USO DE NANOPARTÍCULAS DE DIÓXIDO DE TITÂNIO APLICADAS NO TRATAMENTO DE EFLUENTES GERADOS EM LABORATÓRIOS

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1 USO DE NANOPARTÍCULAS DE DIÓXIDO DE TITÂNIO APLICADAS NO TRATAMENTO DE EFLUENTES GERADOS EM LABORATÓRIOS Carlos Antônio Pereira de Lima 1*, Geralda Gilvânia Cavalcante de Lima 1, Fernando Fernandes Vieira 1 1 Laboratório de Pesquisa em Ciências Ambientais (LAPECA), Universidade Estadual da Paraíba UEPB, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Av. Juvêncio Arruda, s/n, Bodocongó, CEP: , Campina Grande/PB, Brasil, *caplima@uepb.edu.br RESUMO O largo descarte de corantes orgânicos nos corpos hídricos resulta em um grande problema ambiental. Uma alternativa bastante promissora para substituir alguns métodos convencionais de tratamento para purificar efluentes contaminados por tais corantes, é o processo fotocatalítico com o uso de nanopartículas de dióxido de titânio (TiO 2 ), este método converte poluentes orgânicos em espécies químicas que não causam danos ao meio ambiente. O objetivo deste trabalho é tratar uma solução de azul de metileno, pois apesar da sua baixa toxicidade, o mesmo é estudado devido apresentar-se como uma molécula modelo, o que servirá como base em estudos de compostos com estruturas mais complexas, gerados em experimentos laboratoriais. Os resultados obtidos durante o processo de tratamento por radiação ultravioleta (UV) provocou uma menor redução na cor do azul de metileno, enquanto que a técnica com UV/TiO 2, foi mais eficiente, chegando a total descoloração do efluente, apresentando potencial para esta aplicação. Palavras-chave: Fotocatalise heterogênea, efluente de laboratório, dióxido de titânio. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, os problemas ambientais vêm se tornando cada vez mais críticos e frequentes, e as águas naturais têm sido apontada como um dos recursos mais degradados pela sociedade, fazendo com que novas normas e legislações sejam adotadas para minimizar esse impacto ambiental. Segundo Silva (1) nos anos 1990, o Brasil ganhou força na indústria química a implementação do programa de atuação responsável, o qual estabelece procedimentos para as áreas de segurança de processos, transporte e distribuição de produtos químicos, proteção ambiental, saúde e segurança do trabalhador, diálogo 1420

2 com a comunidade e concepção/gerenciamento dos produtos. Jardim (2) em 1998 já apontava para um grande problema gerado nos laboratórios das universidades em termos de atividades de ensino e pesquisa, situação mais complexa devido a grande diversidade dos resíduos produzidos, apesar da menor quantidade gerada em comparação com uma unidade industrial. Nos últimos anos uma crescente preocupação com os resíduos gerados em laboratórios de ensino e pesquisa universitários é evidenciada pelo crescente número de artigos e livros publicados sobre o assunto. Muitos desses efluentes gerados em laboratórios são resíduos líquidos orgânicos coloridos, sub produtos das reações químicas e difíceis de tratar, são descartados diretamente nas pias dos laboratórios, causando consequentemente impactos negativos ao meio ambiente. O impacto desses efluentes coloridos sobre o meio ambiente é uma das principais preocupações por causa das propriedades potencialmente cancerígenas destes produtos químicos (3). Além disso, alguns corantes podem sofrer descoloração anaeróbia para formar potenciais agentes cancerígenos (3). Estes efluentes quando não são corretamente tratados, além de representarem uma fonte de poluição visual, oferecem vários riscos de impacto ambiental, principalmente em função da interferência nos processos fotossintéticos naturais ocasionando prejuízos incalculáveis a médio e longo prazo, a toda a biota aquática. Várias abordagens sobre o tratamento e descontaminação de tais efluentes têm sido relatados na literatura. Técnicas típicas incluem os métodos clássicos tais como adsorção, coagulação e sedimentação. Em consequência da natureza desses corantes, esses métodos de tratamentos convencionais são ineficientes para o tratamento de tais efluentes, então uma alternativa bastante promissora para substituir os métodos convencionais, são os chamado Processos oxidativos avançados (POAs), que foi desenvolvido e empregados para tratamento de efluentes de águas residuarias contaminadas com corantes (4). Os POAs se baseiam na formação de radicais hidroxilas ( OH), que são agentes altamente oxidantes. Estes radicais podem reagir com uma grande variedade de classes de compostos promovendo sua total mineralização para compostos inócuos. Entre os POAs, a fotocatálise heterogênea tem sido amplamente estudada nas últimas duas décadas. A fotocatálise heterogênea é um processo que emprega um catalisador óxido ou sistema metal-óxido que quando iluminado com luz ultravioleta (UV) gera radicais 1421

3 altamente reativos, tais radicais participam efetivamente da reação e, podem mineralizar compostos orgânicos a formas não tóxicas. Este processo é considerado tecnologia limpa, isto porque não há formação de subprodutos sólidos (lodo), nem há transferência de fase de poluente (como adsorção em carvão ativado) e os produtos finais da reação, são: CO 2, H 2 O e ácidos minerais (5). O objetivo deste trabalho é avaliar a descoloração fotocatalítica de efluentes coloridos gerados em laboratórios, onde foi utilizado como composto padrão, o azul de metileno em três níveis de ph (4,7 e 10). Foi examinado o efeito dos parâmetros: intensidade de radiação, o efeito da fotólise e carga do catalisador. MATERIAIS E MÉTODOS O sistema experimental consistiu de uma câmara fotocatalítica retangular com dimensões 80 cm x 40 cm x 40 cm, fechada de modo a não permitir o vazamento de radiação para o exterior da mesma. Na parte superior, existe um suporte, com 3 lâmpadas germicidas de 15 W, Philips, que ficam a uma distancia de 15 centímetros da solução. As mesmas emitem radiação UV, com um pico de radiação no comprimento de onda de 254 nm. Na parte inferior um agitador magnético, onde foi colocado o reator tipo tanque para descoloração do corante. O reator consiste de um vaso cilíndrico confeccionado em vidro pirex com um volume de 1000 ml, localizado sob as lâmpadas (Fig.1). As soluções de azul de metileno para estudo foram preparadas variando as concentrações de 2 M a 4 M, em 3 faixas de ph (4,7 e 10). Fig. 1 Reator fotocatalítico de batelada Os experimentos foram realizados em duas etapas: na primeira, com radiação UV e ausência de catalisadores (fotólise). Na segunda etapa, com radiação UV e 1422

4 presença do catalisador (fotocatálise), onde foi analisado a influência do ph das soluções, nas faixas de ph ácida, neutra e alcalina, tempo de exposição à radiação, intensidade de radiação e a variação da concentração dos catalisadores na descoloração da solução. O fotocatalisar utilizado foi o dióxido de titânio (TiO 2 ) da marca Degussa P-25, usado sem nenhum tratamento prévio, que é uma mistura das formas alotrópicas anatase e rutilo, na proporção de 80:20 com tamanho de partículas médias de 30 nm e área superficial de 50 m 2.g -1(6). O tempo para cada experimento, em ambas as etapas foi de 4 horas, sendo que, a cada 30 minutos, amostras foram retiradas e centrifugadas, a uma velocidade de 3200 RPM, em uma centrífuga marca Fanem, Baby I, Mod. 206 durante 15 min, para a separação do fotocatalisador e analisadas em um espectrofotômetro em comprimento de onda de 660 nm, para o acompanhamento da descoloração. RESULTADOS E DISCUSSÃO Efeito da intensidade de radiação no processo fotocatalítico A Fig. 2 apresenta o efeito da influência da intensidade de radiação no processo fotocatalítico. Observa-se que nas três intensidades de radiação analisadas ocorreu o a mesma descoloração, ou seja a intensidade de radiação não influenciou no processo, levando a acreditar na necessidade da presença fotocatalisador. 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 1,209 mw/cm 2 1,414 mw/cm 2 1,679 mw/cm\+ 2 0,6 C/C o 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Tempo de Irradiaçمo (min) Fig. 2- Fotólise do azul de metileno em ph ácido. 1423

5 Efeito da concentração inicial do corante A Fig. 3, mostra o efeito da concentração inicial do corante em função do tempo de exposição ao processo fotocatalíco(uv/tio 2 ). A eficiência da descoloração do azul de metileno foi mais efetiva para menor concentração (2 M), já que a partir de 120 minutos observa-se uma taxa de 90% de descoloração, enquanto que nas concentrações maiores, esse percentual de descoloração vai ocorrer em aproximadamente 300 minutos. Neste caso as soluções mais concentradas irão absorver a radiação UV, ocorrendo a competição com o fotocatalisador (TiO 2 ), e consequentemente menos fótons o fotocatalisador irá absorver para gerar os radicais hidroxilas, para promover as reações (7). 1,0 0,8 2,0 M 3,0 M 4,0 M 0,6 C/C 0 0,4 0,2 0, Tempo de irradiação (min) Fig. 3 Influência de concentração inicial do corante na taxa de descoloração. Efeito do ph inicial O efeito do ph inicial das soluções do corante é mostrada para a concentração de 2 M com 0,3% de dióxido de titânio (TiO 2 ) foram estudados em dois níveis (4 e 10) e são mostrados na Figura 4. Os experimentos foram realizados para o mesmo intervalo de tempo. A melhor degradação foi obtido com ph = 10,0. A influência que o ph exerce na taxa de degradação de corantes são variáveis e controversos, pois em alguns casos a melhor degradação ocorre em ph ácidos (8) e em outros em ph alcalinos (9). A degradação do corante Yellow17 (um corante aniônico) foi mais eficiente em ph 3 (10), ao passo que, o corante orange II e Amido Preto 10B mostrou eficiência de degradação máxima em ph 9 (11). 1424

6 1,0 ph 4 ph 10 0,8 0,6 C/C o 0,4 0,2 0, Tempo de irradiação (min) Fig. 4 Influência de ph do corante na taxa de descolração. Comparação entre os processos: fotocatalítico e fotólise A Fig. 5 representa a comparação entre os processos de fotólise (radiação UV) e o processo fotocatalítico(uv/ TiO 2 ) na eficiência de descoloração. É possível constatar que a eficiência do sistema UV/ TiO 2 para efluentes coloridos é bastante significante, já para o processo em que se faz somente o uso da radiação a descoloração não se torna satisfatória, pois com a ausência do semicondutor (TiO 2 ) na solução, a geração de pares( e - + h + ) não são formados, não sendo portanto, produzidos os radicais reativos do tipo hidroxilas ( OH) para oxidar os compostos orgânicos do corante. 1,0 Fotocatálise (0,1% TiO 2 ) Fotólise 0,8 0,6 C/C 0 0,4 0,2 0, Tempo de irradiação (min) Fig. 5 Comparação do efeito da fotólise e a da fotocatálise no corante. 1425

7 CONCLUSÕES Comparando-se a degradação do azul de metileno em diferentes valores de concentrações e ph, pode-se observar que a degradação em meio alcalino foi mais eficiente do que em meio ácido e que quanto menor a concentração inicial do corante mais eficiente foi a degradação. Foi observado também que na fotólise, a intensidade de radiação UV teve pouca influência na descoloração do corante, quando comparado com o sistema UV/ TiO 2. Os experimentos mostraram que os efeitos da luz artificial (UV), ph, bem como a concentração inicial do corante tem grande influência no processo fotocatalítico. REFERÊNCIAS 1. SILVA, A. F.; SOARES, T. R. S.; AFONSO, J. C. Gestão de Resíduos de Laboratório: Uma Abordagem para o Ensino Médio, Química Nova Na Escola, Vol. 32, N 1, JARDIM, W.F. Gerenciamento de resíduos químicos em laboratórios de ensino e pesquisa. Química Nova, v. 21, n. 5, p , ALAM, M. Z.; AHMAD, S.; MALIK, A.; AHMAD, M. Mutagenicity and genotoxicity of tannery effluents used for irrigation at Kanpur, India, Ecotoxicology and Environmental Safety 73, p , RAUF M.A.; MEETANI M.A.; KHALEEL A.; AHMED A. Photocatalytic degradation of Methylene Blue using a mixed catalyst and product analysis by LC/MS, Chemical Engineering Journal 157, p , GOSWAMI, D.Y.; KLAUSNER, J.; MATHUR, D.G.; MARTIN, A.; SCHANZE, K.; WYNESS, P.; TURCHI, C.; MARCHAND, E. Solar Photocatalytic Treatment of Groundwater at Tyndall AFB: Field Test Results, Proceedings of the 1993 Annual Conference American Solar Energy Society, Washington, D.C., April, p , VELEGRAKI, T.; POULIOS, I.; CHARALABAKI, M.; KALOGERAKIS, N.; SAMARAS, P.; MANTZAVINOS, D. Photocatalytic and sonolytic oxidation of acid orange 7 in aqueous solution. Apply Catalysis B Environmental, 62, p ,

8 7. SOUTSAS K.; KARAYANNIS V.; POULIOS I.; RIGA A.; NTAMPEGLIOTIS K.; SPILIOTIS X.; PAPAPOLYMEROU G. Decolorization and degradation of reactive azo dyes via heterogeneousphotocatalytic processes. Desalination 250, , AL-QARADAWI, S.; SALMAN R. S. Photocatalytic degradation of methyl orange as a model compound, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 5991, p.1 7, SO, C.M.; CHENG, M.Y.; YU JC; WONG, P.K. Degradation of azo dye Procion Red MX-5B by photocatalytic oxidation, Chemosfere, 46 p , QAMAR, M.; SAQUIB, M.; MUNEER M. Photocatalytic degradation of two selected dye derivatives: chromotrope 2B and amido black 10B in aqueous suspensions of titanium dioxide, Dyes and Pigments 65, p.1 9, FABBRI, D.; PREVOT, A. B.; PRAMAURO, E., Effect of surfactant microstructures on photocatalytic degradation of phenol and chlorophenols, Applied Catalysis B: Environmental 62, p , USE OF TITANIUM DIOXIDE NANOPARTICLES OF APPLIED IN THE TREATMENT OF WASTEWATER GENERATED IN LABORATORIES ABSTRACT The board disposal of organic dyes in water bodies resulting in a major environmental problem. A promising alternative to replace some conventional treatment methods for purifying contaminated waste such dyes, the photocatalytic process is the use of nanoparticles of titanium dioxide (TiO 2 ), this method converts organic pollutants in chemical species that do not cause damage to the environment. The objective of this work is to treat a solution of methylene blue, because despite its low toxicity, it is studied due to present yourself as a model molecule, which serve as the basis of studies of compounds with more complex structures, generated in experiments laboratory. The results obtained during the treatment process by ultraviolet (UV) caused less reduction in color of methylene blue, while the technical UV / TiO 2 was most effective, reaching complete discoloration of the effluent, presenting potential for this application. Keywords: Heterogeneous photocatalysis, laboratory effluent, titanium dioxide. 1427