Estudo comparativo dos tratamentos de fotólise, foto-peroxidação e foto-Fenton na degradação de uma mistura de corantes utilizados em indústria têxtil empregando radiação UV-C

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Ambiental

Autores

Santana, R.M.R. (UFPE) ; Moura, T.C.L. (UFPE) ; Cavalcanti, V.O.M. (UFPE) ; Nascimento, G.E. (UFPE) ; Silva, P.V.A. (UFPE) ; Amorim, N.D.O. (UFPE) ; Silva, H.G. (UFPE) ; Napoleão, D.C. (UFPE) ; Duarte, M.M.M.B. (UFPE)

Resumo

A preocupação com a qualidade da água tem levado pesquisadores a propor tratamentos para promover a degradação de poluentes orgânicos persistentes como os corantes. O presente estudo avaliou a eficiência dos processos de fotólise, foto-peroxidação e foto-Fenton para degradar uma mistura de 4 corantes têxteis utilizando radiação UV-C. Observou-se que dentre esses tratamentos o foto-Fenton foi o melhor, conseguindo degradar mais de 99% do grupo cromóforo e mais de 79% dos grupos aromáticos. Verificou-se ainda que a cinética de degradação segue um modelo não-linear de pseudo primeira ordem.

Palavras chaves

POA; Cinética; Reator de bancada

Introdução

A busca por melhorias nas condições ambientais no planeta é tema recorrente em todo o mundo. Tendo em vista os diversos tipos de poluições (ar, água, solo) e as características dos poluentes presentes no meio, faz-se necessário avaliar a eficiência de tratamentos diferentes dos convencionais. Dentre os tipos de matrizes, o meio aquático merece especial atenção, tendo em vista que já se sabe que na atualidade a água própria para o consumo humano passou a ser um bem finito. Nesse contexto, tratar poluentes orgânicos persistentes (POP) como é o caso de corantes têxteis passou a ser alvo de vários pesquisadores. No Nordeste do Brasil, tais compostos são identificados, por vezes a olho nu, sendo sua presença na água fator de risco para animais e seres humanos. Isto porque tais compostos diminuem a penetração da luz solar, aumentam o processo de eutrofização, além de por vezes apresentar propriedades mutagências e carcinogênicas; visto que se trata de compostos recalcitrantes (NAVARRO et al., 2017). Nesse sentido, os processos oxidativos avançados (POA) vêm sendo testados com o objetivo de remover essas substâncias do meio ambiente. Os POA atuam através da geração de radicais hidroxilas, que possuem alto poder oxidante. São responsáveis por auxiliar na liberação desses radicais agentes como peróxido de hidrogênio, diferentes fontes de radiação (solar (natural e artificial), ultra-violeta (UV)), emprego de ozônio, além de fotocatalisadores (BRITO; SILVA, 2012). Dentre os tipos de POA mais utilizados encontram-se os processos Fenton e foto-Fenton, sendo a principal diferença entre eles a ausência e o emprego de uma radiação, respectivamente. No processo Fenton a combinação entre H₂O₂ e íons de ferro é responsável pelo tratamento; enquanto que no sistema foto-Fenton aliada a esses dois reagentes tem-se a presença de uma fonte luminosa. Esses processos vêm sendo utilizados para promover a degradação de diferentes tipos de corantes (SANTANA et al., 2017; ERTUGAY; ACAR, 2017; SOHRABI et al., 2017). Diante do exposto o presente trabalho teve por objetivo promover a degradação da mistura dos corantes têxteis preto direto 22, vermelho direto 23, vermelho direto 227 e azul reativo 21 frente aos processos de fotólise, foto-peroxidação e foto-Fenton empregando radiação UV-C.

Material e métodos

Estudo preliminar: Inicialmente foi preparada uma solução estoque contendo 15 mg.L^-1 de cada um dos quatro corantes têxteis estudados. Os corantes estudados foram: preto direto 22 (PD22), vermelho direto 23 (VD23), vermelho direto 227 (VD227) e azul reativo 21 (AR21). 50 mL da solução da mistura de corantes foram submetidos a tratamento via POA para os processos foto-peroxidação e foto-Fenton em reator de bancada com radiação UV-C; adicionalmente foram realizados ensaios para avaliar a eficiência da fotólise. Para realização deste estudo foram empregados, quando se aplica, as seguintes condições: [H₂O₂] = 100 mg.L^-1, [Fe] = 5 mg.L^-1 e pH (natural - para fotólise e foto-peroxidação; igual a 3 para foto-Fenton). Todos os ensaios foram feitos em triplicata, com um tempo total de exposição à radiação de 60 min. Otimização das variáveis do processo: De posse do POA que apresentou maior eficiência na degradação dos corantes em estudo foram avaliadas de modo univariado as variáveis [Fe] e [H₂O₂]. Primeiro foi variada a [Fe] em 1, 2, 3, 4 e 5 mg.L^-1, fixando a [H₂O₂] em 100 mg.L^-1. Posteriormente, para a melhor [Fe] variou-se a [H₂O₂] em 80, 90, 100, 110 e 120 mg.L^-1. Para todos os testes a quantificação dos corantes foi realizada em espectrofotômetro de UV/Vis (Thermoscientific) nos comprimentos de onda de 194 e 508 nm. No que diz respeito, ao reator de bancada o mesmo é composto por 3 lâmpadas UV-C, dispostas em paralelo com 30 W de potência cada; revestido com folha de alumínio. A emissão de fótons do reator foi de 1,61 mW.cm^-2. Estudo cinético: Por fim, foi realizado um acompanhamento cinético a fim de verificar o comportamento da degradação da mistura dos corantes ao longo do tempo. Logo, 1L de solução foi tratada e foram retiradas alíquotas de 4 mL nos tempos de 0, 2,5 7, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50 e 60 min.

Resultado e discussão

Estudo preliminar: Ao avaliar a eficiência dos POA estudados constatou-se que os processos de fotólise e foto-peroxidação não foram eficientes na degradação da mistura de corantes estudados. Nesses casos, verificou-se que para os dois comprimentos de onda (λ) não houve degradação; enquanto que para o processo de foto-peroxidação obteve-se 48,10 ± 0,40% de degradação para o grupamento cromóforo (λ = 508 nm). Neste último POA também não foi evidenciada degradação dos grupos aromáticos (λ = 194 nm). Já o processo foto-Fenton, conseguiu degradar 94,64 ± 0,03 % dos grupos cromóforos e 60,79 ± 0,16% dos grupamentos aromáticos. Esses resultados estão em concordância com o obtido na literatura. Nascimento et al. (2018) conseguiram degradar o corante cinza reativo BF-2R via foto-Fenton em reator UV-C; os autores constataram ainda que este POA foi o mais eficiente quando comparado aos processos de foto-peroxidação e Fenton. Otimização das variáveis do processo: Sabendo que o processo foto- Fenton foi o mais eficiente dentre os POA avaliados, prosseguiu-se com o estudo univariado dos fatores que influenciam no tratamento. Desse modo, avaliou-se a influência da concentração de ferro no processo e da [H₂O₂]; os resultados obtidos estão dispostos na Tabela 1. Analisando a Tabela 1 pode-se observar que para o estudo da variação da concentração de ferro a melhor concentração deste reagente foi igual a 3 mg.L^-1; para ambos os comprimentos de onda analisados. Desse modo, pode-se afirmar que ao empregar uma [Fe] relativamente baixa pode-se obter uma maior eficiência do processo, reduzindo os custos deste reagente. Ainda observando a Tabela 1, no que diz respeito a variação da concentração de peróxido de hidrogênio; verificou-se que 90 mg.L^-1 é suficiente para promover a degradação da mistura de corantes; sendo constatado não haver diferença ao aumentar para 100 mg.L^-1 a concentração deste reagente. Observa-se ainda que quando a [H₂O₂] passa para 100 mg.L^-1 tem-se uma diminuição dos percentuais de degradação dos grupamentos, sobretudo para os aromáticos (λ = 194 nm). Desse modo, pode-se afirmar que 90 mg.L^-1 é a concentração limitante de H₂O₂ para a degradação da mistura dos corantes PD22, VD23, VD227 e AR21. Estudo cinético: O acompanhamento da cinética de degradação foi realizado através de análise de espectrofotometria de UV/Vis nos tempos definidos na metodologia. O modelo não-linear de Chan e Chu (2003) foi avaliado e, em seguida, foi plotado o gráfico da cinética reacional (Figura 1). A Equação 1 representa o referido modelo. C = C₀*{1-[t/(ρ+σt)]} (Equação 1). Nesta Equação, C representa a concentração do corante (mg·L^-1) após tratamento em um dado tempo reacional t (min), enquanto que C₀ indica a concentração inicial do corante (mg·L^-1). Os parâmetros ρ e σ representam a cinética reacional (min) e a capacidade oxidativa do sistema (adimensional), em respectivo. Analisando a Figura 1 percebe-se que os dados experimentais se ajustaram bem ao modelo, estabilizando após 30 min para λ igual a 508 nm e após 40 min para λ igual a 194 nm. Este resultado era esperado tendo em vista, que os grupos aromáticos são mais difíceis de degradar. Para as curvas dos comprimentos de onda de 508 e 194 nm, verificou-se coeficientes de regressão linear iguais a 0,987 e 0,955, respectivamente. Vale frisar que após o final da cinética obteve-se percentuais de degradação iguais a 99,42% e 79,21% para os grupamentos cromóforo e aromático, respectivamente. Esses resultados estão em concordância com o obtido no estudo univariado da concentração de peróxido de hidrogênio.

Resultados dos percentuais de degradação para os estudos univariado da concentração de ferro e da concentração de peróxido de hidrogênio


Cinética de degradação da mistura dos corantes PD22, VD23, VD227 e AR21, com ajuste ao modelo não-linear de Chan e Chu.

Conclusões

No presente estudo constatou-se que os processos de fotólise e foto- peroxidação utilizando radiação UV-C foram ineficientes para promover a degradação da mistura dos corantes têxteis preto direto 22, vermelho direto 23, vermelho direto 227 e azul reativo 21. Por outro lado, o processo foto- Fenton apresentou boa eficiência conseguindo degradar 99,12 % do grupamento cromóforo e 79,21% dos grupamentos aromáticos após 60 min de exposição à radiação. Por fim, pode-se afirmar que a cinética de degradação segue um modelo não-linear de pseudo primeira ordem.

Agradecimentos

Os autores agradecem à CAPES, a FADE/UFPE e ao NUQAAPE/FACEPE.

Referências

BRITO, N. N. D.; SILVA, V. B. M. Advanced oxidative process and environmental application. Revista Eletrônica de Engenharia Civil, v. 1, n. 3, 36–47, 2012.

CHAN, K.H.; CHU, W. Modeling the reaction kinetics of Fenton’s process on the removal of atrazine. Chemosphere, v. 51, n. 4, 305-311, 2003.
ERTUGAY, N.; ACAR, F. N. Removal of COD and color from Direct Blue 71 azo dye wastewater by Fenton’s oxidation: kinetic study. Arabian Journal of Chemistry, v. 10, 1158–S1163, 2017.

NASCIMENTO, G. E; NAPOLEÃO, D. C.; SILVA, P. K. A.; SANTANA, R. M. R.; BASTOS, A. M. R.; ZAIDAN, L. E. M. C.; MOURA, M. C.; COELHO, L. C. B. B.; DUARTE, M. M. M. B. Photo-Assisted Degradation, Toxicological Assessment, and Modeling Using Artificial Neural Networks of Reactive Gray BF-2R Dye. Water air soil pollution, v. 229, n. 379, 1-15, 2018.

NAVARRO, P.; GABALDÓN, J. A.; GÓMEZ-LÓPEZ, V. M. Degradation of an azo dye by a fast and innovative pulsed light/H2O2 advanced oxidation process. Dyes and Pigments, v. 136, 887–892, 2017.

SANTANA, R.M. R.; NASCIMENTO, G. E.; NAPOLEÃO, D. C.; DUARTE, M. M. M. B. Degradation and kinetic study of Reactive blue BF-5G and Remazol red RB 133% dyes using Fenton and photo-Fenton process. Revista Eletrônica em Gestão, Educação e Tecnologia Ambiental, v. 21, n. 2, 104–118, 2017.

SOHRABI, M. R.; KHAVARAN, A.; SHARIATI, S.; SHARIATI, S. Removal of Carmoisine edible dye by Fenton and photo Fenton processes using Taguchi orthogonal array design. Arabian Journal of Chemistry, 10, S3523–S3531, 2017.