AVALIAÇÃO DA DEGRADAÇÃO DO CORANTE ALARANJADO DE METILA POR PLASMA ATMOSFÉRICO

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Ambiental

Autores

Freitas, R.C.S. (UFERSA) ; Vitoriano, J.O. (UFRN) ; Júnior, C.A. (UFRN/UFERSA)

Resumo

Utilizou-se plasma como fonte energética para avaliar sua capacidade de degradação de corantes azos em efluentes. Descargas catódica e anódica de plasma atmosférico foram utilizadas para a degradação do corante alaranjado de metila em solução aquosa, simulando um efluente. A influência de parâmetros operacionais do sistema de trabalho,foram analisados para investigar o comportamento e a ação do plasma na degradação do corante alaranjado de metilo a fim de compreender a influência de cada parâmetro nas reações de degradação. Portanto, o presente estudo vem contribuir com o entendimento e desenvolvimento de uma ferramenta eficiente e economicamente viável no tratamento de águas poluídas por corantes orgânicos.

Palavras chaves

Degradação ; Alaranjado de metila; Plasma atmosférico

Introdução

Grande atenção é direcionada ao meio ambiente em especial à água, em virtude da sua escassez na forma potável e devido à poluição dos recursos hídricos, sendo que essa preocupação vem impulsionando o desenvolvimento de novas tecnologias mais eficazes para o tratamento de efluentes, em relação às convencionais (CADORIN,2012; HAMEED, 2019). Sabe-se que existem várias técnicas para tratar efluentes contendo corantes orgânicos, processos convencionais de tratamento como os biológicos e os físicos são utilizados para tratar efluentes contendo corantes das indústrias têxteis e outras indústrias, entretanto, estes processos possuem inúmeras deficiências (CADORIN,2012; MAGUREANU,2019). Os corantes azos são compostos que contém em sua estrutura uma ou mais ligações azo (-N=N-) unidas a anéis aromáticos O grupo azo está, normalmente, ligado ao anel benzeno ou naftaleno como, também, a grupos heterocíclicos aromáticos ou alifáticos. As diferentes substituições dos anéis aromáticos permitem a formação de diversos e versáteis compostos, tornando-os xenobióticos e recalcitrantes e, consequentemente resistentes à biodegradação. Os corantes do tipo azo são as maiores e mais versáteis classes de corantes, sendo mais de 2000 diferentes tipos usados em vários materiais. O sucesso dos corantes azo deve-se à simplicidade de sua síntese (LEAL,2011). O corante alaranjado de metilo possui apenas um grupo cromóforo azo (-N=N-), logo, é classificado como monoazo, também possui um grupo funcional sulfônico HSO3, o que o torna solúvel em água (ALMEIDA,2013; PIRES,2006). Devido à estabilidade dos anéis aromáticos presentes na estrutura molecular dos corantes azos, o tratamento biológico não é efetivo para sua degradação. As técnicas de adsorção podem ser, e geralmente são eficientes na remoção dos corantes, porém, o método apenas transfere os poluentes da fase líquida para a fase sólida, requerendo tratamento secundário do resíduo sólido. Como sabemos os corantes azos são tóxicos à saúde humana, e podem apresentar riscos nocivos ao meio ambiente se for descartado sem tratamento adequado (CADORIN,2012; WANG,2008). Devido à sua própria natureza, os corantes são altamente detectáveis a olho nu, sendo visíveis em alguns casos mesmo em concentrações tão baixas quanto 1 ppm , provocando, por consequência, danos graves ao ecossistema e à saúde da população. Estima-se, ainda, que cerca de 15% da produção mundial de corantes é perdida para o meio-ambiente durante a síntese, processamento ou aplicação desses corantes. Isso é alarmante, se considerarmos que representa um lançamento de cerca de 1,20 toneladas por dia desta classe de compostos para o meio-ambiente (GUARATINI, 2000) . Conhecido como o quarto estado da matéria, o plasma é um gás parcialmente ionizado neutro. Ionizado significa que pelo menos um elétron não está ligado ao átomo ou molécula, convertendo os átomos ou moléculas em íons positivamente carregados. Dessa forma o gás apresenta as características de ser eletricamente condutor, internamente interativo, e fortemente responsável por campos eletromagnéticos. Seu caráter neutro é no sentido de que a densidade eletrônica é balanceada com as cargas positivas (CADORIN,2012). Recentemente o plasma, têm surgido como um novo método promissor para a degradação de corantes em meio aquoso. Trata-se de processos físicos e químicos que ocorrem simultaneamente aumentando a eficiência do processo de degradação desses corantes. O plasma frio de descarga elétrica de alta tensão não necessita da introdução de aditivos químicos para o tratamento de efluentes contendo esses corantes, ou seja, essa é um tecnologia é considerada menos agressiva ao meio ambiente em relação as técnicas convencionais e também a técnica com plasma é bastante eficiente na degradação dos corantes azos (CADORIN, 2012). O plasma gerado sobre o líquido provoca a acidez da solução. Isso devido ao impacto dos elétrons com as moléculas de nitrogênio (N2), oxigênio (O2) e água individualmente, provocando as seguintes reações em cadeias (LOCKE,2011). N2 + e- → 2N˙ + e- (1) O2 + e- → 2O˙ + e- (2) N + O2 → NO + O (3) O + N2 → NO + N (4) O NO oxida para o NO2 e é levado a solução por meio da ação do campo elétrico [1]. H2O + O → H2O2 (5) H2O2 → 2OH (6) NO + H2O → NHO2 (7) NHO2 + O → NHO3 (8) Portanto, a solução após a descarga torna- se ácida devido à formação dessas espécies ácidas demostradas acima. E a formação dos íons nitrato e nitrito (CADORIN,2012).

Material e métodos

REAGENTES Todos os reagentes utilizados neste trabalho são de grau analítico (P.A.). Os reagentes utilizados foram: • Alaranjado de metila (C14H14N3NaO3S-Na+). • Nitrato de potássio (KNO3). • Água destilada. EQUIPAMENTOS Durante a realização deste trabalho utilizou-se os seguintes equipamentos: • Osciloscópio de dois canais (Agilent MSO-X 2002). • Sonda de alta tensão ( Agilent N2771B 1000: 1 30 kV 50 MHz). • Espectrômetro de emissão ótica (Ocean Optics USB4000). • Fibra ótica (Ocean Optics USB4000 – QP600-1-SR) • Balança analítica da marca Tecnus. • Espectrofotômetro UV visível, marca Gehaka. • Phmetro (Bel Engineering, W3B pH meter). • Condutivímetro (TDS&EC meter (hold)). • Análise de nitrato e nitrito (Quantofix Nitrate Nitrite). PREPARO DE SOLUÇÕES Todas as soluções foram preparadas com água destilada e reagentes de grau analítico (PA). Soluções de 0,00008 mg.L-1 de alaranjado de metila: preparadas em balões volumétricos pela adição das massas devidamente pesadas e volume completado com água destilada APARATO EXPERIMENTAL O aparelho é constituído por dois eletrodos sendo um de cobre com geometria circular (90 mm de diâmetro) também utilizado como base para o porta amostra (placa de petri), logo acima está posicionado outro eletrodo de aço inox (agulha). As medidas elétricas (frequência = 700 Hz e tensão = 12 kV) foram realizadas por um osciloscópio de dois canais (Agilent MSO-X 2002) e uma resolução de 0,014 µs, bem como uma sonda de alta tensão ( Agilent N2771B 1000: 1 30 kV 50 MHz). MÉTODO Todos os experimentos foram feitos em triplicata, e todos os tratamentos foram feitos na água destilada e nas soluções de alaranjado de metila, os tratamentos foram realizados conforme condições descritas a seguir: utilizou- se reator de plasma frio conforme figura 4. A frequência e tensão aplicadas ao plasma foram 700 Hz e 12 kV respectivamente, concentração inicial das soluções de alaranjado de metila Cam = 0,00008 mg.L-1, pH inicial das soluções aproximadamente 6, condutividade inicial aproximadamente 14 µS.cm-1. ANÁLISES Todas a análises foram feitas antes e logo depois do tratamento e com um certo tempo de envelhecimento das amostras, ou seja, as amostras foram guardadas em embalagens estereis e depois de um tempo de duas semanas as análises foram feitas novamente O pH foi medido a partir do pHmetro (Bel Engineering, W3B pH meter), utilizando-se de soluções tampões de pH 7 e 4, respectivamente para sua calibração. A condutividade das soluções do corante foram medidas com o uso de um condutivímetro (TDS&EC meter (hold)). Para as análises de nitrato e nitrito foram utilizadas fitas indicativas (Quantofix Nitrate Nitrite). Os tratamentos, com plasma nos tempos de 15, 30 e 60 minutos, de alaranjado de metila em solução aquosa, foi acompanhada por espectrofotometria UV-Vis nos comprimentos de onda 190 – 900nm.

Resultado e discussão

PERFIL DE pH PARA OS TEMPOS DE TRATAMENTO O pH das amostra de solução aquosa de alaranjado de metila baixa consideravelmente de aproximadamente 6 para 4,5 já no tratamento de 15 minutos de descarga por plasma catódico e anódico, e também podemos observar que com o aumento do tempo de tratamento o pH baixou cada vez mais, mas de forma mais lenta. Isso ocorre devido a formação de espécies acidas formadas pela interação plasma líquido. O pH foi medido duas semanas após o tratamento podemos notar que o pH das amostras continuam baixando, mas com uma velocidade muito pequena. PERFIL DE CONDUTIVIDADE PARA OS TEMPOS DE TRATAMENTO O perfil da condutividade durante nos tempos de tratamento das amostras, confirmam o aumento da condutividade das amostras durante os tratamentos, a qual segue certa linearidade, isso acorre no plasma catódico e no plasma anódico. PERFIL DA CONCENTRAÇÃO DE NITRATO E NITRITO PARA OS TEMPOS DE TRATAMENTO Portanto podemos concluir que ocorre sim a formação dos íons nitrato e nitrito, e esses íons são formados por diversas reações decorrentes da interação plasma-líquido e que o ácido nitroso e o ácidos nítrico são espécies formadas a partir dessas reações e que em solução aquosa se dissociam formando o íons nitrato e nitrito, e consequentemente diminuindo o pH das soluções. A partir disso podemos notar que o ácido nitroso é formado primeiro que o ácido nítrico, e que este último é formado a partir do primeiro. Ácido nitroso foi um intermediário formado primeiramente e então deu origem ao ácido nítrico. Ácido nítrico pode ser visto como um produto final. Sua concentração aumenta com o tempo em contato com o ar atmosférico que contém nitrogênio. DEGRADAÇÃO O espectro UV-Vis representado nas figuras a seguir, mostram a diminuição da banda de absorção em 456 nm e formação da banda em 420 nm. Logo após o tratamento de 15 minutos por descarga por plasma catódico, a coloração da solução de alaranjado de metila diminui gradativamente de intensidade com o aumento do tempo de exposição a descarga, o que se atribui à ruptura da ligação azo. Conforme a ligação azo é rompida, as espécies: (A) N,N dimetil-4- nitroanilina e (B) 4-nitrobezenosulfonato são formadas, assim a degradação de uma molécula do corante dá origem a formação destes intermediários de coloração amarela. A espécie mais evidente no espectro UV-Vis é o intermediário N,N dimetil-4-nitroanilina em que conforme a banda de absorção em 456 nm diminui abanda em 420 nm aumenta.

Diminuição da banda de absorção do laranjado de metila O intermediário responsável pela formação da banda de 420 nm é o N,N demetil-4-nitranilina.


diminuição da banda de absorção do alaranjado de metila. intermediário responsável pela formação da banda de 420 nm é o N,N demetil-4-nitranilina.

Conclusões

O presente trabalho nos mostra que a técnica de degradação por descarga plasma frio (catódico e anódico) é eficaz na degradação do corante alaranjado de metila em solução aquosa, bem como de seu intermediário de degradação formado em maior quantidade através do rompimento da ligação azo rompida preferencialmente. Todos os experimentos foram realizados em triplicata, mostrando significativa reprodutibilidade. Abaixamento do pH, aumento de condutividade elétrica e a formação dos íons nitrato e nitrito foram comuns a quase todos experimentos, sendo característicos da interação plasma líquido. Portanto , com a execução deste trabalho, pode-se notar que a descarga plasma frio, tanto o plasma catódico, como o anódico é uma ferramenta promissora no tratamento de efluentes contendo corantes orgânicos.

Agradecimentos

A Deus e a todos que contribuíram para a realização deste trabalho.

Referências

CADORIN, Bruno Mena; Degradação de corantes azos por plasma frio de descarga corona [dissertação] – Florianópolis – SC, 2012, 106p.
HAMEED, B. H.; AKPAN, U. G.; Parameters affectins the photocatalytic of dyes using TiO2-based photocatalysts: A review. Journal of Hazardous Materials. v.170, p. 520 - 529, 2009.
MAGUREANU, M.; PIROI, D.; GHERENDI, F.; MANDACHE, N. B.; PARVULESCU, V. Decomposition of Methylene Blue in Water by Corona Discharges. Plasma Chemistry and Plasma Processing. v. 28, p. 677 – 688, 2008.
LEAL, Cláudia Sofia Mendes et al. Solubilidade de corantes azo. 2011.
ALMEIDA, V. C. Desenvolvimento de métodos analíticos para determinação e extração de corantes têxteis em efluentes industriais. 2006. Tese de Doutorado. Dissertação de Doutorado do curso de Química da Universidade Estadual de Maringá, Maringá-PR, 2006.
PIRES, Maria José Ramos Guedelha Rodrigues. Propriedades de corantes azo em soluções aquosas: influência da temperatura e do meio iónico. 2013.
WANG, Z.; XU, D.; CHEN, Y.; HAO, C.; ZHANG, X. Plasma Decoloration of Dye Using Dielectric Barrier Discharges with Earthed Spraying Water Electrodes. Journal of Electrostatics. v. 66, p. 476 - 481, 2008.
GUARATINI, Cláudia CI; ZANONI, Maria Valnice B. Corantes têxteis.Química nova, v. 23, n. 1, 2000.
LOCKE, Bruce R.; SHIH, Kai-Yuan. Review of the methods to form hydrogen peroxide in electrical discharge plasma with liquid water. Plasma Sources Science and Technology, v. 20, n. 3, 2011.