Título do trabalho: Estudo da ozonização de soluções de um corante reativo Subtítulo: Efeito da Radiação UV

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Título do trabalho: Estudo da ozonização de soluções de um corante reativo Subtítulo: Efeito da Radiação UV Projeto FEUP 2013 Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente: Armando Sousa Célia Marques Equipa 3A: Supervisor: José Melo Órfão Monitor: Isabel Sofia Lourenço Estudantes & Autores: Ana Sofia Lapa Carla Fonseca Inês Fernandes Telmo Pereira Tiago Matos Yana Neves

2 Sumário O presente trabalho insere-se no âmbito da unidade curricular de Projeto FEUP do 1º ano do Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. O nosso estudo consistiu em analisar os aspetos significativos relativos à ozonização na presença de radiação UV no tratamento de um efluente. Este estudo requereu uma atividade laboratorial onde se precedeu à análise de uma amostra submetida ao procedimento acima referido. Posteriormente foram analisados os parâmetros: ph, cor, TOC, fundamentais para a eficácia das práticas em questão. Com a elaboração dos gráficos conclui-se que a cor obtida do corante após a exposição ao ozono e à radiação foi diminuindo ate ficar incolor aos cincos minutos. O grau de mineralização foi controlado pela medição do TOC, pelo que obteve-se ao fim de 120 minutos uma percentagem de remoção de 76,8%.A nível de ph concluímos que após o tratamento o ph baixou, o valor inicial era de 5,51 e no final foi de 3,24 devido à formação de ácidos orgânicos e inorgânicos, por exemplo CO 2.Neste processo podemos concluir a viabilidade do método em questão e adotar o procedimento no tratamento de efluentes. Página 2 de 17

3 Índice Sumário pág.2 Introdução..pág.4 Método experimental pág.7 Resultados e discussão de resultados.pág.9 Conclusão.pág.13 Bibliografias/Referências bibliográficas.pág.14 Anexos pág.15 Página 3 de 17

4 Introdução No âmbito de Projeto FEUP o tema que nos foi atribuído foi o Tratamento de Efluentes por ozonização com o efeito da aplicação da radiação UV. Neste contexto, é necessário perceber o processo de ozonização e as características da molécula de ozono (O 3 ), que é fundamental para o tratamento de águas domésticas e industriais, e que todo o mecanismo evoluirá mais rapidamente pela aplicação da radiação ultravioleta. O ozono é uma molécula constituída por três átomos de oxigénio a partir de moléculas de oxigénio quebradas por ação da radiação UV. É altamente reativa e instável e tem carácter oxidante. O caráter oxidante do ozono permite-lhe interagir com grandes grupos orgânicos originando subprodutos de menor peso molecular que são mais fáceis de biodegradar. A sua presença remove substâncias responsáveis pela cor, gosto e cheiro. Uma estação de tratamento de águas residuais (ETAR) destina-se ao tratamento de águas domésticas ou industriais para posteriormente serem devolvidas ao nosso meio ambiente com um nível de poluição aceitável. As fases do tratamento dos efluentes efetuadas numa ETAR são: 1. Tratamento Preliminar: Nesta primeira fase as águas residuais são submetidas à remoção de sólidos de grandes dimensões preparando assim o efluente para as fases seguintes. A fase anteriormente descrita é designada por gradagem. 2. Tratamento Primário: Esta fase de tratamento é mais física pois é quando ocorre a sedimentação de partículas que se encontram no efluente. Por vezes recorre-se à floculação para se obter aglomerados de matéria poluente de maiores dimensões, facilitando a decantação. Página 4 de 17

5 3. Tratamento Secundário: Este tratamento ocorre em reatores biológicos onde a matéria poluente vai ser degradada por microrganismos aeróbios, visto que estes organismos necessitam de oxigénio é preciso recorrer a um arejamento adequado do reator. 4. Tratamento Terciário: Por último terá de se efetuar uma desinfeção do efluente e/ou remoção de nutrientes. A última fase anteriormente enumerada é utilizada para remover bactérias patogénicas que ainda se encontram no efluente. Um dos processos de desinfeção é o tratamento por ozonização e radiação ultravioleta. Durante a ozonização ocorrem reações de oxidação em que ocorre variação na temperatura e ph. É importante que no processo haja um sistema de refrigeração para desfavorecer a regeneração de moléculas de oxigénio permitindo deste modo a acção de ozono. A radiação ultravioleta (UV) tem um comprimento de onda compreendido entre nm, menor qua a luz visível (400 nm-700 nm), pelo que é mais energética. Esta radiação é um tratamento muito eficaz pois penetra a parede celular dos microrganismos e é absorvida pelos ácidos nucleicos e pelas proteínas destruindo-as. [1] A ozonização é um processo onde ocorre a transformação de compostos orgânicos em inorgânicos, neste estudo, ocorre a oxidação de um corante orgânico, CI Reactive Blue 5 (Cibacron Blue BR), em matéria inorgânica. Esta reação ocorre segundo as seguintes equações: Página 5 de 17

6 Img 1: Esquema do Reator de Ozonização (adaptado de Faria PCC et al) [2] O esquema acima ilustra o reator de ozonização utilizado no estudo, o ozono (O 3 ) e produzido a partir de oxigénio (O 2 ) pelo gerador de ozono que depois entra no reator e entra em contacto com a solução. Este reator contém uma lâmpada UV com um sistema de refrigeração para que a solução não haja alterações de temperatura. Página 6 de 17

7 Método Experimental Inicialmente, efetuou-se a preparação de soluções com concentrações conhecidas a partir de uma solução mãe do CI Reactive Blue 5 (Cibacron Blue BR) com concentração de 100 mg/l. Diluição n.º Tabela 1 Cálculo dos volumes iniciais para preparação de diluições Concentração Inicial (mg/l) Volume Inicial (ml) Concentração Final (mg/l) Volume Final (ml) O cálculo efetuado para determinar o volume inicial das diluições foi o seguinte (exemplo para a diluição nº1): O cálculo dos volumes iniciais para as outras 3 diluições é análogo. A diluição anteriormente descrita consistiu em retirar 5 ml da solução mãe para um balão volumétrico de 50 ml e o restante volume foi preenchido com água desionizada, obtendo-se assim uma concentração de 10 mg/l. O procedimento experimental seguido para as restantes diluições é idêntico ao anteriormente descrito. Guardou-se as soluções obtidas no frio, embrulhadas em papel de prata para que estas não fossem oxidadas. Posteriormente efetuou-se a leitura dos padrões realizados no espectrofotómetro para se obter a reta de calibração. Página 7 de 17

8 De modo a analisar o efeito do ozono e da radiação UV na solução a tratar colocou-se a solução mãe no reator. Em intervalos de tempo determinados retiraram-se várias amostras que posteriormente foram lidas no espectrofotómetro indicando deste modo as absorvâncias. Em simultâneo foram retiradas amostras para a leitura do TOC (teor de carbono orgânico). Com essas leituras foram efetuados gráficos, os quais vão ser analisados e comparados com os gráficos de referência (ozonização sem UV) na discussão de resultados. Página 8 de 17

9 Concentração (mg/l) Estudo da ozonização de soluções de um corante reativo Registo e discussão dos resultados No fim do processo experimental e após todas as medições obtivemos os gráficos 1, 2 e 3 que nos indicam a concentração, o TOC e a percentagem de remoção de TOC, respetivamente. Podemos observar que, quando comparada com a referência, a variação da concentração do corante orgânico ao longo de todo o processo é praticamente coincidente. O TOC nos primeiros 15 minutos mantem-se idêntico ao da referência começando a ficar significativamente menor no restante tempo, a percentagem de remoção de TOC, embora idêntico na primeira medição, é bastante mais elevada nas restantes. Tabela 2: Curva de calibração Concentração ABS1 ABS2 ABS (mg/l) ,7146 0,7129 0, ,537 0,5376 0, ,3537 0,3538 0, ,1447 0,1455 0, ,0706 0,0719 0,07125 Curva de Calibração y = 140,12x - 0,0292 R² = conc. Linear (conc.) ,2 0,4 0,6 0,8 Absorvancia Gráfico 1: Curva de calibração Página 9 de 17

10 Para a curva de calibração foram medidas as absorvâncias das soluções preparadas e desta obtivemos a equação da reta de calibração que nos permitiu calcular a concentração do corante. Variação da concentração do corante Tabela 3: Variação da concentração de carbono. Tempo ABS1 ABS2 ABS Concentração C/C 0 (min) (mg/l) 0 0,7136 0,7129 0, , ,3226 0,3242 0, , , ,0617 0,0628 0, , , ,0013 0,0014 0, , , ,001 0,0011 0, , ,00118 C/C 0 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2 C/C0 (0-15min) Tempo (min) Com radiação UV Sem radiação UV Gráfico 2: Concentração de corante. Página 10 de 17

11 %Remoção de TOC Estudo da ozonização de soluções de um corante reativo Com a análise deste gráfico podemos verificar que, mesmo com a aplicação da radiação UV, a remoção da cor deu-se praticamente ao mesmo tempo que no ensaio de referência, ou seja, a utilização da luz UV não influenciou a velocidade de remoção de cor, pois é o ozono que ataca o grupo cromóforo, reação que se deu tanto nos estudos com presença de UV e ausência de UV. Figura 1: Molécula de Cibacron Blue BR Tabela 4: TOC e percentagem de remoção de TOC Tempo TOC/TOC 0 % Remoção do TOC (min) ,809 19,1 60 0,409 59, ,232 76, %Remoção de TOC Tempo (min) Gráfico 3: Percentagem de remoção de TOC. Com radiação UV Sem radiação UV Página 11 de 17

12 O teor de carbono orgânico obtido foi bastante inferior ao do ensaio de referência nas medições de 60 e 120 minutos, com uma diferença aproximada de 0,25 e 0,4 respetivamente, pelo que podemos concluir que a radiação UV influencia a remoção de matéria orgânica. Isto acontece pois, como foi explicado anteriormente, a radiação utilizada é muito energética. O ph final (ph=3,24) foi mais baixo do que o inicial (ph=5,51) devido à formação de ácidos orgânicos e inorgânicos, por exemplo CO 2. Página 12 de 17

13 Conclusão Podemos concluir que a degradação de um corante orgânico através de ozonização e radiação ultravioleta (UV) foi finalizado com um elevado grau de concretização, obtendo-se os resultados esperados e com boa qualidade. Em comparação com o ensaio de referência dado (ozonização sem efeito UV) obtivemos melhores resultados a nível de remoção de TOC, concluindo assim que a radiação UV influencia positivamente a ozonização, na medida em que com a aplicação desta radiação o processo evoluirá mais eficazmente, removendo mais TOC, 76,8% em comparação com 26,4%, à medida que a concentração do corante evoluía no mesmo sentido em tempos semelhantes. Toda a experiência foi realizada com elevado rigor e cuidado tendo em atenção o manuseamento dos materiais e das técnicas utilizadas. Ao longo do trabalho foram sentidas algumas dificuldades, quer ao nível do manuseamento dos materiais, quer ao nível do procedimento experimental sendo elas superadas através do empenho e entreajuda de todos e também com uma grande dedicação. Página 13 de 17

14 Referências bibliográficas/ Bibliografia [1] [2] Faria, P.C.C; Órfão, J.J.M; Pereira, M.F.R; Applied Catalysis B: Environmental, 2009, pag.343, fig Página 14 de 17

15 Anexos Tabelas e gráficos Anexo 1: Tabela 5: Teor de carbono orgânico (valores de referência) Tempo Abs 1 Abs 2 Abs C(ppm) C/C 0 (min) 0 0,7171 0,7185 0, , ,2705 0,2708 0, , , ,021 0,023 0,022 3, , ,0042 0,0045 0, , , ,003 0,0035 0, , , ,001 0,0005 0, , ,0036 0,0058 0,0047 1, , ,0078 0,0073 0, , , ,0084 0,0084 0,0084 1, ,017 Página 15 de 17

16 Anexo 2: Tabela 6: TOC e percentagem de variação do TOC (valores de referência) Tempo (min) TOC TOC/TOC0 %Remoção de TOC 0 20, ,42 0, , , , ,97 0, ,40118 Página 16 de 17

17 Anexo 3: Tabela 7: Valores de ph (valores de referência) ph inicial 5,717 ph final 3,096 Página 17 de 17