I INATIVAÇÃO DE ESCHERICHIA COLI UTILIZANDO-SE REATOR SOLAR EM FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA COM DIÓXIDO DE TITÂNIO EM LEITO FIXO

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1 I INATIVAÇÃO DE ESCHERICHIA COLI UTILIZANDO-SE REATOR SOLAR EM FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA COM DIÓXIDO DE TITÂNIO EM LEITO FIXO João Tito Borges (1) Mestre em Engenharia Civil - UNICAMP, na Área de Saneamento e Ambiente, e doutorando na mesma área. Atualmente desenvolve trabalhos com processos alternativos de desinfecção, sub-produtos da desinfecção e qualidade de águas. José Roberto Guimarães (2) Professor assistente doutor do Departamento de Saneamento e Ambiente da Faculdade de Engenharia Civil UNICAMP. Atualmente trabalha com química sanitária/ambiental, qualidade de águas e tratamento de águas de abastecimento e residuárias. FOTO NÃO DISPONÍVEL Endereço 1 Rua Gustavo Marcondes 45 Jd. Madalena - Campinas S.P. CEP: Tel: (19) Fax: (19) tito@fec.unicamp.br RESUMO No presente trabalho utilizou-se o fotocatalisador dióxido de titânio fixado em leito de vidro para a inativação de E. coli, utilizando-se como fonte de radiação UV a luz solar. Fez-se a recirculação da amostra de água contaminada com E. coli pelo reator solar usando-se de uma bomba peristáltica e obteve-se uma redução de até 3 centenas de NMP/100 ml de E. coli no período de 2 horas. O limitante do processo foi a área de exposição à luz solar. PALAVRAS-CHAVE: fotocatálise heterogênea, desinfecção, luz, solar INTRODUÇÃO O princípio da fotocatálise heterogênea envolve a ativação de um semicondutor por luz solar ou artificial. Os principais semicondutores são sulfeto de cádmio (CdS), óxido de zinco (ZnO) e óxido de ferro III (Fe 2 O 3 ), porém o mais utilizado é o dióxido de titânio (TiO 2 ) por ser fotoestável, ter estabilidade química em amplas faixas de ph, não ser tóxico, (NOGUEIRA e JARDIM, 1998) apresentar baixo custo e ser insolúvel em água (ALBERICI, 1996). Um semicondutor é caracterizado por bandas de valência (BV) e bandas de condução (BC) sendo a região entre elas chamada de bandgap. A absorção de fótons com energia superior à energia de bandgap, resulta na promoção de um elétron da banda de valência para a banda de condução com geração concomitante de uma lacuna (h+) na banda de valência. Estas lacunas mostram potenciais bastante positivos, na faixa de +2,0 a +3,5 V, medidos contra um eletrodo de calomelano saturado, dependendo do semicondutor e do ph. Este potencial é suficientemente positivo para gerar radicais hidroxilas a partir de moléculas de água absorvidas na superfície do semicondutor podendo subseqüentemente oxidar a espécie de interesse. A representação esquemática da partícula de um fotocatalisador pode ser observada na Figura 1, onde está representada a região onde ocorre a oxidação e redução, bem como as espécies que sofrem estes processos. A eficiência da fotocatálise depende da competição entre o processo em que o elétron é retirado da superfície do semicondutor e o processo de recombinação do par elétron/lacuna, o qual resulta na liberação de calor (Equação 4). Quanto menor for a recombinação elétron-lacuna, maior será a eficiência do processo. As equações 1, 2 e 3 representam o princípio básico da fotocatálise heterogênea. ABES Trabalhos Técnicos 1

2 Figura 1 - Esquema Representativo da partícula de um semicondutor. BV: Banda de Valência BC: Banda de Condução Na superfície da partícula do catalisador, a lacuna (h + ) reage com a água ou com grupos de OH - para formar radicais hidroxila: TiO 2 + hv fi TiO 2 ( e - BC + h + BV) (1) h + + H 2 O ads fi HO + H + (2) h + + HO - sup fi HO (3) TiO 2 ( e - BC + h + BV) fi TiO 2 + E Térmica (4) Onde: h + = lacuna fotogerada ( do inglês, hole); e - = elétron fotogerado; HO = radical hidroxila BV = banda de valência do semicondutor; e BC = banda de condução do semicondutor; Estudos têm demonstrado que o mecanismo de degradação não se dá exclusivamente através do radical hidroxila, mas, também através de outras espécies radicalares derivadas de oxigênio (O 2, HO 2, etc), formadas pela captura de elétrons fotogerados (WONG et al, 1995) ; LU et al, 1995) e - + O 2 fi O 2 (5) O 2 + H + fi HO 2 (6) Nos processos fotocatalíticos em que o semicondutor TiO 2 é utilizado, há uma limitação pela absorção de radiações de até 385 nm por este semicondutor, devido ao seu band gap de 3,2 V (NOGUEIRA E JARDIM, 1998 ). Radiações com este comprimento de onda são conseguidos com lâmpada germicida (30 W), que emite principalmente em 245 nm e lâmpada de luz negra (30W) que emite entre 300 e 425 nm, com intensidade luminosa máxima de 365 nm. Ambas as fontes favorecem a excitação do TiO 2 (comprimentos de onda < 380 nm). O TiO 2 existe em três formas alotrópicas: anatase, rutilo e brookite, sendo as duas primeiras as mais comuns. A forma rutilo é inativa para a fotodegradação de compostos orgânicos, sendo que a razão para tal ainda não é totalmente esclarecida. No entanto, a baixa capacidade de adsorção de O 2 em sua superfície é apontada como um dos possíveis fatores. A forma anatase é a preferencialmente usada por ser mais fotoativa. A fotoatividade e ativação do TiO 2 são influenciados pela estrutura, defeitos e impurezas, morfologia da superfície do sólido, entre outros fatores (FOX e DULAY, 1993; HOFFMAN et al, 1995). O fato é que o mecanismo da fotocatálise é ainda obscuro, existindo muitas divergências entre os pesquisadores, em diversos aspectos (SUMADA, 1998 ). 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 O objetivo do trabalho foi verificar a eficiência na inativação de Escherichia coli utilizando-se um reator solar de leito fixo onde empregou-se o dióxido de titânio como catalisador e a radiação solar como fonte de excitação. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O microorganismo utilizado nos ensaios de desinfecção foi a bactéria Escherichia coli, cepa ATCC Para a manipulação, parte da cepa foi inoculada em meio de cultura líquido e estéril (TSB - Trypic Soy Broth) e mantida em estufa a 37 o C por um período de 6 horas. Uma vez preparada, esta cultura foi constantemente repicada e quantificada. Alíquotas desta foram utilizadas para efetuar a contaminação da água sintética, formando assim a água teste com a bactéria Escherichia coli. O procedimento para preparação da água sintética, recomendada pelo Standard Methods, 15 a edição (APHA, 1995) utiliza água deionizada e sais, possuindo composição conforme Tabela 1. Nos ensaios, fez-se a amostra (dois litros) com a água contaminada de E. coli recircular no reator solar, representado na Figura 2. Este reator, consiste de uma placa de vidro com área superficial de 0,505 m 2, na qual foi aplicada uma película (pintura) de dióxido de titânio (fotocatalisador). Para a realização dos ensaios, o reator ficou direcionado para o norte formando um ângulo de 22 O em relação à superfície e o sistema foi alimentado por uma bomba peristáltica de marca Ismatec. A intensidade de radiação UV foi medida sobre a superfície do reator com Radiômetro VLX 3W usando-se um sensor para o comprimento de onda de 365 nm. A temperatura foi medida, colocando-se o termômetro na superfície do reator solar numa posição horizontal, usando-se termômetro de mercúrio convencional. Antes de submeter a água ao processo de desinfecção foram analisados os parâmetros, cor aparente, turbidez, UV 254 nm e ph. A contagem de microrganismos (quantificação) foi feita pelo método Colilert, baseado na patente IDEXX S DST TM Defined Substrate Technology. Para adição da cor na amostra utilizou-se solução a 1% de ácido húmico (Aldrich). TABELA 1 : Composição da água sintética Reagentes NaHCO 3 CaSO 4 MgSO 4 KCl NaOH (1,0 M) KH 2 PO 4 Concentração 12 mg/l 7,01 mg/l 7,5 mg/l 0,5 mg/l 5,0 ml/l 30 ml/l ABES Trabalhos Técnicos 3

4 Figura 2 Esquema do reator solar fotocatalítico RESULTADOS E DISCUSSÃO Antes de iniciar os ensaios de desinfecção foi realizada a medição da intensidade de luz solar com Radiômetro COLE PALMER VLX-3W, o qual permite utilizar três três sensores, de comprimentos de onda (254, 312 e 365nm) separadamente, para verificar qual faixa de comprimento de onda seria monitorizada a intensidade de radiação UV durante os ensaios. Na faixa de ultravioleta o sol emite energia de vários comprimentos de onda, inclusive ocorre uma alteração sazonal, influenciada pelas condições atmosféricas e pelo horário durante o dia. Optou-se por realizar as medições e os ensaios no horário de maior intensidade solar, entre 11:00 e 13:00 h. Os valores encontrados estão listados nas Tabelas 2 e 3. Tabela 2 Medidas das intensidades de radiação em três comprimentos de onda (às 12:20 h). Intensidade λ = (254 nm) λ = (312 nm) λ = (365 nm) Mínimo (mw/cm 2 ) 0,0 0,417 1,967 Máximo (mw/cm 2 ) 0,0 0,432 2,110 Tabela 3 Medidas das Intensidades de radiação a três comprimentos de onda (às 12:45 h). Intensidade λ = (254 nm) λ = (312 nm) λ = (365 nm) Mínimo (mw/cm 2 ) 0,0 0,465 2,084 Máximo (mw/cm 2 ) 0,0 0,486 2,173 O sensor para 365 nm foi selecionado para a medição da radiação UV em todos os ensaios, pois a radiação solar emite radiação de maior intensidade neste comprimento de onda, comparado aos outros comprimentos de onda. AMOSTRA DE ÁGUA SINTÉTICA COM E SEM A ADIÇÃO DE ÁCIDO HÚMICO Quando se adiciona uma porção de ácido húmico a uma amostra de água ocorre o aumento da cor e eda matéria orgânica no meio. Em processos fotoquímicos a presença de cor na amostra pode ser um fator limitante para o seu uso, ou seja, há uma dificuldade da luz penetrar no seio da solução. No entanto, quando utiliza-se da fotocatálise heterogênea e amostra com cor moderada, essa interferência pode ser um pouco menos crítica, pois nesse caso ocorre a formação de radicais hidroxila, altamente oxidantes, que podem inclusive destruir a matéria orgânica presente no meio. 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Preparou-se amostra de água sintética conforme descrito anteriormente e fez-se a adição de ácido húmico para aumentar a cor da amostra. Fez-se passar água sintética contaminada com um volume inicial de 2 L e procedeu-se o ensaio de desinfecção com recirculação a uma vazão de 7,34 L/h. Na Tabela 4 são apresentados os resultados dos parâmetros analíticos obtidos nas amostras da água sintética com e sem adição de cor. Note que para a amostra com adição de cor houve uma alta absorção em 450 nm e 250 nm, indicando a alteração provocada pela adição da solução de ácido húmico. Tabela 4 Água sintética com meio de cultura de E. coli Parâmetro Analisado Água sintética sem adição de cor Água sintética com adição de cor Cor (absorção a 450 nm) 0,2 26 UV (absorção a 254 nm) 0,004 0,111 Turbidez 0,08 1,18 ph 6,76 6,65 Nas Figuras 3 e 4 são apresentados os resultados dos ensaios de desinfecção de uma suspensão bacteriana de E.coli. Em ambos os casos foi realizada uma monitorização das concentrações de bactérias NMP/100ml e intensidade de radiação (365 nm) durante o período do experimento. NMP/100ml Radiação a 365 nm NMP / 100 ml :40 10:00 10:20 10:30 10:45 10:55 11:05 11:15 11:25 11:45 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 Radiação (mw/cm2) tempo (h) Figura 3 Resultados de NMP/100ml de E.coli, a radiação UV a 365 nm durante o experimento com a água sem adição de cor ABES Trabalhos Técnicos 5

6 Conforme pode ser observado na Figura 3, obteve-se boa eficiência de desinfecção no ensaio. De uma concentração inicial de 377 NMP/100 ml de Escherichia coli,, obteve-se após 140 minutos de recirculação uma eficiência de 98,94% ou 1,97 log. NMP/100ml Radiação a 365 nm NMP / 100 ml :05 12:15 12:30 12:45 13:05 13:20 13:40 13:50 14:00 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 Radiação (mw/cm2) tempo (h) Figura 4 - Resultados de NMP/100ml de E.coli, a radiação UV a 365 nm durante o experimento com a água com adição de cor Conforme observa-se na Figura 4, obteve-se boa eficiência de desinfecção no ensaio. De uma concentração inicial de 386 NMP/100 ml de Escherichia coli, obteve-se após 120 minutos de recirculação uma eficiência de 97,28% ou 1,565 log. A título de comparação, realizou-se um ensaio com uma concentração inicial de E. coli mais reduzida e não adicionou-se ácido húmico à amostra. Na Figura 5 são apresentados os resultados de eficiência de desinfecção, radiação UV a 365 nm durante o experimento e observou-se a redução de E. coli no ensaio. Conforme observa-se na Figura 5, obteve-se boa eficiência de desinfecção. De um inicial de 74,8 NMP/100 ml, obteve-se após 120 minutos de recirculação uma eficiência de 99,99% ou 4 log. Ressalta-se que realmente ocorre a influência da cor no processo, isto é, quando se utiliza o processo em águas mais limpas o processo é altamente promissor. 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 NMP/100ml Radiação a 365 nm NMP / 100 ml :15 10:25 10:45 10:50 10:55 11:10 11:20 11:35 11:50 12:15 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 Radiação (mw/cm2) tempo (h) Figura 5 - Resultados de NMP/100ml de E.coli, a radiação UV a 365 nm durante o experimento com a água sintética sem adição de cor AMOSTRA DE ÁGUA DO LAGO DA FEAGRI (ÁGUA NATURAL) Com o objetivo de verificar a eficácia do sistema foi coletada amostra de água do Lago da Feagri (Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP) e fez-se o mesmo procedimento realizado nas amostreas de águas com e sem adição de cor. Os resultados dos parâmetros analisados se encontram na Tabela 5. Tabela 5 Resultados analíticos da amostra do lago da Feagri Parâmetro Analisado Resultado ph 6,43 Cor aparente 68 Turbidez 14,8 UV 254 nm 0,139 Conforme observa-se na Figura 6, obteve-se boa eficiência de desinfecção no ensaio. De uma concentração inicial de 163 NMP/100 ml de Escherichia coli,, obteve-se após 120 minutos de recirculação uma redução com uma eficiência de 96,32% ou 1,43 log. ABES Trabalhos Técnicos 7

8 NMP/100ml Radiação a 365 nm NMP / 100 ml :55 10:00 10:05 10:15 10:25 10:40 10:45 10:55 11:05 11:15 11:25 11:30 11:50 tempo (h) 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 Radiação (mw/cm2) Figura 6 - Resultados de NMP/100ml de E.coli, a radiação UV a 365 nm e a temperatura atingida durante o experimento com a água natural proveniente do Lago Feagri A degradação de compostos orgânicos por fotocatálise heterogênea usando-se o dióxido de titânio como catalisador tem sido amplamente estudada para o tratamento de matéria orgânica refratária, portanto, só recentemente tem sido investigado o poder bactericida deste processo fotocatalítico. Outros trabalhos utilizando-se a fotocatálise heterogênea para a inativação de microrganismos foram realizados, porém não existe a possibilidade de comparar dados com estes trabalhos, visto que a concepção dos reatores utilizados foram diferentes do reator proposto. MATSUNAGA et al. (1988) desenvolveram um sistema fotocatalítico contínuo fixando-se o TiO 2 em membrana para esterilização de E. coli. Os autores obtiveram uma inativação de 99% de E. Coli a uma concentração de 10 2 células por mililitro com um tempo de contato de 16 minutos. Embora este sistema tenha sido eficaz a esta concentração, foi observado que depois de 30 minutos de contato trabalhando com uma concentração mais elevada (10 5 células por mililitro) o sistema conseguiu apenas 16% de inativação. IRELAND et al. (1993) realizaram experimento, no qual o TiO 2 na forma anatase num reator em fluxo laminar, foi radiado por luz solar, usando E. Coli em água declorada como parâmetro de controle e obteve uma rápida inativação das células. WATTS et al. (1995) estudaram o possível uso do dióxido de titânio para a desinfecção de bactérias e vírus em efluentes de estações de tratamento de efluentes, usando a luz solar e luz solar simulada (F40 BL). Os autores concluíram que foi necessário um tempo de 150 minutos para atingir uma inativação de duas unidades logarítmicas de coliformes (100 vezes) sob condições de luz solar simulada, enquanto que a inativação de polivírus foi realizada em 30 minutos. Os autores concluíram ainda que embora a fotocatálise com dióxido de titânio sob luz solar seja um mecanismo efetivo para a inativação de bactérias, este processo não apresenta tanta praticidade quando comparada com a cloração ou ozonização, devido aos longos tempos de contato necessários (acima de 150 minutos). LI, et al. (1996) realizaram experimentos de desinfecção de esgoto usando um reator cilíndrico de 1,1 L de capacidade, com uma luz negra de 20W (comprimento de onda de 350nm) colocada no centro do reator. Os efluentes, após a adição de TiO 2, foram irradiados sob aeração a vários tempos de retenção. O número de coliformes e bactérias declinaram de 35000/100ml para 59/100ml após 60 minutos de tratamento. BEKBOLET (1997) propôs um método alternativo para a desinfecção de águas capaz de eliminar subprodutos da desinfecção utilizando dióxido de titânio em suspensão com a cultura de E. Coli, usando a irradiação de uma lâmpada BLF (λ = 360 nm). As condições otimizadas pelo autor foram as seguintes: - 1 mg/l de concentração do fotocatalisador; - iluminação durante 60 minutos a uma intensidade de 67,9 µeinstein/ s.cm 2 ; - a concentração inicial de 10 3 UFC/ml foi a concentração mais representativa 8 ABES Trabalhos Técnicos

9 LEE, et al. (1997) investigaram a inativação fotocatalítica de vírus utilizando um reator com leito imobilizado, aderindo o dióxido de titânio a uma superfície e comparou com o processo utilizando o dióxido de titânio em suspensão, ele irradiou os sistemas com luz negra (faixa de nm) e com outra lâmpada de 254 nm. Os autores obtiveram uma redução de ordem de 2,2 log com dióxido de titânio imobilizado num período de 60 minutos, usando luz negra, a uma intensidade de 3,6*10-3 W/cm 2. Não foi observada diferença de inativação com a presença e sem a presença de TiO 2 para lâmpada germicida (254 nm). Conforme pode-se verificar, pela literatura citada, várias concepções de reatores foram testados. O processo fotocatalítico apresenta um potencial de uso em conjunto com a radiação solar sendo um processo alternativo para desinfecção de águas que carece de maior investigação. São escassas as publicações e a concepção de reator solar aqui sugerida é inovadora, consequentemente há muito a investigar neste campo de estudo para aproveitar este processo oxidativo na desinfecção de águas em regiões tropicais. O reator proposto neste trabalho teve eficiência excelente na faixa de até uma centena de NMP/ 100 ml de E. coli, com a amostra de água sintética (água teste), diminuindo ao se aumentar a concentração inicial de E. coli. Existe grande dificuldade em repetir ensaios, pois as temperaturas e as radiações medidas em cada experimento variam. A medida da intensidade da radiação UV depende das condições climáticas, como passagem de nuvens, grau de insolação, ângulo do reator em relação ao sol e hora da realização do ensaio. CONCLUSÕES O sistema para desinfecção proposto se mostrou eficiente para o processo com recirculação da água, utilizando-se água sintética com características de baixa turbidez. Observou-se esta eficiência trabalhando-se com águas com menores teores de cor e turbidez. Os ensaios foram executados no inverno de Devido a seca prolongada possibilitou-se a execução dos ensaios sem muita interferência de fatores ambientais e os níveis de radiação medidos em diversos horários ficaram na faixa de 1,0 a 2,0 mw/ cm 2. Observa-se que os níveis de radiação medidos no verão chegama a atingir valores em torno de 3,0 a 4,0 mw/ cm 2. A eficiência do reator ficou restrita trabalhando-se numa uma faixa de valores de até três centenas de unidades de NMP/ 100 ml. Testes com valores iniciais em torno de 10 3 foram realizados sem sucesso. É importante ressaltar que a área de 0,505 m 2 é pequena, não permitindo um tempo suficiente de exposição da amostra à radiação. Seria interessante confeccionar um reator com uma relação maior comprimento/largura o que obteria assim um maior tempo de retenção da amostra na placa com o fotocatalisador, propiciando um melhor desempenho no processo de desinfecção. AGRADECIMENTOS FINEP REDE PROSAB - EDITAL 2 - TEMA 1 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. APHA Standard Methods for the Examination of water and wastewater. (1995) 2. BEKBÖLET, M. Photocatalytic bacterial activity of TiO 2 in aqueous suspensions of E. coli. Wat. Sci. Tech.; vol. 35.; N.11-12; p FOX, M. A ; DULLAY, M.T. Chem. Review. n.93, p.341, HOFFMAN, M.R.;CHOI,W.,BAHNEMANN,D.W. Environmental Applications of Semicondutor Photocatalysis, Chem.Rew, n.95, p HUANG,C.P.; DONG,C. E TANG,Z. Adavanced Chemical Oxidation: Its Present Role and Potencial Future in Hazardous Waste Treatment. Waste Manage, v.13, p , IRELAND, J. C., et al. Inativation of escherichia coli by titanium dioxide by photocatalytic inactivation. Appl. Environ. Microbiol. vol 59 (5), p LEE, K. S., et al., Photocatalytic inactivation of phage QB by immobilized titanium dioxide photocatalist. Wat. Sci. Tech.; vol. 35.; N.11-12; p ABES Trabalhos Técnicos 9

10 8. LI, X.Z., et al., Disinfection of municipal wastewater by sensitized photooxidation. Wat. Sci. Tech.; vol. 33.; N.3; p MATSUNAGA, T. et al. Continuous sterilization system that uses photosemiconductor powders. Appl. Envirn. Microbiol. vol 54, p NOGUEIRA, R.F.P.; JARDIM, W.F. Fotocatálise Heterogênea e sua Aplicação Ambiental. Química Nova, 21 ( 1), 69, SUMADA,K.; KIKUCHI,Y.;HASHIMOTO,K.;FUJISHIMA, A ; Bactericidal and Detoxification Effects of TiO 2 Thin Film Photocatalysts. Environmental Science & Technology. v.32, p.726, WATTS,R.J.; KONG, S.; ORR.M.; MILLER, G. E HENRY,B.; Photocatalytic Inactivation of Coliform Bacteria and Viruses in Secondary Waterwater Effluent. Water Research, v. 29,p ABES Trabalhos Técnicos