Estudo da degradação dos corantes alimentícios Eritrosina e Verde Rápido FCF por processos oxidativos avançados

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Ambiental

Autores

Irineu, M.D. (UFPE) ; Santiago, G.V.S. (UFPE) ; Aquino, R.V.S. (UFPE) ; Barbosa, A.A. (UFPE) ; Santos, D.M. (UFPE) ; Silva, M.G.N. (UFPE) ; Silva, M.G. (UFPE) ; Rocha, O.R.S. (UFPE)

Resumo

As indústrias alimentícias utilizam uma substancial quantidade de corantes sintéticos que acabam sendo descartados nos seus efluentes. Os processos oxidativos avançados (POAs) são tecnologias capazes de mineralizar essas substâncias orgânicas, através da formação de radicais altamente reativos. Neste trabalho, foi realizado o estudo da degradação dos corantes alimentícios, Eritrosina e Verde Rápido, através de POAs fotocatalíticos, utilizando sistemas com radiação UVC, peróxido de hidrogênio, ZnO e TiO₂. O sistema UVC/H₂O₂/ZnO apresentou maior eficiência, com 92% de remoção aos 90 minutos de experimento. Em estudo cinético ajustado ao modelo de pseudo-primeira ordem, obteve-se k=0,026 min^-1, R²=0,991 e tempo de meia-vida de 26,14 minutos.

Palavras chaves

Eritrosina; Verde Rápido; POA

Introdução

Nos últimos anos, o desenvolvimento industrial se tornou um dos principais causadores de problemas ambientais. Corantes sintéticos comerciais são bastante utilizados como matérias-primas de diferentes processos de fabricação nas indústrias têxteis, papeleiras, alimentícias e farmacêuticas (NGUYEN; JUANG, 2019). A complexa estrutura química destes corantes resulta na coloração das águas residuais do processo, tornando o tratamento e reutilização destes efluentes uma questão importante de grande interesse para os pesquisadores (YAGUB et al., 2014). Devido à sua estrutura, os corantes são resistentes à degradação aeróbia, e via meio anaeróbio seu grupo cromóforo (responsável pela cor do composto) gera substâncias tóxicas e altamente carcinogênicas. Portanto, os tratamentos biológicos não são indicados para a degradação destes compostos químicos (HORLLE; BÖCKEL, 2017). Este problema tem incentivado a busca de diversas técnicas de tratamento da remoção da cor de efluentes coloridos, tais como adsorção, coagulação/floculação, precipitação, entre outros. Entretanto, em vários destes processos é necessário o pós- tratamento dos resíduos sólidos gerados (DE SÁ; NUNES, 2017). Portanto, os Processos Oxidativos Avançados (POAs) têm aparecido como uma excelente alternativa para o tratamento deste tipo de contaminante, permitindo a degradação de uma grande variedade de compostos orgânicos. Uma vantagem deste processo é, muitas vezes, permitir a completa mineralização desses compostos (MARMITT; FREIBERGER; STÜLP, 2013). Os POAs são caracterizados pela formação de radicais altamente reativos (HO•), os quais são hábeis para degradar a maioria dos poluentes orgânicos recalcitrantes devido a sua alta capacidade oxidativa (E⁰ = 2,80 V) (DE SOUZA et al., 2016). Entre os diversos mecanismos de oxidação avançada, destacam-se os processos Fenton e a fotocatálise heterogênea, usando TiO₂ e ZnO como óxidos ativos (SALGADO, 2009). Os sistemas utilizados em POAs dividem-se em heterogêneos e homogêneos, onde radicais são gerados com ou sem irradiação ultravioleta (UV). No sistema homogêneo não existe a presença de catalisadores na forma sólida, e a degradação do poluente orgânico ocorre pela utilização de oxidantes fortes, como peróxido de hidrogênio (H₂O₂), gerando os radicais hidroxila (TEIXEIRA; JARDIM, 2004). Podem-se citar como heterogêneos os processos que envolvem a utilização de semicondutores, ativados por uma fonte de radiação (fotocatálise heterogênea). Os fotocatalisadores mais comuns são: Óxido de Zinco (ZnO), Trióxido de Tungstênio (WO₃), Sulfeto de Zinco (ZnS), Titanato de Estrôncio (SrTiO₃) e dióxido de titânio (TiO₂) (DE SANTANA; BONANCÊA; TAKASHIMA, 2003). O mais utilizado é o TiO₂ devido a suas propriedades fotoquímicas e baixo custo, e também o ZnO, que se mostra bastante eficiente na presença de radiação ultravioleta (UV) (YOUSSEF et al., 2018). Assim, o objetivo do presente trabalho baseou-se na avaliação de POAs fotocatalíticos, com radiação UV-C, da degradação dos corantes Eritrosina e Verde Rápido, utilizando o oxidante peróxido de hidrogênio (H₂O₂), e os fotocatalisadores Dióxido de Titânio (TiO₂) e Óxido de Zinco (ZnO). Foi realizado um estudo cinético da degradação dos corantes para avaliar o melhor sistema estudado.

Material e métodos

Nos experimentos de degradação, foram utilizados os corantes alimentícios comerciais Eritrosina (CI 45430) e Verde Rápido (CI 42053) obtidos de F. Trajano Aromas e Ingredientes Ltda. Os fotocatalisadores utilizados no estudo, dióxido de titânio P25 e óxido de zinco, foram obtidos de Evonic Degussa Brasil Ltda e Biodinâmica Química e Farmacêutica Ltda, respectivamente. Os ensaios de degradação da mistura dos corantes Eritrosina e Verde Rápido (10 mg.L^-1) foram realizados em reator fotocatalítico em batelada contendo uma lâmpada UVC (ILUMISAMPA, 20 W), agitadores magnéticos (FISATOM 752) e recipientes cilíndricos de vidro (dimensões de 5,5 x 9,0 cm). Além disso, os sistemas contendo catalisador sólido ficaram sem presença de radiação, antes do início da fotodegradação, por 30 minutos, para a estabilização do processo de adsorção do catalisador. Foram utilizados diferentes sistemas para a avaliação do melhor processo de degradação, com as seguintes combinações: H₂O₂, TiO₂, ZnO, UVC, UVC/H₂O₂, UVC/TiO₂, UVC/ZnO, UVC/TiO₂/H₂O₂, UVC/ZnO/H₂O₂ e UVC/TiO₂/ZnO. A massa de catalisadores (TiO₂ e ZnO) utilizada para o experimento foi de 0,1 g. Baseado em cálculos estequiométricos, a concentração de H₂O₂ utilizada foi de 2,86 mmol.L^-1. As amostras coletadas durante o experimento foram analisadas, após decantação do fotocatalisador, por meio de espectrofotômetro UV-Visível (SPECTROQUANT PHARO 300), no comprimento de onda 526 nm para a Eritrosina e 622 nm para o Verde Rápido. A avaliação da degradação se deu através das concentrações (C) calculadas a partir dos valores de absorbância (Abs) obtidos, através da Equação C=(Abs-a)/b, onde a e b são os coeficientes das curvas analíticas obtidas para cada corante. A cinética da degradação foi ajustada a partir do software OriginPro© no modelo cinético de pseudo-primeira ordem ([C]/[C₀]=e^(-kt) ), onde C é a concentração no tempo t e C₀ é a concentração inicial. Para o estudo cinético, determinou-se o coeficiente de regressão linear (R²), a constante de velocidade (k) e o tempo de meia vida (t_½) da reação fotocatalítica.

Resultado e discussão

Nos experimentos realizados na ausência de radiação, foi possível observar que não houve degradação da solução de corantes em quaisquer condições estudadas. A degradação dos corantes na presença de radiação a partir de diferentes processos oxidativos pode ser observada na Figura 1. Entre os processos testados, os sistemas UVC/H₂O₂ e UVC/ZnO/H₂O₂ apresentaram melhores taxas de degradação, com eficiência de 88,9% e 92,08%, respectivamente, no intervalo de 90 minutos. Nota-se que o ZnO se mostrou mais eficiente na fotocatálise, em relação ao TiO₂. Este resultado pode ser explicado através da vantagem do ZnO em absorver uma fração maior de radiação UVC, facilitando a geração do par elétron-lacuna (BEHNAJDAY; MODIRSHAILA; HAMZAVI, 2006). Outros estudos empregando ZnO em fotocatálise como alternativa para o TiO₂, também evidenciaram uma maior eficiência do ZnO na degradação de alguns contaminantes (DANESHVAR; SALARI; KHATAEE, 2004; KHODJA et al., 2001). A descoloração é aumentada pela presença do H₂O₂ que atua como oxidante, devido aos radicais hidroxila gerados durante as reações fotoquímicas (NEAMTU et al., 2002). Estes radicais são altamente reativos e capazes de oxidar compostos orgânicos, sendo responsáveis pela degradação dos corantes (BEHNAJDAY; MODIRSHAILA; HAMZAVI, 2006). Para avaliar o melhor sistema de degradação, realizou-se um estudo cinético dos sistemas, avaliando a constante cinética e o coeficiente de regressão linear dos ensaios (Tabela 1). A cinética foi ajustada para o modelo de pseudo-primeira ordem, baseada em outros estudos (NIDHEESH; GANDHIMATDHI; RAMESH, 2013; SANTOS et al., 2018) aplicando processos oxidativos avançados na degradação de corantes alimentícios. Através da Tabela 1 é possível observar que o sistema UVC/H₂O₂/ZnO apresentou uma maior constante cinética (0,0265 min^-1), representando um processo de degradação mais rápido, comparado aos outros sistemas. A regressão linear calculada para os dados cinéticos do sistema obteve uma correlação linear (R²) de 0,9912. O tempo de meia-vida estimado a partir da constante cinética obtida para o sistema foi de 26,14 minutos.

Degradação da solução de corantes por processos oxidativos sob radiação UV-C. [C0]= 10 mg.L-1 (1:1); [H2O2]= 2,86 mmol.L-1; mTiO2= 0,1 g; mZnO= 0,1 g.


Estudo cinético das degradações fotocatalíticas.

Conclusões

O presente trabalho tornou possível a fotodegradação dos corantes alimentícios Eritrosina e Verde Rápido FCF, utilizando o processo de fotocatálise heterogênea. Observou- se que o sistema com UVC/H2O2/ZnO apresentou melhor comportamento, com taxas de 92% de degradação aos 90 minutos de experimento. Por meio do estudo cinético de degradação, o mesmo sistema apresentou maior constante de velocidade (k) igual a 0,0265 min-¹, R² = 0,991, e um tempo de meia-vida de 26,14 minutos. Assim, o presente estudo obteve resultados satisfatórios e as taxas de degradação obtidas indicaram uma boa alternativa para o tratamento de efluentes da indústria alimentícia contendo os corantes Eritrosina e Verde Rápido FCF.

Agradecimentos

Ao laboratório de Engenharia de Alimentos, DEQ/UFPE.

Referências

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