicomponent system, and maximum adsorption capacities of 175, 32, 164.58, 162.22, 152.41, and 150.42 mg g-1 were observed for m-xylene, p-xylene, o-xylene, ethylbenzene, toluene and benzene, respectively. Regeneration cycles of the zeolite were also performed and the results showed that the adsorbent can be used only for one adsorption cycle for the removal of benzene, while for the other BTEX up to four regeneration cycles can be achieved.

Mixed matrix membranes offer an attractive route to the development of high performance and efficiency membranes required for demanding gas separations. Such membranes combine the advantageous processing characteristics of polymers with the excellent separation productivity and efficiency of molecular sieving materials. This research explores the development of mixed matrix membranes, namely in the form of asymmetric hollow fiber membranes using zeolites as the molecular sieving phase and commercially available high performance polymers as the continuous matrix. Lack of adhesion between the typically hydrophobic polymer and the hydrophilic native zeolite surface is a major hurdle impeding the development of mixed matrix membranes. Silane coupling agents have been used successfully to graft polymer chains to the surface of the zeolite to increase compatibility with the bulk polymer in dense films. However, transitioning from a dense film to an asymmetric structure typically involves significant processing changes, the most important among them being the use of phase separation to form the asymmetric porous structure. During the phase separation, it is believed that hydrophilic sieves can act as nucleating agents for the hydrophilic polymer lean phase. Such nucleation tendencies are believed to lead to the formation of gaps between the polymer and sieve resulting in poor mixed matrix performance. This research focuses on defining procedures and parameters to form successful mixed matrix hollow fiber membranes. The first part of this dissertation describes dope mixing procedures and unsuccessful results obtained using a silane coupling agent to enhance polymer-zeolite adhesion. The next section follows the development of a highly successful surface modification technique, discovered by the author, employing the use of a Grignard reagent. As a test case, two zeolites of different silicon-to-aluminum ratios are successfully modified and used to develop mixed matrix membranes with greatly increased gas separation efficiencies. The broad applicability of the surface treatment is also demonstrated by the successful incorporation of the modified zeolites in a second polymer matrix. The final section of the work describes the novel occurrence of large defects (macrovoids) caused by the presence of large zeolite particles proposing a particle size effect in the formation of such defects.

No presente estudo, material zeolítico sintetizado a partir de cinzas de carvão e modificado por surfactante catiônico foi utilizado na remoção do corante ácido laranja 8 (AL8) por processo de adsorção utilizando leito móvel e coluna de leito fixo. As matérias primas e os adsorventes foram caracterizados por diferentes técnicas, tais como: difração de raios-x, fluorescência de raios-X, entre outras. A adsorção do AL8 foi realizada por leito móvel com o objetivo de otimizar os resultados quando lançados em leito fixo. Os efeitos na adsorção do AL8 sobre zeólita foram comparados: (1) efeito dos contra-íons Br- e Cl- do surfactante usado na modificação da zeólita; (2) efeito do tipo de cinzas de carvão usada como matéria prima na síntese das zeólitas (leve e pesada). Os seguintes adsorventes foram utilizados no estudo: zeólita leve e pesada modificada por surfactante brometo de hexadeciltrimetilamônio (ZLMS-Br e ZPMS-Br) e zeólita leve modificada por surfactante cloreto de hexadeciltrimetilamônio (ZLMS-Cl). A cinética de pseudo-segunda-ordem descreveu a adsorção do corante sobre todos os adsorventes. O tempo de equilíbrio alcançado foi 40, 60 e 120 min para ZLMS-Br, ZLMS-Cl e ZPMS-Br, respectivamente. O equilíbrio de adsorção foi analisado pelas equações dos modelos das isotermas lineares e não lineares de Langmuir, Freundlich, Temkin e Dubinin-Radushkevivh (DR) e o critério de melhor ajuste foi avaliado usando as funções erros. O modelo DR ajustou-se melhor aos dados experimentais para o sistema AL8/ZLMS-Br, o modelo de Freundlich para AL8/ZLMS-Cl e Langmuir para AL8/ZPMS. Segundo Langmuir a capacidade máxima de adsorção foi 4,67 , 1,48 e 1,38 mg g-1 para ZLMS-Br, ZLMS-Cl e ZPMS-Br, nesta ordem. Nos estudos empregando-se colunas de leito fixo, os efeitos da concentração de entrada (20 - 30 mg L-1), vazão de alimentação (4,0 - 5,3 mL min-1) e a altura do leito (5,5 - 6,5 cm) sobre as características da curva de ruptura no sistema de adsorção foram determinados. Os modelos Bohart-Adams, Thomas, Yoon-Nelson foram aplicados aos dados experimentais para a previsão das curvas de ruptura e para a determinação dos parâmetros que caracterizam a coluna. Os modelos matemáticos de Thomas e Yoon-Nelson se ajustaram satisfatoriamenete aos dados das curvas de ruptura. A maior capacidade total de remoção do AL8 pela coluna de leito fixo apresentou o valor de 5,30 mg g-1 obtida com a concentração do corante de 30 mg L-1, altura do leito de 5,5 cm e uma vazão de alimentação de 5,3 mL min-1. Os ensaios de ecotoxicidade aguda utilizando o microcrustáceo Daphnia similis com o efluente bruto (AL8) e após tratamento com zeólita leve modificada com surfactante foram realizados com o propósito de avaliar evidências de uma possível contaminação quando lançados no corpo hídrico receptor. Os resultados obtidos neste estudo mostraram que as amostras do corante AL8 em solução aquosa não apresentou efeito tóxico e as amostras tratadas com ZLMS-Br apresentaram toxicidade. / In this study, synthesized zeolitic material from coal ash and modified cationic surfactant was used for removing the acid dye Orange 8 (AL8) by adsorption process using moving bed and fixed-bed column. The raw material and adsorbents were characterized by different techniques, such as X-ray diffraction, X-ray fluorescence spectroscopy, among others. The adsorption of AL8 was performed by moving bed in order to optimize the results when they are launched in a fixed bed. The effects of adsorption on zeolite AL8 were compared: (1) Effect of counterions Br- and Cl- surfactant used in the modification of the zeolite; (2) effect of type of coal ash used as raw material in the synthesis of zeolites (fly and bottom). The following adsorbents were used in the study: fly and bottom zeolite modified by surfactant hexadecyltrimethylammonium bromide (ZLMS-Br-Br and ZPMS-Br) and fly zeolite modified by surfactant hexadecyltrimethylammonium chloride (ZLMS-Cl). The pseudo-second-order kinetic described the adsorption of the dye on all adsorbents. The equilibrium time was reached 40, 60 and 120 min for ZLMS-Br, ZLMS-Cl and ZPMS-Br, respectively. The adsorption equilibrium was analyzed by the equations of the models of linear and nonlinear isotherms of Langmuir, Freundlich, Temkin and Dubinin-Radushkevivh (DR) and the criterion of best fit was evaluated using the error functions.The DR model was adjusted better to the experimental data for the system AL8 / ZLMS-Br, the Freundlich model for AL8 / ZLMS-Cl and Langmuir for AL8 / ZPMS. According to the Langmuir maximum adsorption capacity was 4.67, 1.48 and 1.38 mg g-1 for ZLMS-Br, ZLMS-Cl and ZPMS-Br, in order. In studies employing fixed bed columns, the effects of inlet concentration (20-30 mg L-1), flow rate (4.0 -5.3 mL min-1) and the bed height (5, 5 - 6.5 cm) above the breakthrough curves characteristics in the adsorption system were determined. The Adams-Bohart, Thomas, Yoon-Nelson models were applied to experimental data to predict the breakthrough curves and to determine the parameters that characterize the column. The mathematical models of Thomas and Yoon-Nelson adjusted well to the data of breakthrough curves. The highest bed capacity of 5.3 mg g-1 was obtained using 30 mg L-1 inlet Acid Orange 8 concentration, 5.5 cm bed height and 5.3 mL min-1 flow rate. Acute ecotoxicity tests using Daphnia similis microcrustacean with wastewater (AL8) and after treatment with surfactant modified zeolite were carried out with the purpose of evaluating evidence of possible contamination when launched on the receiving water body. The results of this study showed that samples AL8 dye in aqueous solution does not show any toxic effect, and the treated samples showed toxicity with ZLMS-Br.

No presente estudo, material zeolítico sintetizado a partir de cinzas de carvão e modificado por surfactante catiônico foi utilizado na remoção do corante ácido laranja 8 (AL8) por processo de adsorção utilizando leito móvel e coluna de leito fixo. As matérias primas e os adsorventes foram caracterizados por diferentes técnicas, tais como: difração de raios-x, fluorescência de raios-X, entre outras. A adsorção do AL8 foi realizada por leito móvel com o objetivo de otimizar os resultados quando lançados em leito fixo. Os efeitos na adsorção do AL8 sobre zeólita foram comparados: (1) efeito dos contra-íons Br- e Cl- do surfactante usado na modificação da zeólita; (2) efeito do tipo de cinzas de carvão usada como matéria prima na síntese das zeólitas (leve e pesada). Os seguintes adsorventes foram utilizados no estudo: zeólita leve e pesada modificada por surfactante brometo de hexadeciltrimetilamônio (ZLMS-Br e ZPMS-Br) e zeólita leve modificada por surfactante cloreto de hexadeciltrimetilamônio (ZLMS-Cl). A cinética de pseudo-segunda-ordem descreveu a adsorção do corante sobre todos os adsorventes. O tempo de equilíbrio alcançado foi 40, 60 e 120 min para ZLMS-Br, ZLMS-Cl e ZPMS-Br, respectivamente. O equilíbrio de adsorção foi analisado pelas equações dos modelos das isotermas lineares e não lineares de Langmuir, Freundlich, Temkin e Dubinin-Radushkevivh (DR) e o critério de melhor ajuste foi avaliado usando as funções erros. O modelo DR ajustou-se melhor aos dados experimentais para o sistema AL8/ZLMS-Br, o modelo de Freundlich para AL8/ZLMS-Cl e Langmuir para AL8/ZPMS. Segundo Langmuir a capacidade máxima de adsorção foi 4,67 , 1,48 e 1,38 mg g-1 para ZLMS-Br, ZLMS-Cl e ZPMS-Br, nesta ordem. Nos estudos empregando-se colunas de leito fixo, os efeitos da concentração de entrada (20 - 30 mg L-1), vazão de alimentação (4,0 - 5,3 mL min-1) e a altura do leito (5,5 - 6,5 cm) sobre as características da curva de ruptura no sistema de adsorção foram determinados. Os modelos Bohart-Adams, Thomas, Yoon-Nelson foram aplicados aos dados experimentais para a previsão das curvas de ruptura e para a determinação dos parâmetros que caracterizam a coluna. Os modelos matemáticos de Thomas e Yoon-Nelson se ajustaram satisfatoriamenete aos dados das curvas de ruptura. A maior capacidade total de remoção do AL8 pela coluna de leito fixo apresentou o valor de 5,30 mg g-1 obtida com a concentração do corante de 30 mg L-1, altura do leito de 5,5 cm e uma vazão de alimentação de 5,3 mL min-1. Os ensaios de ecotoxicidade aguda utilizando o microcrustáceo Daphnia similis com o efluente bruto (AL8) e após tratamento com zeólita leve modificada com surfactante foram realizados com o propósito de avaliar evidências de uma possível contaminação quando lançados no corpo hídrico receptor. Os resultados obtidos neste estudo mostraram que as amostras do corante AL8 em solução aquosa não apresentou efeito tóxico e as amostras tratadas com ZLMS-Br apresentaram toxicidade. / In this study, synthesized zeolitic material from coal ash and modified cationic surfactant was used for removing the acid dye Orange 8 (AL8) by adsorption process using moving bed and fixed-bed column. The raw material and adsorbents were characterized by different techniques, such as X-ray diffraction, X-ray fluorescence spectroscopy, among others. The adsorption of AL8 was performed by moving bed in order to optimize the results when they are launched in a fixed bed. The effects of adsorption on zeolite AL8 were compared: (1) Effect of counterions Br- and Cl- surfactant used in the modification of the zeolite; (2) effect of type of coal ash used as raw material in the synthesis of zeolites (fly and bottom). The following adsorbents were used in the study: fly and bottom zeolite modified by surfactant hexadecyltrimethylammonium bromide (ZLMS-Br-Br and ZPMS-Br) and fly zeolite modified by surfactant hexadecyltrimethylammonium chloride (ZLMS-Cl). The pseudo-second-order kinetic described the adsorption of the dye on all adsorbents. The equilibrium time was reached 40, 60 and 120 min for ZLMS-Br, ZLMS-Cl and ZPMS-Br, respectively. The adsorption equilibrium was analyzed by the equations of the models of linear and nonlinear isotherms of Langmuir, Freundlich, Temkin and Dubinin-Radushkevivh (DR) and the criterion of best fit was evaluated using the error functions.The DR model was adjusted better to the experimental data for the system AL8 / ZLMS-Br, the Freundlich model for AL8 / ZLMS-Cl and Langmuir for AL8 / ZPMS. According to the Langmuir maximum adsorption capacity was 4.67, 1.48 and 1.38 mg g-1 for ZLMS-Br, ZLMS-Cl and ZPMS-Br, in order. In studies employing fixed bed columns, the effects of inlet concentration (20-30 mg L-1), flow rate (4.0 -5.3 mL min-1) and the bed height (5, 5 - 6.5 cm) above the breakthrough curves characteristics in the adsorption system were determined. The Adams-Bohart, Thomas, Yoon-Nelson models were applied to experimental data to predict the breakthrough curves and to determine the parameters that characterize the column. The mathematical models of Thomas and Yoon-Nelson adjusted well to the data of breakthrough curves. The highest bed capacity of 5.3 mg g-1 was obtained using 30 mg L-1 inlet Acid Orange 8 concentration, 5.5 cm bed height and 5.3 mL min-1 flow rate. Acute ecotoxicity tests using Daphnia similis microcrustacean with wastewater (AL8) and after treatment with surfactant modified zeolite were carried out with the purpose of evaluating evidence of possible contamination when launched on the receiving water body. The results of this study showed that samples AL8 dye in aqueous solution does not show any toxic effect, and the treated samples showed toxicity with ZLMS-Br.

As cinzas leves e pesadas de carvão foram utilizadas na síntese das zeólitas (ZCL e ZCP) por tratamento hidrotérmico alcalino. As zeólitas modificadas de cinzas leves e pesadas (ZMSL e ZMSP) foram preparadas pela mistura de ZCL e ZCP com o surfactante brometo de hexadeciltrimetilamônio. Os adsorventes foram caracterizados por diferentes técnicas, tais como: métodos físico-químicos, fluorescência de raios-X, espectroscopia na região do infravermelho, difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura. O processo de adsorção dos corantes cristal violeta (CV) e do ácido laranja 8 (AL8) foi realizado em sistema de batelada com o objetivo de investigar o equilíbrio e a dinâmica dos materiais zeolíticos no tratamento de efluentes. Os modelos de cinética de pseudo-primeira-ordem e pseudo-segunda-ordem foram aplicados aos dados experimentais e a cinética de pseudo-segunda-ordem descreveu a adsorção dos corantes sobre os adsorventes. Estudos da difusão intrapartícula revelaram que as velocidades de adsorção não eram controladas somente pela etapa de difusão. O modelo de Freundlich ajustou-se melhor aos dados experimentais para todos os sistemas estudados, com exceção do sistema CV/ZCL, que seguiu o modelo de Langmuir. As capacidades máximas de adsorção das zeólitas modificadas foram maiores do que aquelas obtidas para as zeólitas não modificadas. Este melhor desempenho é devido ao ambiente hidrofóbico proporcionado pela adsorção do surfactante catiônico na superfície do adsorvente. Os parâmetros das isotermas de adsorção foram usados para prever o design do equipamento para a realização de processo de adsorção descontínuo de estágio simples. / The coal fly and bottom ashes were used in the synthesis of zeolites (ZFA and ZBA) by alkaline hydrothermal treatment. The modified zeolites from coal fly ash and botton ash (ZMSF and ZMSB) was performed by mixing ZFA e ZBA with the surfactant hexadecyltrimethylammonium bromide. The adsorbents were characterized by different techniques such as: physico-chemical methods, X-ray fluorescence spectroscopy, infrared, X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The adsorption of the dye crystal violet (CV) and acid orange 8 (AO8) was carried out in batch system with the purpose of investigating the equilibrium and dynamics of zeolitic materials in wastewater treatment. Pseudo-first- and second-order kinetic models have been applied to the experimental data and pseudo-second-order kinetic was found to describe the adsorption of the dyes on the adsorbents. Intra-particle diffusion studies revealed that the adsorption rates were not solely controlled by the diffusion step. The Freundlich model was better ajusted to the experimental data for all systems studied, except system CV/FTA, which followed the Langmuir model. The maximum adsorption capacities of the modified zeolites were higher than those obtained for the unmodified zeolites. This best performance is due to the hydrophobic ambient provided by the adsorption of cationic surfactant on the surface of the adsorbent. The parameters of adsorption isotherms were used to predict the design of the equipment for performing adsorption discontinuous single stage.

As cinzas leves e pesadas de carvão foram utilizadas na síntese das zeólitas (ZCL e ZCP) por tratamento hidrotérmico alcalino. As zeólitas modificadas de cinzas leves e pesadas (ZMSL e ZMSP) foram preparadas pela mistura de ZCL e ZCP com o surfactante brometo de hexadeciltrimetilamônio. Os adsorventes foram caracterizados por diferentes técnicas, tais como: métodos físico-químicos, fluorescência de raios-X, espectroscopia na região do infravermelho, difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura. O processo de adsorção dos corantes cristal violeta (CV) e do ácido laranja 8 (AL8) foi realizado em sistema de batelada com o objetivo de investigar o equilíbrio e a dinâmica dos materiais zeolíticos no tratamento de efluentes. Os modelos de cinética de pseudo-primeira-ordem e pseudo-segunda-ordem foram aplicados aos dados experimentais e a cinética de pseudo-segunda-ordem descreveu a adsorção dos corantes sobre os adsorventes. Estudos da difusão intrapartícula revelaram que as velocidades de adsorção não eram controladas somente pela etapa de difusão. O modelo de Freundlich ajustou-se melhor aos dados experimentais para todos os sistemas estudados, com exceção do sistema CV/ZCL, que seguiu o modelo de Langmuir. As capacidades máximas de adsorção das zeólitas modificadas foram maiores do que aquelas obtidas para as zeólitas não modificadas. Este melhor desempenho é devido ao ambiente hidrofóbico proporcionado pela adsorção do surfactante catiônico na superfície do adsorvente. Os parâmetros das isotermas de adsorção foram usados para prever o design do equipamento para a realização de processo de adsorção descontínuo de estágio simples. / The coal fly and bottom ashes were used in the synthesis of zeolites (ZFA and ZBA) by alkaline hydrothermal treatment. The modified zeolites from coal fly ash and botton ash (ZMSF and ZMSB) was performed by mixing ZFA e ZBA with the surfactant hexadecyltrimethylammonium bromide. The adsorbents were characterized by different techniques such as: physico-chemical methods, X-ray fluorescence spectroscopy, infrared, X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The adsorption of the dye crystal violet (CV) and acid orange 8 (AO8) was carried out in batch system with the purpose of investigating the equilibrium and dynamics of zeolitic materials in wastewater treatment. Pseudo-first- and second-order kinetic models have been applied to the experimental data and pseudo-second-order kinetic was found to describe the adsorption of the dyes on the adsorbents. Intra-particle diffusion studies revealed that the adsorption rates were not solely controlled by the diffusion step. The Freundlich model was better ajusted to the experimental data for all systems studied, except system CV/FTA, which followed the Langmuir model. The maximum adsorption capacities of the modified zeolites were higher than those obtained for the unmodified zeolites. This best performance is due to the hydrophobic ambient provided by the adsorption of cationic surfactant on the surface of the adsorbent. The parameters of adsorption isotherms were used to predict the design of the equipment for performing adsorption discontinuous single stage.