Degradação do corante verde rápido por fotocatálise combinada utilizando radiação solar e UVC

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Ambiental

Autores

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

Resumo

A descarga industrial, está entre as principais causas de poluição das águas, contendo muitos compostos orgânicos, como os corantes. Com frequência, alguns corantes possuem uma difícil decomposição na água, não prejudicando somente a vida aquática, mas o ecossistema como um todo. Logo, existe a necessidade de tratar os efluentes industriais, buscando a degradação desses corantes. O objetivo desse trabalho é avaliar a fotodegradação do corante verde rápido FCF, a partir de Processos Oxidativos Avançados (POA) utilizando a radiação solar natural e UV-C, e os semicondutores TiO2 e ZnO. Foram estudados os parâmetros da proporção e da massa dos catalisadores, obtendo como melhores sistemas os contendo 100% de ZnO e 0,06 g desse catalisador.

Palavras chaves

Poluição ambiental; Corantes; Fotocatálise

Introdução

A poluição ambiental é um dos principais problemas mundiais, que vem apresentando crescimento com o passar dos anos e ocasionando sérios e irreparáveis prejuízos ao ecossistema. A poluição do meio ambiente engloba três tipos básicos: ar, água e solo. Entre as principais causas de poluição das águas estão a descarga industrial, que apresenta em sua composição vários compostos orgânicos, tais como solventes, dioxinas, clorofenóis e corantes (NATARAJAN; BAJAJ; TAYADE; p. 202, 2018). Os corantes são aditivos de cor amplamente aplicados nos processos industriais, cuja utilização tem a finalidade de oferecer coloração em alimentos, medicamentos e cosméticos, entre outros produtos (XU et al, p.2, 2018). Em muitos casos, alguns dos corantes apresentam dificuldade em se decompor na água, devido às estruturas de suas moléculas que os tornam mais estáveis na presença de luz e resistentes à biodegradação, o que os caracteriza como compostos refratários (NATARAJAN; BAJAJ; TAYADE; p. 202, 2018). Os corantes não prejudicam somente a vida aquática, mas o ecossistema como um todo. Estes compostos, ao se misturarem com a água reduzem a atividade fotocatalítica de plantas subaquáticas e, consequentemente, causam problemas às cadeias alimentares. Os corantes, além do mais, transformam a água inapropriada para fins de bebida, irrigação e recreação. Devido a esses prejuízos ao meio ambiente, faz-se necessário o tratamento dos efluentes industriais, buscando a degradação destes corantes. (SHARMA et al, p.1, 2017). Dentre as formas convencionais de tratamento de efluentes estão técnicas como osmose reversa, degradação microbiana, precipitação, eletrodiálise, coagulação eletroquímica, descoloração fúngica, nanofiltração, eletrossorção, adsorção e filtração (SHARMA et al, p.1, 2017). Porém, estas técnicas apresentam desvantagens no seu desempenho, como por exemplo, serem demoradas e o contaminante ser apenas transferido de fase, e não degradado. Os Processos Oxidativos Avançados são técnicas que vem sendo aplicadas como alternativa para o tratamento de águas residuais (PIRKARAMI; OLYA, p.179, 2017). Os POA baseiam-se na geração de radicais que permitem a oxidação de poluentes refratários em águas, como os corantes. Isto leva à quebra das macromoléculas dos contaminantes em espécies de menor peso molecular e, no caso de mineralização, produzindo CO2, H2O e sais inorgânicos. Os radicais hidroxila (•OH) apresentam um alto potencial de oxidação, sendo inferior apenas ao potencial do Flúor que apesar de ser elevado não é usado no tratamento de efluentes devido a sua toxicidade (HASSAAN; NEMR; MADKOUR, p.12, 2017; NAVARRO; GABALDÓN; GÓMEZ-LÓPEZ, p.887-888, 2017). A fotocatálise heterogênea é um tipo de POA que envolve a utilização de radiação UV gerando a indução da superfície do semicondutor, como dióxido de titânio, óxido de zinco, entre outros, possuindo como objetivo a formação de radical hidroxila para permitir a oxidação de compostos orgânicos contaminantes (BARBOSA et al, p.133, 2015). O dióxido de titânio (TiO2) tem ampla utilização como fotocatalisador devido suas características de estabilidade fotoquímica, ausência de toxicidade e baixo custo. O óxido de zinco (ZnO) também é muito utilizado devido à sua alta fotossensibilidade e gap de banda larga (CHEKIR, et al, p. 6142,2015). Este trabalho busca avaliar a fotodegradação do corante verde rápido FCF, a partir de POA usando radiação solar natural e UV-C, e os semicondutores TiO2 e ZnO como fotocatalisadores.

Material e métodos

Nos sistemas utilizados nos experimentos, foram usadas soluções aquosas do corante verde rápido (Dinâmica Química Contemporânea Ltda), que possui como fórmula molecular C37H37N2O10S3, e massa molecular igual a 765.89 g.mol−1, e os fotocatalisadores TiO2 P25 e ZnO fornecidos pela Evonik Degussa Brasil Ltda e Biodinâmica Química e Farmacêutica Ltda, respectivamente. Os experimentos foram realizados em recipientes cilíndricos de vidro, com volume de 400 mL (5,5 cm de altura e 9,0 cm de diâmetro) e, além disto, todos os sistemas foram submetidos à agitação magnética (FISATOM, 751). Foi utilizado em cada experimento um volume fixo de 350 mL de solução aquosa do corante, preparadas com 20 mg.L-1 de concentração de verde rápido. A fotodegradação ocorreu por meio de radiação solar natural e de lâmpada germicida UV-C (ILUMISAMPA, 20 W, irradiação de 0,830 mW.cm-2). Antes do início dos experimentos de fotodegradação, os sistemas permaneceram 30 minutos no escuro sob agitação magnética, baseando-se no trabalho de Chen e colaboradores (2018, p.3). Posteriormente, as absorbâncias das amostras foram medidas em espectrofotômetro UV-Visível (SpectroquantPharo 300, 190– 1100 nm, feixe único, banda de 4 nanômetros), obtido da Merck, Brasil. O pico máximo de absorbância do corante estudado foi obtido no comprimento de onda 623 nm. Os sistemas estudados com o objetivo de avaliar a influência dos catalisadores dióxido de titânio e óxido de zinco nos tratamentos fotocatalíticos do corante verde rápido foram: UVC/TiO2, UVC/ZnO, UVC/ TiO2/ZnO (1:1 m/m), Solar/TiO2, Solar/ZnO e Solar/ TiO2/ZnO (1:1 m/m). Em cada sistema, foi utilizado 0,1 g de material fotocatalítico. Após a determinação da proporção adequada dos catalisadores TiO2/ZnO, foi realizado o estudo do efeito da massa, utilizando sistemas com 0,06 g, 0,08 g, 0,1 g e 0,2 g de catalisador.

Resultado e discussão

TESTES PRELIMINARES - A degradação do corante ao longo do tempo nos sistemas com diferentes proporções do catalisador, nas radiações UVC e Solar, está apresentada na Figura 1. Nos sistemas com radiação solar, o processo utilizando somente TiO2 apresentou uma menor taxa de degradação, com 63,8% do corante removido após 30 minutos de tratamento. O sistema com catalisador combinado TiO2/ZnO (1:1), apresentou uma taxa de remoção de 92,7% no mesmo tempo. O sistema ZnO apresentou uma melhor eficiência de degradação, com taxas superiores de tratamento em relação aos demais, degradando completamente o corante em 45 minutos de tratamento. Dos sistemas com radiação UVC, o sistema contendo 100% de TiO2, assim como ocorreu com os sistemas com radiação solar, apresentou uma menor taxa de remoção, com 77,4% do corante degradado após 90 minutos de tratamento. No sistema com catalisador combinado TiO2/ZnO (1:1), observou-se uma taxa de degradação de 99,4% e o sistema contendo 100% do catalisador ZnO, apresentou uma taxa de remoção de 96,7% após o mesmo período de experimento. Nos sistemas com radiação UVC o desempenho na degradação do verde rápido foi bem aproximado, entre os sistemas com ZnO e os sistemas com catalisador combinado TiO2/ZnO (1:1), sendo um exemplo disso, que após 60 minutos de tratamento, suas taxas de degradação se igualam. Nos sistemas com radiação solar, o sistema ZnO apresentou taxas maiores de degradação. Além disso, o ZnO possui capacidade de absorção com maior fração do espectro solar e maior eficiência quântica que o TiO2, justificando sua maior eficiência em ambas as radiações (YATMAZ; DIZGE; KURT, p.2748, 2017). ESTUDO DE MASSA - Dos sistemas testados com radiação solar, o sistema contendo 0,06 g do catalisador apresentou uma taxa de degradação de 93,3% após 45 minutos de tratamento, e após o mesmo período de tempo, os sistemas fotocatalíticos contendo 0,08g e 0,1g de ZnO demonstraram 97,5% e 98% como taxas de degradação, respectivamente. O sistema contendo 0,2 g apresentou um valor igual a 99,9% de taxa de degradação do corante. Nos sistemas utilizando radiação UVC, o sistema com 0,2 g de catalisador apresentou uma maior taxa de remoção, igual a 98,7% após 90 minutos de experimento. Enquanto os sistemas fotocatalíticos contendo 0,06 g, 0,08 g e 0,1 g apresentaram taxas de degradação de 87%, 93,1% e 95,4%, respectivamente, após o mesmo período de tempo. Logo, pode-se perceber que com o aumento da massa, houve uma elevação das taxas de remoção, porém com 90 minutos de tratamento essas taxas foram muito próximas, como pode ser observado na Figura 2. A influência da massa do catalisador na fotocatálise pode ser explicitada pela quantidade de sítios ativos disponíveis na superfície do catalisador. Acerca da área de superfície ativa total, ocorre um aumento da mesma, com a elevação da dosagem do catalisador, aumentando a eficiência da degradação (NAGARAJA et al, p.94, 2012).

Figura 1– Degradação fotocatalítica do verde rápido em diferentes proporções de catalisador com as radiações (a) solar e (b) UVC.


Figura 2 – Degradação fotocatalítica do verde rápido em diferentes massas de ZnO com as radiações (a) solar e (b) UVC.

Conclusões

O processo de degradação do corante verde rápido FCF foi estudado utilizando o processo fotocatalítico misto com TiO2 e ZnO em suspensão. Foram realizados estudos, para realizar a avaliação dos fatores: proporção de catalisadores e massa dos catalisadores, ajustando-os para encontrar as melhores condições. Observou-se uma degradação fotocatalítica mais eficiente no sistema combinado contendo 100% de ZnO, e no sistema com 0,08g desse semicondutor.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Laboratório de Engenharia de Alimentos (LEA) - UFPE por proporcionar a execução do trabalho.

Referências

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