Processos Oxidativos Avançados POAs

Transcrição

1 Universidade Federal de Juiz de Fora Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Química Analítica Ambiental Processos Oxidativos Avançados POAs Alunas: Isabella Flores Juliana Vicini Florentino Raïssa Teixeira Professor: Rafael Arromba de Sousa 2º Semestre de 2015

2 INTRODUÇÃO Falta de consciência ambiental Ignorância em relação ao uso de vários compostos POLUIÇÃO AMBIENTAL Grande problema mundial Mau uso dos recursos naturais Legislação ineficiente TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

3 INTRODUÇÃO...TENDÊNCIA DE MUDANÇA! Desenvolvimento de novas tecnologias de tratamento; Mudança na legislação; Programas educativos; Conscientização (industrial tratamento de efluentes industriais tóxicos populacional). D.F.,Pelizzetti, E., Serpone, N. Heterogeneous photocatalysis in the environment: application to water purification in Photocatalysis Fundamentals and Applications. Serpone N. and Pelizzetti E. (eds.), Wiley, New York, pp , Ruoucco, J.Jr., Aiba, C.J., Hokama, P.C., Pires, J.M., Mendes, C.A, Identificação de Poluentes Orgânicos. Ambiente, v.3,n.1, p , 1987

4 INTRODUÇÃO REMOÇÃO DE POLUENTES ORGÂNICOS GRANDE DESAFIO TECNOLÓGICO POP Poluentes Orgânicos Persistentes Pesticidas:(DDT, Aldrin, Clordano, Dieldrin, Endrin, Heptacloro, Mirex, Toxafeno) produtos industriais cuja dispersão ambiental foi não intencional; Bifenilas policloradas (PCB s): 209 formas possíveis Hexaclorobenzeno: emitido durante a incineração de materiais contendo cloro subprodutos de vários tipos de manufaturas ou processos de combustão DUARTE, Maria A.I., Poluentes Orgânicos Persistentes. Rio de Janeiro, (Monografia em Gestão Ambiental, Escola Politécnica, UFRJ) Oppelt, E. T., Harzardous waste destruction thermal techiniques will be increasingly used as legal restrictions on land disposal take effect. Enviro. Sci. Technol., v.20, n.4, p , 1986

5 INTRODUÇÃO Figura 1: Atentado contra o candidato a presidência da Ucrânia, 2004

6 INTRODUÇÃO TECNOLOGIAS CONVENCIONAIS PARA TRATAMENTO DE ÁGUA E EFLUENTES INDUSTRIAIS Métodos envolvendo transferência de fase Contaminante não é de fato destruído Disposição final da nova fase torna-se um problema Métodos oxidativos convencionais: Incineração: possibilita a formação de compostos mais tóxicos Tratamento biológico: grande quantidade de biomassa gerada, oxidação lenta Cloro: Formação de trihalometanos (THM) Processos Oxidativos avançados e Desinfecção. Prof Dr José Roberto Guimarães TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

7 INTRODUÇÃO POA s Processos oxidativos avançados Contaminantes orgânicos CO 2, H 2 O, ânions orgânicos Espécies oxidantes, principalmente. OH Processos Oxidativos avançados e Desinfecção. Prof Dr José Roberto Guimarães Gálvez, J.B.,Rodríguez, S. M., Gasca, C.A.E., Bandala, E.R.,Gelover, S.; Leal, T.,Purificación de águas por fotocatálisis heterogénea: estado del arte. In: CYTED. Eliminación de Contaminantes por Fotocatálisis Heterogénea,2001.

8 Processos Oxidativos Avançados 1973 Usada a terminologia Tecnologia para Oxidações Avançadas 1998 USEPA publicou o Handbook of Advanced Oxidation Processes 2001/2003 EPOA Encontro sobre aplicações ambientais de Processos Oxidativos Avançados Domènech, X., Jardim, W.F.; Litter, M.I., Procesos Avanzados de oxidación para la eliminación de contaminantes. In: CYTED. Eliminación de Contaminantes por Fotocatálisis Heterogénea,2001.

9 Radical Hidroxila Potencial redox maior que o potencial de outros agentes oxidantes (2,73 V) Cineticamente mais favorável Fenol + OH v ~10 10 Fenol + O 3 v ~10 3 OH Não seletivos Dependendo da estrutura do contaminante orgânico, pode haver diversas reações Processos Oxidativos avançados e Desinfecção. Prof Dr José Roberto Guimarães NOGUEIRA, Raquel F. P. et al, Fundamentos e Aplicações Ambientais dos processos fenton e foto-fenton.química Nova, vol 30 nº2 - São Paulo. Mar/Abr 2007

10 Radical Hidroxila Abstração do hidrogênio RH + OH R + H2O R + O2 RO2 Adição eletrofílica NOGUEIRA, Raquel F. P. et al, Fundamentos e Aplicações Ambientais dos processos fenton e foto-fenton.química Nova, vol 30 nº2 - São Paulo. Mar/Abr 2007

11

12 Processos Oxidativos avançados e Desinfecção. Prof Dr José Roberto Guimarães TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

13 Processos Oxidativos Avançados Sistemas Homogêneos Sistemas Heterogêneos Fotólise direta com UV O3/UV H2O2/UV Com irradiação Sem irradiação Foto - Fenton TiO2/O2/UV TiO2/H2O2/UV Electro - Fenton TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

14 Processos Homogêneos Ocorrem na ausência de catalisadores sólidos; Degradação do poluente orgânico: Fotólise direta com ultravioleta (UV) Geração de radical hidroxila TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

15 Processos Homogêneos Tabela 1: Sistemas típicos dos processo oxidativos avançados homogêneos Com irradiação Sem irradiação O 3 /UV O 3 /H 2 O 2 H 2 O 2 /UV O 3 /OH - Feixe de Elétrons H 2 O 2 /Fe +2 (FENTON) US - H 2 O 2 /US - UV/US - TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

16 Processos Homogêneos Mecanismos de formação de radicais OH - espécies reativas na degradação fotocatalítica. Altamente oxidantes Vida curta Oxida inúmeros compostos orgânicos CO 2, H 2 O e sais inorgânicos Chamarro, E. et al. Treinamiento de aguas y aguas residuales mediante utilizacíon de oxidacíon avanzada. Química & Industria, n.1/2, p , Mattews, R.W. Hydroxylation reactions induced by near-ultraviolet photolysis of aqueous titanium dioxide suspenseios. J. Chem. Soc. Faraday Tran1, v.80, p , 1984.

17 Processos Homogêneos 1) H 2 O 2 - poderoso oxidante: 1,8V; - Aplicações: Branqueamento de papel; Indústria têxtil; Produção de água potável; Manufatura de alimentos; Indústria petroquímica, eletrônica; Remediação de solos contaminados; Tratamento de efluentes. TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

18 Processos Homogêneos 1.1) H 2 O 2 /UV - aumenta a produção de radicais hidroxila. hʋ H 2 O 2 2 OH 2 OH H 2 O 2 Huang, C.P. et al. Advanced chemical oxidation: its present role and potential future in hazardous waste treatment. Waste Manage, v.13, p , Legrini, O. et al. Photochemical processes for water treatmente. Chem. Ver., v.93, n.2, p , 1993.

19 Processos Homogêneos 1.2) H 2 O 2 / Fe +2 (Fenton) - catalisada por Fe +2 em meio ácido; Fe +2 + H 2 O 2 Fe +3 + OH + OH - - depende fortemente do ph; - Aplicações: Degradação de efluentes; Oxidação de resíduos de lixiviação de aterro; Degradação de corantes; Aumento da biodegradabilidade do contaminante. Kang, Y.W.; Hwang, K. Effects of reaction conditions on the oxidation efficiency in the Fenton process. Wat. Res, v.34, n,10, p ,2000 Kwon, B.G. et al. Characteristics of p-chlorophenol oxidation by Fenton s reagent. Wat. Res, v.33, n.9, p , 1999.

20 Processos Homogêneos 1.3) H 2 O 2 / Fe +2 / UV (Foto - Fenton) Maior eficiência de degradação; Degradação de filmes de raio-x; Descoloração de corantes. Deng, N. et al. Discoloration of aqueous reactive dye solutions in the UV/Fe 0 system. Wat. Res., v.34, n.8, p , Stalikas, C.D. et al. Degradation of medical x-ray film developing wastewaters by advanced oxidation processes. Wat. Res., v.35, n.16, p , 2001.

21 2) Ozônio Processos Homogêneos - E o = 2,08V; - Aplicações: Degradação de vários poluentes; Indústria de celulose; Remoção de ferro e manganês ao nível traço; Inativação de bactérias; Degradação de efluentes agrícolas. Facile, N. et al. Evaluating bacterial aerobic spores as a surrogate for giardia and cryptosporidium inactivation by ozone. Wat. Res., v.34, n.12, p , 2000 Kang, J. et al. Effect of azonation for treatment of micropollutants present in drinking water source. Wat. Sci. Tech., v.36, n.12, p , Nieminski, E.; Evans, D. Pilot testing of trace metals removal with ozone ate snowbird ski resort. Ozone Sci. Eng., v.17, p , 1995.

22 Processos Homogêneos 2) Ozônio Direta: Molécula de O3 reage diretamente com moléculas orgânicas ou inorgânicas. Indireta: Reações radicalares ( OH ) Huang, C.P. et al. Advanced chemical oxidation: its present role and potential future in hazardous waste treatment. Waste Manage, v.13, p , Legrini, O. et al. Photochemical processes for water treatmente. Chem. Ver., v.93, n.2, p , 1993.

23 Processos Homogêneos 2.1) O 3 / UV -Fotólise direta; - Ozonização direta; - Oxidação por radicais OH hʋ 3O 3 + H 2 O 2 OH + 4 O 2 Beltrán, F.J. et al. Advanced oxidation of atrazine in water- II. Ozonation combined with ultraviolet radiation. Wat. Res., v.28, n.10, p , Benitez, F.J. et al. Degradation by ozone and UV radiation of the herbicide cyanazine. Ozone Sci. Eng., v.16, p , Lai, M.S. et al. Oxidation of simazine: ozone, ultraviolet, and combined ozone/ultraviolet oxidation. Wat. Environ. Res., v.76, n.3, p , 1995.

24 Processos Homogêneos O 3 / OH - - ph neutro a alto. - Aplicações: Remoção de cor e metais; Degradação de herbicidas; Produtos farmacêuticos; Degradação de matéria orgânica em água natural. Allemane, H. et al. Comparative efficiency of three systems (O3, O3/H2O2 and O3/TiO2) for the oxidation of natural organic matter in water. Ozone Sci. Eng., v.15, p , Benitez, F.J. et al. Degradation by ozone and UV radiation of the herbicide cyanazine. Ozone Sci. Eng., v.16, p , Zwiener, C.; Frimmel, F.H. Oxidative treatment of pharmaceuticals in water. Wat. Res., v.34, n.6, p , 2000.

25 Processos Homogêneos UV Sozinha: Inativação de algas; Inativação de microorganismos patogênicos; Destruição de compostos orgânicos. Combinada com outros métodos Alam, M.Z.B. et al. Direct and indirect inactivation of microcystis aeroginosa by UV-radiation. Wat. Res, v.35, n.4, p , Donaire, P.P.R.; Jardim, W.F. Desinfecção de águas utilizando radiação ultravioleta e fotocatálise heterogênea. Campinas, 2001, 130 p.(tese de Mestrado em Saneamento e Ambiente): Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia Civil, UNICAMP, 2001

26 POA s - Sistemas Heterogêneos Entre os métodos fotoquímicos, existem duas formas para geração de radicais OH Uma delas é a fotólise heterogênea. Partículas de um semicondutor absorvem luz UV, gerando OH na interface partícula/solução (Maxwell, PUC-Rio) Partículas de TiO2 hʋ solução TiO2 OH Fonte: Processos Oxidativos Avançados, (Acessado dia 19/01/2016)

27 POA s - Sistemas Heterogêneos Utilizam catalisadores semi-condutores. Figura 2: Níveis energéticos dos materiais (Davis et aliii,1989) BV: Banda de Valência (menor energia); BC: Banda de Condução (maior energia); Band-gap, cuja energia é a mínima necessária para excitar um elétron para a BC. Processos Oxidativos Avançados capítulo 5 - PUC-Rio - Certificação digital Nº /CA DAVIS, A. P. et alii. Removal of phenols from water by a photocatalytic oxidation process. Water Sci. Technol., v. 21, p , 1989

28 POA s - Sistemas Heterogêneos Exemplo de semicondutores: TiO2, ZnO, kaolin, SiO2, ZnS Por que usar o semicondutor TiO2? Fotocatalisador mais ativo; Mais usado na degradação de compostos orgânicos (águas e efluentes); Propriedades elétricas, magnéticas e eletroquímicas; Várias aplicações tecnológicas: Redução de metais pesados; Degradação de cianotoxinas; Inativação de bactérias; Catalisador Figura 3: Dióxido de titânio ( moagem/institucional/dioxido-de-titanio-pigmento-branco/ ) Acessado 25/01/16 TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

29 POA s - Sistemas Heterogêneos Sistemas Heterogêneos Com irradiação Sem irradiação TiO2/O2/UV TiO2/H2O2/UV Electro - Fenton Processos Oxidativos Avançados capítulo 5 - PUC-Rio - Certificação digital Nº /CA

30 POA s - Sistemas Heterogêneos (com irradiação) Fotoativação do TiO2 Figura 4: Fotoativação do semicondutor (Suri et aliii,1989) TiO2/O2/UV TiO2 + hʋ e - + h + O2 + e - O2 - h + + H2O HO + H + h + + HO - HO GUIMARÃES, J. R., Processos Oxidativos Avançados e Desinfecção, Instituto de Química - UNICAMP SURI, R. P. S. et alii. Heterogeneous photocatalytic oxidation of hazardous organic contaminants in water. Water Environ. Res., v. 65, n. 5, p , 1993.

31 POA s - Sistemas Heterogêneos (com irradiação) Fotoativação do TiO2 TiO2/H2O2/UV H2O2 + e - HO - + HO H2O2 + O2 - HO + HO + O2 Muito mais eficiente! (Combinação de peróxido de hidrogênio e irradiação) H2O2: potencial de oxidação de 1,8 V; Grande produção de hidroxila. Aplicação na degradação de materias TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

32 Aplicação - TiO2 Remoção de contaminantes tóxicos orgânicos e inorgânicos na água Fotomineração de poluentes orgânicos catalisada por TiO2 Alcanos ex:. metano Aromáticos ex:. benzeno Corantes ex:. azul de metileno Ácidos carboxílicos alifáticos ex:. fórmico CLASSES Ácidos carboxílicos aromáticos ex:. benzóico Alcenos ex:. propeno Pesticidas ex:. DDT Polímeros ex:. PVC Mills, A., Davies, R.H., Worsley, D. Water purification by semiconductor photocatalysis. Chem. Soc. Rev., p , TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

33 POA s - Sistemas Heterogêneos (sem irradiação) Electro-fenton Utiliza um anodo de sacrifício de Fe, que causa um aumento na eficiência. Reação de Fenton: Fe 2+ + H2O2 Fe 3+ +HO - + HO Aplicação: Aumentar biodegradabilidade dos contaminantes, degradação de diversos tipos de efluentes, oxidação de resíduos de lixiviação de aterro e degradação de corantes. Processos Oxidativos Avançados capítulo 5 - PUC-Rio - Certificação digital Nº /CA

34 Fatores que influenciam o processo de fotocatálise Concentração do contaminante orgânico; Presença e concentração de oxidantes auxiliares (H2O2, O3); Forma cristalina do TiO2; Forma do uso do catalisador; ph; Temperatura TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

35 Conclusão POA s são uma forma de tratamento boa quando a matriz contaminada tem baixa concentração orgânica; Eficiente para tratamento de efluentes líquidos e a remediação de solos e águas subterrâneas; Custo compatível com o resultado; Importante: não deve ser vista com ÚNICA forma de tratamento de toda e qualquer matriz ambiental contaminada. GUIMARÃES, J. R., Processos Oxidativos Avançados e Desinfecção, Instituto de Química - UNICAMP TEIXEIRA, C.P.A.B.; JARDIM, W.F. Caderno temático: Processos Oxidativos Avançados Conceitos teóricos. Campinas: UNICAMP, v.

36 OBRIGADA!!!