Tratamento de efluentes por ozonização

Transcrição

1 Tratamento de efluentes por ozonização (Com presença de catalisador de óxido de cério) Catarina Castro David Torres Maria Beatriz Carneiro Pedro Silva Tiago Novais

2 Agradecimentos A nossa equipa de Projeto FEUP gostaria de agradecer ao professor José Melo Orfão por ter proposto este tema muito apelativo e instrutivo. Às monitoras Ana Silva e Sofia Lourenço, por nos terem ajudado incondicionalmente na elaboração do relatório e no trabalho laboratorial. Por fim agradecemos à Dra. Carla Orge e à Engenheira Liliana Santos, por nos terem disponibilizado o seu tempo e proporcionado um ambiente laboratorial favorável à nossa aprendizagem. Page 2 of 15

3 Sumário Neste trabalho, estudou-se a ozonização de soluções aquosas de um corante reativo na presença de óxido de cério como catalisador. Os corantes reativos constituem a classe mais importante de corantes para o tingimento de fibras celulósicas, de algodão ou poliamidas contendo na sua estrutura química um grupo cromóforo, responsável pela cor do tingimento. Para que haja a descoloração é, então, necessária a destruição desse mesmo grupo. Para esse estudo utilizou-se um sistema, que consistia num sistema gerador de ozono e num tanque de reação, e um espectrofotómetro, permitindo um acompanhamento das reações (remoção de cor e cinética de reação). Além disso monitorizou-se a remoção da matéria orgânica através de análises ao carbono orgânico total (TOC). Page 3 of 15

4 Índice Introdução... 6 Método experimental... 8 Resultados/ discussão resultados... 9 Conclusão Referências bibliográficas Page 4 of 15

5 Índice de Figuras Figura 1 - Variação da cor das amostras retiradas do reator ao longo do tempo Figura 2 - Variação de absorvância com a concentração Figura 3 - Variação da razão entre as concentrações finais e iniciais ao longo do tempo Figura 4 - Variação da cor da solução ao longo da reação Figura 5 - Percentagem de remoção do TOC ao longo do tempo Índice de Tabelas Tabela 1 - Variação da Absorvância com a concentração Tabela 2 - Variação da absorvância, concentração e razão entre concentrações finais e iniciais ao longo do tempo Tabela 3 - Variação do TOC e percentagem de remoção do mesmo ao longo do tempo Tabela 4 ph inicial e final da reação Page 5 of 15

6 Introdução Ultimamente, a sociedade tem adquirido uma consciência para com os problemas ambientais e para com os seus efeitos na qualidade de vida da humanidade, nomeadamente a qualidade da água, recurso indispensável à vida do planeta. Os rios, mares, lagoas, lagos e outros cursos de água podem ser contaminados de variadas maneiras, pela acumulação de lixos, esgotos, resíduos tóxicos de fábricas, pesticidas utilizados na agricultura e muitas outras. Os efluentes são, desta forma, extremamente afetados. Devido á sua grande importância para a vida humana, têm de ser tratados, de forma a poderem ser novamente utilizados. É importante destacar que o tratamento destes pode variar muito dependendo da sua origem e do corpo de água que o irá receber. Estas águas contêm inúmeros compostos orgânicos não biodegradáveis, substâncias químicas altamente perigosas e prejudiciais para o ambiente. Um dos componentes químicos usados na purificação dos efluentes é o ozono num processo denominado ozonização. Este tratamento tem vindo a ser aumentado e demonstrado como um dos mais eficientes para o tratamento de águas. Dentre as várias motivações do uso do ozono neste tipo de aplicação destacam-se o facto de ser um forte oxidante, ser comercialmente disponível e não ser uma fonte intrínseca de poluição, ao contrário do que acontece com outros oxidantes. Assim, ele é cada vez mais usado no tratamento de efluentes devido à sua elevada capacidade de oxidar as substâncias patogénicas, eliminar sulfuretos e precipitar metais pesados, o que permite que estas águas sejam recicladas. Por outro lado, este gás é indispensável para as atividades biológicas aeróbias dos ecossistemas aquáticos. Page 6 of 15

7 O ozono utilizado para este processo, sendo instável e originado quando moléculas de oxigénio são dissociadas em átomos e combinados com novas moléculas de O2,torna, portanto, fundamental a existência de um gerador que transforme o oxigénio em ozono. As reações de degradação de compostos orgânicos e inorgânicos ocorridos durante a ozonização podem dar-se tanto diretamente, pela molécula de ozono, como indiretamente, através de radicais hidroxilo (OH ),originados na presença do catalisador(óxido de cério). A sua capacidade de oxidação permite, então, tratar efluentes de tal forma e com tal grau de pureza que se conseguem reciclar estas águas de forma a voltar ao processo industrial. O ozono não é um aditivo, portanto não permanece; depois de realizar o seu trabalho, ele decompõe-se rapidamente, sem deixar qualquer resíduo indesejável. Tendo em conta todos estes fatores, realizamos uma experiência em que colocamos uma solução aquosa de um corante, Reactive Blue 5, num reator de ozonização e fomos observando a alteração que ia sofrendo ao longo do tempo. De salientar que foi usado um catalisador (Óxido de Cério) com o intuito de acelerar a reação química. Page 7 of 15

8 Método experimental 1. Pesaram-se 100 mg de corante azul reativo; 2. Colocou-se o corante pesado num balão volumétrico de 1L e perfez-se com água destilada; 3. Homogeneizou-se a solução; 4. Mediram-se 700mL da mesma solução com a ajuda de uma proveta graduada para colocar no reator; 5. Prepararam-se os frascos para a análise do TOC e do espectrofotómetro e fez-se a respetiva rotulagem; 6. Verteu-se uma porção da solução para um frasco para medição do ph; 7. Colocou-se a solução no reator com a ajuda de um funil; 8. Adicionou-se 0.350g gramas de óxido de cério à solução; 8. Fechou-se o reator; 9. Ao longo do tempo, com a ajuda de seringas, foram sendo retiradas do reator amostras de cerca de 7mL para análise do TOC (0,15,60 e 120 minutos) e de cerca de 7mL para análise no espectrofotómetro (0,2,5,10,15,30,60,90 e 120 minutos); 10. Mediram-se as várias amostras no espectrofotómetro; 11. Mediu-se o ph da solução final. Figura 1 - Variação da cor das amostras retiradas do reator ao longo do tempo. Page 8 of 15

9 Resultados/ discussão resultados Para a determinação da absorvância das várias amostras foi necessário calibrar o espectrofotómetro para o comprimento de onda onde o corante absorvia mais radiação (597nm). Tabela 1 - Variação da Absorvância com a concentração. C (ppm) Absorvância 10 0, , , , ,7259 Figura 2 - Variação da absorvância com a concentração. Page 9 of 15

10 Com os dados obtidos e a sua organização num gráfico podemos concluir que a concentração e absorvância são grandezas diretamente proporcionais e que o valor da concentração pode ser obtido através da seguinte expressão: C(x) =139,1658x, em que o x é o valor da absorvância registado. Esta proporcionalidade é facilmente explicada pelo facto do aumento da concentração de corante presente, acentuar a intensidade da coloração da água, diminuindo a intensidade de luz que por ela passa (aumento da absorvância). Tabela 2 - Variação da absorvância, concentração e razão entre concentrações ao longo do tempo e inicial. t (min) Abs C (ppm) C/C0 0 0, , , ,55 0,86 5 0, ,78 0, , ,83 0, , ,64 0, , ,17 0, , ,58 0, , ,22 0, ,0018 0,24 0,0024 Page 10 of 15

11 Figura 3 - Variação da razão entre as concentração normalizada pela inicial ao longo do tempo. Os valores anteriormente referidos e o respetivo gráfico elucidam a diminuição da concentração de Reactive Blue na solução aquosa ao longo dos 120 minutos de reação aquando da presença ou não de catalisador. Nos primeiros 15 minutos, a concentração de Reactive Blue diminuiu de forma bastante acentuada, tanto com catalisador (Óxido de Cério) como sem catalisador. Após os 15 minutos iniciais e até aos 120 minutos a reação ocorreu de forma mais lenta. Tal aconteceu devido ao facto de no final existir menor quantidade do corante a reagir do que no início. O excesso de ozono foi encaminhado para um frasco de solução KI fora do reator, onde ao reagir se transformou novamente em O 2. Por outro lado, durante a execução da atividade laboratorial, constatou-se que os valores de absorbância obtidos estavam a diminuir mais lentamente que o esperado. Fez-se, então, uma centrifugação para se perceber o que levava a estes resultados. Concluímos que os erros se deviam ao facto de as soluções analisadas no espetrofotómetro conterem partículas do catalisador, sendo que este deveria ter sido retido no filtro. Page 11 of 15

12 Outro aspeto aferido durante a experiência foi que a água no interior do reator nunca apresentou uma tonalidade totalmente transparente. Tal deveu-se à presença do Óxido de Cério na solução que atribuiu uma ligeira cor amarelada. Figura 4 Variação da cor da solução ao longo da reação. Tabela 3 - Variação do TOC e percentagem de remoção do mesmo ao longo do tempo. t TOC/TOC0 %remoção de TOC ,90 10,4 60 0,63 37, ,31 69,3 Page 12 of 15

13 Figura 5 - Percentagem de remoção do TOC ao longo do tempo. Com os dados obtidos, podemos confirmar o elevadíssimo poder oxidante do ozono, que ao reagir com a matéria orgânica foi reduzindo drasticamente a sua concentração na solução. Verificou-se, também, que na presença de catalisador a percentagem de remoção de matéria orgânica foi bastante superior até ao final da atividade laboratorial em comparação com o mesmo parâmetro na ausência de catalisador. Tabela 4 ph inicial e final da reação ph inicial 5,75 ph final 3,11 Verificou-se que depois da ozonização a solução se tornou ainda mais ácida devido á mineralização, ou seja, á diminuição de matéria orgânica. Page 13 of 15

14 Conclusão Nas condições estudadas pode-se verificar que relativamente à concentração de corante, o Óxido de Cério não provoca alteração na velocidade de reação em relação à ausência do mesmo, visto que apenas o Ozono é suficiente para provocar a quebra das moléculas de corante. No entanto, em relação ao TOC presente na nossa solução, a utilização do catalisador acelera a reação de oxidação de matéria orgânica aproximadamente para o dobro, sendo que, ao fim de 120 minutos a percentagem de remoção de TOC na ausência de catalisador foi de 33,3% e na presença de catalisador de 69,3%. Como as moléculas orgânicas resultantes da conversão do corante são difíceis de oxidar, o ozono apresenta maior dificuldade em degradá-las. Neste caso, é proveitoso a utilização do Óxido de Cério pois este vai reduzir a energia necessária para quebrar as ligações entre as moléculas de matéria orgânica, facilitando a sua mineralização. Em relação ao valor do ph ocorre uma notória acidificação da solução. Isto deve-se ao facto da ocorrência da mineralização da matéria orgânica, que origina a formação de espécies ácidas tendo o ph da nossa solução diminuído de 5,75 para 3,11. Page 14 of 15

15 Referências bibliográficas Infoescola, acedido a 24/10/2013 Bvsde, acedido a 25/10/2013 Bvsde, acedido a 26/10/2013 Bvsde, acedido a 27/10/2013 Page 15 of 15