Otimização da reação fotocatalítica para componentes fenólicos presentes em efluentes petroquímicos

Abstract

Os efluentes industriais possuem poluentes tóxicos e resistentes a tratamentos convencionais, como o fenol. Uma alternativa de pre tratamento sao os Processos Oxidativos Avancados (POAs), que são capazes de degradar a matéria orgânica. Entre os POAs a fotocatálise heterogênea é um processo que ocorre através da combinação de irradiação UV e o uso de um catalisador (sólido). Diante disso, o objetivo deste trabalho foi estudar as variáveis que influenciam na reação de fotocatálise heterogênea realizada em reator batelada utilizando catalisador natural areia, que contém dióxido de titânio (TiO2) combinado com peróxido de hidrogênio e lâmpada UV, para degradação de compostos fenólicos presentes em amostras de efluente da Refinaria de Petróleo Riograndense. Foram realizadas caracterizações da areia contendo TiO2 através do perfil granulométrico, MEV, EDS, DRX, TGA e DSC. A viabilidade do uso da areia como catalisador da reação de fotocatálise foi comparada com o uso do TiO2 comercial. Foram realizados ensaios em batelada com 800 mL, e que obedeceram um planejamento Plackett Burmann, cujos resultados foram analisados por meio de testes estatísticos, e nos quais foram estudados os efeitos das variáveis temperatura, pH, agitação, intensidade da luz UV, massa de catalisador e concentração de peróxido de hidrogênio sobre a degradação de fenois. A partir desta análise identificaram-se os fatores mais significativos, que foram a intensidade da luz, o peróxido de hidrogênio e a massa de catalisador, na degradação de fenóis. Posteriormente foi elaborado um planejamento fracionado com três pontos centrais, a fim de definir as condições ótimas das variáveis intensidade de luz (35, 65 e 95 W), massa de catalisador (0, 5 e 10 g) e concentração de peróxido (0, 44 e 88 mg/L). A variável resposta dos dois planejamentos foi o percentual de fenol degradado, que foi avaliado através do método colorimétrico da 4-aminoantipirina. A areia empregada apresentou 24% de TiO2 que é caracterizada por partículas de coloração cinza escuro. A reação conduzida com TiO2 padrão atingiu 72,7% de degradação de fenol e com areia contendo TiO2, 72,2%, comprovando a viabilidade do uso como catalisador natural nesta reação. O planejamento Plackett Burmann identificou as variáveis intensidade da luz, peróxido de hidrogênio e massa de catalisador como as variáveis de maior efeito significativo na degradação de fenóis. Através do planejamento fracionado foi verificado que conforme aumenta a intensidade da luz UV também ocorre aumento da degradação de fenol, assim como o aumento da massa de catalisador e de concentração de peróxido de hidrogênio, sendo que estes dois últimos, ao atingirem 50% do seu valor, já alcançam degradação próximas de ±80%. Sendo assim, a reação com 10 g de catalisador, 2 mL de peróxido de hidrogênio e intensidade de luz 95 W foi a que atingiu o maior percentual de degradação de fenol a nível de significância de 95%. No entanto, considerando esse processo aplicado ao processo industrial, deve-se levar em consideração os custos de energia e reagentes. Sendo assim, a reação com 1 mL de peróxido de hidrogênio, 5 g de catalisador e luz 65 W, a qual atinge 83 % de degradação de fenol, durante 30 minutos de reação foi considerada a condição ótima, apresentando uma cinética de primeira ordem, com uma constante aparente de 0,067 min-1 e indicando ser uma alternativa potencial de tratamento de efluente para a redução de fenol.

Industrial effluents have toxic pollutants and are resistant to conventional treatments, such as phenol. An alternative pre-treatment is the Advanced Oxidative Processes (AOPs), which are able to degrade organic matter. Among AOPs, heterogeneous photocatalysis is a process that occurs through the combination of UV irradiation and the use of a catalyst (solid). Therefore, the objective of this work was to study the variables that influence the heterogeneous photocatalysis reaction, carried out in a batch reactor using a natural sand catalyst, containing titanium dioxide (TiO2) combined with hydrogen peroxide and UV lamp, for degradation of phenolic compounds present in effluent samples from the Refinaria de Petroleo Riograndense. Characterizations of the sand containing TiO2 were carried out through the granulometric profile, SEM, EDS, XRD, TGA and DSC. The feasibility of using sand as a catalyst for the photocatalysis reaction was compared with the use of commercial TiO2. Batch tests with 800 mL were carried out, which followed a Plackett Burmann plan, whose results were analyzed using statistical tests, and in which the effects of the variables temperature, pH, agitation, intensity of UV light, mass of catalyst and concentration of hydrogen peroxide on the degradation of phenols were studied. From this analysis, the most significant factors were identified, which were light intensity, hydrogen peroxide and catalyst mass, in the degradation of phenols. Subsequently, a fractional planning with three central points was elaborated in order to define the optimal conditions of the variables light intensity (35, 65 and 95 W), catalyst mass (0, 5 and 10 g) and peroxide concentration (0, 44 and 88 mg / L). The response variable of both plans was the percentage of degraded phenol, which was evaluated using the colorimetric method of 4-aminoantipyrine. The sand used presented 24% of TiO2, which is characterized by dark gray colored particles. The reaction conducted with standard TiO2 reached 72,7% degradation of phenol and with sand containing TiO2, 72,2%, proving the feasibility of using it as a natural catalyst in this reaction. The Plackett Burmann design identified the variables light intensity, hydrogen peroxide and catalyst mass as the variables with the greatest significant effect on the degradation of phenols. Through fractional planning it was verified that as the intensity of UV light increases, there is also an increase in the degradation of phenol, as well as an increase in the mass of catalyst and in the concentration of hydrogen peroxide, the latter two, when reaching 50% of their value, already reach degradation close to ± 80%. Therefore, the reaction with 10 g of catalyst, 2 mL of hydrogen peroxide and 95 W light intensity was the one that reached the highest percentage of phenol degradation at 95% significance level. However, considering this process applied to the industrial process, energy and reagent costs must be taken into account. Therefore, the reaction with 1 ml of hydrogen peroxide, 5 g of catalyst and 65 W light, which reaches 83% of phenol degradation, during 30 minutes of reaction was considered the optimal condition, presenting first order kinetics, with an apparent constant of 0,067 min-1 and indicating that it is a potential alternative for effluent treatment to reduce phenol.