Avaliação da degradação fotocatalítica de corantes alimentícios empregando planejamento experimental

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) ; Rocha, O.R.S. (UFPE)

Resumo

A indústria alimentícia faz um grande uso de corantes, o que reflete na qualidade de seus efluentes que apresentam uma alta resistência a processos convencionais. Uma alternativa vem sendo os processos oxidativos avançados através de materiais semicondutores não tóxicos, visando à mineralização total da matéria orgânica. Neste trabalho, foi realizado o estudo utilizando fotocatálise heterogênea (UVC/H2O2/ZnO) para a remoção dos corantes Eritrosina e Verde Rápido, através de um planejamento fatorial 2³. Os parâmetros avaliados foram a concentração do H2O2, massa de ZnO e o pH. Todas as variáveis apresentaram significância estatística, assim como a interação entre elas. O melhor sistema de degradação obtido foi [H2O2]= 2,86 mmol.L-1; mZnO= 0,1 g; pH=7, com 98,29% de remoção dos corantes.

Palavras chaves

Corantes Alimentícios; Fatorial 2³; Fotocatálise heterogênea

Introdução

O descarte de rejeitos industriais em corpos hídricos tem sido um problema devido à presença de uma grande variedade de espécies químicas em diversas concentrações (YOUSSEF et al, p. 51, 2018). Na indústria alimentícia, cosmética e têxtil, o uso de corantes é necessário, uma vez que o aspecto visual tem papel fundamental no consumo de seus produtos (ZAZOULI et al, p. 2461, 2017). A remoção destes corantes de efluentes é ambientalmente importante, pois são considerados altamente tóxicos, afetando processos simbióticos, reduzindo a capacidade de reoxigenação da água, dificultando a passagem de luz solar e, consequentemente, reduzindo a atividade fotossintética (DOTTO et al, p. 1193, 2011). Entretanto, a alta resistência de corantes alimentícios à processos convencionais de biodegradação leva ao seu acúmulo em águas naturais, aumentando a necessidade de desenvolver novos métodos para o tratamento de efluentes (TIKHOMIROVA; RAMAZANOVA; APYARI, p. 306, 2018). Processos Oxidativos Avançados (POAs) tem recebido maior atenção nos últimos anos para a descontaminação de água de poluentes químicos e bacterianos, através da geração de radicais livres altamente reativos (•OH) (GAYATHRI; YESODHARAN; YESODHARAN, p. 103, 2019). Uma vantagem destes processos é a fotocatálise, através da utilização de materiais semicondutores não tóxicos disponíveis a baixo custo (TiO2, ZnO), que leva à mineralização total de compostos orgânicos para CO2, água e ácidos minerais (KRISHNAKUMAR et al, p. 132, 2010). O presente trabalho teve como objetivo realizar um planejamento fatorial 2³ para a avaliação do melhor sistema de degradação dos corantes alimentícios Eritrosina e Verde Rápido por fotocatálise heterogênea, utilizando óxido de zinco (ZnO) como semicondutor e peróxido de hidrogênio como oxidante.

Material e métodos

Foram utilizados os corantes alimentícios comerciais Eritrosina (CI 45430) e Verde Rápido (CI 42053) obtidos de F. Trajano Aromas e Ingredientes Ltda. O óxido de zinco foi obtido de Biodinâmica Química e Farmacêutica Ltda. Os ensaios foram realizados, a partir de uma solução da mistura dos corantes (10 mg.L-1, 1:1), em reator fotocatalítico contendo uma lâmpada UVC de potência 20 W (ILUMISAMPA) e utilizando agitadores magnéticos (FISATOM 752). Os sistemas ficaram sob agitação magnética, sem presença de radiação, antes do início da fotodegradação, por 30 minutos, para a estabilização do processo de adsorção do catalisador. As amostras foram analisadas utilizando um espectrofotômetro UV-Visível (SPECTROQUANT PHARO 300), no comprimento de onda 526 nm para a Eritrosina e 622 nm para o Verde Rápido. O sistema utilizado para o estudo foi radiação UVC, o oxidante peróxido de hidrogênio e o ZnO combinados. A dose central de catalisador (ZnO) utilizada foi de 0,1 g e a concentração de H2O2 foi de 2,86 mmol.L-¹, baseada em cálculos estequiométricos. Os parâmetros estudados no planejamento fatorial 2³ foram quantidade de catalisador (0,05 g; 0,1 g; 0,15 g), concentração de H2O2 (1,67 mmol.L-1; 2,86 mmol.L-1; 4,29 mmol.L-1) e pH (5; 7; 9). O ponto central do planejamento fatorial foi feito em triplicata para determinar o erro, totalizando 11 experimentos. Foram utilizados o Diagrama de Pareto e superfície de resposta para avaliar a significância estatística das variáveis estudadas no planejamento fatorial utilizando o programa Statistica 10.

Resultado e discussão

O planejamento fatorial 2³ foi realizado, com ponto central em triplicata, variando a massa de ZnO, concentração de H2O2, e o pH da solução. Os ensaios foram realizados no período de 120 minutos, e obtiveram melhores taxas no nível central, atingindo taxas de 98,29% de remoção. Os ensaios e a respectiva porcentagem de degradação de corante são mostrados na Figura 1-A. Analisando os dados da Tabela 2 no programa Statistica 10, foi possível identificar quais variáveis foram significativas no tratamento. A Figura 1-B mostra o Diagrama de Pareto, no qual podem ser observados os efeitos das variáveis sobre o sistema com 95% de confiança. Todas as variáveis e suas interações apresentaram significância estatística. As superfícies de respostas estão apresentadas na Figura 2, expressando a influência das variáveis controláveis dos níveis estudados. O erro puro obtido para o sistema foi de 0,0238. Nota-se que com o aumento de todos os parâmetros (dose de ZnO, concentração de H2O2 e pH) é possível obter bons percentuais de degradação. Entretanto, os ensaios no ponto central do planejamento apresentaram melhores resultados, chegando a taxa de 98,29% de remoção dos corantes. Portanto, as condições avaliadas como melhor tratamento foram os níveis centrais.

(A) Degradação da solução de corantes a partir do planejamento fatorial 2³; (B) Diagrama de Pareto para a degradação fotocatalítica.


Superfícies de resposta para a degradação de corantes de acordo com as variáveis: (a) H2O2xZnO; (b) pHxZnO e (c) pHxH2O2 para o sistema UVC/H2O2/ZnO.

Conclusões

Através deste estudo empregando o planejamento fatorial 2³, foi possível analisar a influência da massa de catalisador, concentração de H2O2 e pH na degradação dos corantes Eritrosina e Verde Rápido. Todas as variáveis e suas interações apresentaram significância estatística. O ponto central do planejamento mostrou-se mais eficiente, atingindo 98,29% de degradação da solução de corantes no período de 120 minutos.

Agradecimentos

Ao Laboratório de Engenharia de Alimentos, DEQ/UFPE

Referências

DOTTO, G. L.; VIEIRA, M. L. G.; GONÇALVES, J.; PINTO, L. A. D. A. Remoção dos corantes azul brilhante, amarelo crepúsculo e amarelo tartrazina de soluções aquosas utilizando carvão ativado, terra ativada, terra diatomácea, quitina e quitosana: estudos de equilíbrio e termodinâmica. Química Nova, v. 34, n. 7, 1193-1199, 2011.
GAYATHRI, P. V.; YESODHARAN, S.; YESODHARAN, E. P. Microwave/Persulphate assisted ZnO mediated photocatalysis (MW/PS/UV/ZnO) as an efficient advanced oxidation process for the removal of RhB dye pollutant from water. Journal of Environmental Chemical Engineering, p. 103122, 2019.
KRISHNAKUMAR, B.; SELVAM, K.; VELMURUGAN, R.; SWAMINATHAN, M. Influence of operational parameters on photodegradation of Acid Black 1 with ZnO. Desalination and Water Treatment, v. 24, n. 1-3, p. 132-139, 2010.
TIKHOMIROVA, T. I.; RAMAZANOVA, G. R.; APYARI, V. V. Effect of nature and structure of synthetic anionic food dyes on their sorption onto different sorbents: Peculiarities and prospects. Microchemical Journal, v. 143, p. 305-311, 2018.
YOUSSEF, Z.; COLOMBEAU, L.; YESMURZAYEVA, N.; BAROS, F.; VANDERESSE, R.; HAMIEH, T; ACHERAR, S. Dye-sensitized nanoparticles for heterogeneous photocatalysis: Cases studies with TiO2, ZnO, fullerene and graphene for water purification. Dyes and Pigments, v. 159, p. 49-71, 2018.
ZAZOULI, M. A.; GHANBARI, F.; YOUSEFI, M.; MADIHI-BIDGOLI, S. Photocatalytic degradation of food dye by Fe3O4–TiO2 nanoparticles in presence of peroxymonosulfate: the effect of UV sources. Journal of environmental chemical engineering, v. 5, n. 3, p. 2459-2468, 2017.