Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Tratamento de Efluentes por Ozonização Efeito do ph Projeto 2013 - Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente Supervisor: José Órfão Ana Catarina Pinho Ana Rita Fernandes Marta Cunha Equipa 1A: Alunos: Monitoras: Ana Silva, Sofia Lourenço Edilson Barbosa Luísa Lopes 1/
Sumário O objetivo deste trabalho, realizado no âmbito da unidade curricular Projeto, foi estudar o efeito do ph no processo de ozonização no tratamento de efluentes. Este estudo baseou-se numa atividade laboratorial realizada, em duas sessões distintas, que consistiu na degradação de um corante reativo (Cibacron Blue BR), através de uma oxidação avançada. A solução utilizada apresentava, inicialmente, um ph de 11,03 que no decorrer do processo foi diminuindo atingindo o valor 10,94 ( ph = 0,09). Após o processo de ozonização, foram construídos alguns gráficos de análise de resultados experimentais. Dentro destes, foi construído o gráfico que nos permite observar o rendimento da reação por comparação com valores de referência obtidos a ph natural da solução. Por comparação com os valores de referência, cuja solução apresentava um ph inicial de 5,73, é possível estabelecer algumas razões e conclusões à cerca do rendimento do processo de ozonização avançada e o meio em que a reação ocorre (ácido ou básico). Tais como: à cerca da mineralização concluímos que o processo quando realizado a ph básico, é ligeiramente favorecido (gráfico 4). No entanto, o desaparecimento de cor comportou-se praticamente da mesma forma, numa reação realizada a ph natural e em meio básico. Deste modo podemos afirmar que se o objectivo deste processo, por exemplo, a nível industrial, fosse a mineralização seria favorável a realização deste em meio básico. 2/
Agradecimentos Durante este projeto recebemos a ajuda de várias entendidas, na faculdade e fora desta. Gostaríamos portanto de agradecer a todos aqueles que se envolveram indiretamente neste trabalho. Sem eles este relatório poderia não ter visto o seu fim de uma forma tão agradável. Agradecemos assim, à Eng. Carla Fonseca, que desperdiçou o seu tempo de investigação para nos mostrar todo o envolvimento que existe neste processo. Agradecemos, também, às monitoras deste projeto que se encontraram disponíveis sempre que necessitamos Ana Silva e Sofia Lourenço. E em especial ao professor José Órfão pela orientação do projeto e pela possibilidade que nos ofereceu de trabalharmos em laboratório. 3/
Índice Introdução 5 Método Experimental 6 2.1. Materiais e Procedimento 6 2.2 Resultados e Discussão 8 Conclusão 11 Referências Bibliográficas Bibliografia 4/
Projeto Introdução Durante toda a pesquisa e investigação os nossos principais objectivos, que por consequência levarão à conclusão deste trabalho, serão obter a informação mais fiável e adequada sobre o tratamento de efluentes por ozonização. Em especial, o efeito que o ph apresenta neste processo. A ozonização é utilizada, hoje em dia, para o tratamento e desinfecção de águas e efluentes. Sendo um oxidante muito forte, o ozono é extremamente eficaz no combate a bactérias, vírus, protozoários, etc. O ozono provou ser bastante mais eficiente do que o cloro, para a desinfecção de piscinas, lagos, rios. Neste relatório é apresentado da melhor forma possível o estudo que realizamos sobre o efeito do ph na oxidação avançada por ozonização. Esperamos conseguir transmitir todo o conhecimento que fomos adquirindo e todas as conclusões que fomos retirando aos nossos colegas, através da apresentação oral e do poster que complementam este relatório. O tema referido apresenta-se como altamente importante em alguns dos mais importantes processos industriais, tal como o da purificação da água. Desta forma, tentamos dar a conhecer um pouco melhor as limitações e as vantagens deste processo, quando é realizado a substâncias com um ph elevado, tudo isto suportado pelo trabalho laboratorial realizado durante este projeto. 5/ Ambicionamos sinceramente que este relatório seja do agrado daqueles que o lerem.
2. Método Experimental 2.1. Materiais e Procedimento Projeto No presente estudo experimental, efeito do ph no tratamento de efluentes por ozonização, foi utilizado como corante o Cibacron Blue 5 (Figura 1) para a realização de uma oxidação avançada por ozonização. Este é maioritariamente utilizado na colorização de fibras celulosicas, sendo um dos corantes mais utilizados. Classificado como flavonóide e integrado na classe das antraquinonas, este corante encontra-se naturalmente oxidado. Figura 1: Cibracron Blue 5 (corante) - estrutura molecular. A primeira parte deste processo, correspondente à primeira aula laboratorial, que consistiu na diluição a partir da solução mãe, solução aquosa com 100mg/L de corante. Foram preparadas quatro soluções de concentrações: 10mg/L, 20mg/L, 50mg/L e 75mg/L. Com o objetivo de obtermos uma reta de calibração. Na segunda parte do processo, correspondente à segunda aula laboratorial, consistiu na reação de oxidação avançada por ozonização. Figura 2: Material experimental devidamente montado. 6/ Antes de ser realizado o processo de ozonização, utilizando o medidor de ph, verificamos que o ph inicial da solução era 11,03. Após todo o material se encontrar devidamente montado e preparado (Figura 2), colocamos a solução (100mg/L) no reator, reator cilíndrico à escala laboratorial, que se encontrava ligado a um gerador de ozono. Este promove a formação de ozono através de oxigénio. O reator estava também conectado com um analisador, que
Projeto tem como função medir a concentração durante a reação e equilibrar essa concentração no valor pretendido. Quando a amostra é colocada no reator inicia-se a reação de oxidação-redução entre o corante (redutor) e o ozono (oxidante). Esta reação é iniciada pela quebra do corante, esta quebra é realizada sucessivas vezes até o teor de corante, na solução, se encontrar bastante reduzido. Durante o processo foram retiradas algumas amostras do reator. As amostras foram retiradas com intervalos de tempo irregulares para ser medida a absorvância de cada uma através do espectrofotometro (Figura 5). A absorvância é a capacidade intrinseca dos materias de absorverem radiação numa frequência específica. A absorvância é dada pela seguinte equação: Figura 3: Espectrofotometro utilizado no processo. em que I é a intensidade da luz com um comprimento específico e que é transmitida por uma amostra. Io é a intensidade da luz antes de entrar na amostra (intensidade da luz incidente). No nosso processo a absorvância variou com a concentração do corante segundo o gráfico seguinte: R² = 0,9999 Concentração (mg/ l) 100 75 50 25 0 Absorvância 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Abs Abs Linear.(Abs) 7/ Gráfico 1: Relação entre a concentração da solução e a absorvância.
Projeto Esta foi a expressão utilizada no processo. Sabemos também que a absorvância varia, segundo a lei de Lamber-Beer com as características do meio, a espessura da amostra e a concentração. Foram retiradas amostras em t=0min, t=2min, t=5min, t=10min, t=15min, t=30min, t=60min, t=90min e em t=120min. Estas amostras mostravam progressivamente uma diminuição de cor (azul) (Figura 5). Esta diminuição de cor deve-se à diminuição da concentração de corante na solução devido à quebra do corante pelo ozono. Sempre que cada amostra é retirada do reator são tomadas algumas precauções, tal como cobri-la com papel de alumínio para que a luz não interfira com os resultados ao incidir sobre a solução. Para final o trabalho no laboratório medimos o ph da solução final que estava no reator, este encontrava-se a 10,94, menor que o ph inicial. Concluímos assim, que se deu uma variação de ph igual a 0,09. 2.2 Resultados e Discussão Após a realização do trabalho de laboratório foram elaboradas todas as tabelas e gráficos necessários para a demonstração de resultados experimentais. Foi realizado um gráfico com o objetivo de obter a reta de calibração (gráfico 1), através dos valores de concentração obtidos pelas amostras diluídas da primeira sessão laboratorial. No estudo da concentração de corante ao longo do tempo, concluímos que a concentração vai diminuindo (gráfico 2). Devido à quebra de ligações do corante, consequência da reação de oxidação que ocorre. Em comparação com os valores no ensaio a ph natural podemos concluir que o processo de quebra da cor do corante é praticamente o mesmo, ou seja apresenta os mesmos valores, para um processo realizado a ph natural e a ph básico (gráfico 3). 8/ Figura 4: Amostras retiradas do reator (ordem crescente em relação ao tempo).
Projeto 120,0 Relação entre a concentração da solução e o tempo Concentração (mg/l) 90,0 60,0 30,0 Concentração (mg/l) 0,0 0,0 30,0 60,0 90,0 120,0 Tempo (min) Gráfico 2: Relação entre a concentração da solução e o tempo. 1,0000 0,7500 Relação entre a C/C0 e o tempo ph natural ph igual a 11 C/C0 0,5000 0,2500 0,0000 0 30 60 90 120 tempo (min) Gráfico 3: Relação de C/C0 e o tempo nos dois ensaios (em ph natural e em ph básico). O estudo da variação do carbono orgânico total (TOC) em relação ao tempo, foi também um dos pontos de estudo deste trabalho. A quantidade de TOC vai diminuindo ao longo da reação, também, devido à quebra de ligações do corante (destruição do corante) o que provoca a diminuição de cor e da quantidade de matéria orgânica. 9/
Projeto 1,00 Relação entre a remoção de TOC e o tempo ph igual a 11 ph natural 0,75 TOC/TOC0 0,50 0,25 0,00 0 15 60 120 Tempo (min) Gráfico 4: Relação entre a remoção de TOC e o tempo no ensaio base e na experiência a ph=11. Os resultados de referência, foram obtidos através de uma solução com ph igual a 5,73 (meio ligeiramente ácido). Comparativamente, a solução utilizada neste processo tinha um ph inicial igual a 11,03 (meio básico), como já foi referido. Foi realizada em ambos os processos, o de referência e o reportado neste relatório, a ozonização do corante. Após a observação do gráfico 3, podemos verificar algumas diferenças entre a relação TOC/TOC0 do ensaio com ph natural e do ensaio com ph básico. Assim podemos concluir que o processo de mineralização é facilitado em meio básico (ph > 7), ocorre com maior velocidade, o que nos poderá permitir concluir que o rendimento apresenta valores superiores quando a experiência é realizada neste meio. De facto, os resultados que obtivemos denotam um rendimento maior. No entanto, a diferença entre os valores obtidos que se encontram na referência não são suficientemente significativos para podermos concluir efetivamente, com apenas um trabalho laboratorial, que a reação em meio básico acelera o processo de remoção do TOC, ou seja da degradação do corante. Porém, conferimos que uma pesquisa mostrou que o decréscimo geral da eficiência do ozono (degradação do ozono) ocorre com um ph elevado, pois qualquer aumento benéfico da reação é inibido por um maior requerimento de ozono devido à perda de oxidante por outra decomposição aumentada. [1] 10/
Conclusão Projeto Concluímos, deste modo, que o ph influência o tratamento de efluentes por ozonização. Na medida em que, quando o processo é realizado a ph básico os resultados da mineralização se encontram ligeiramente superiores, como podemos observar no gráfico anterior. Isto já não acontece durante a quebra de cor do corante. Durante esta primeira fase do processo, os resultados obtidos a ph natural e a ph básico são praticamente os mesmos, os gráficos do quociente da concentração pela concentração 0 apresentam-se praticamente iguais (gráfico 3). Este trabalho permitiu-nos ganhar uma maior sensibilidade às caraterísticas e aplicações que as substâncias que nos envolvem podem ter, neste caso o ozono. Esperamos ter passado sobretudo os conhecimentos mais importantes que adquirimos durante este trabalho e tê-lo feito de uma forma simples e clara. Por último, gostaríamos de salientar que foi do nosso agrado a realização deste processo e o envolvimento no mundo do ozono e dos processos realizados por ozonização. Referimos, novamente, que este é um dos processos mais promissores para o futuro no que diz respeito à desinfecção de águas residuais ou contaminadas. Este processo para além de pouco invasivo a nível ambiental, pois o ozono libertado durante a reação é novamente convertido em oxigénio e libertado para a atmosfera, demonstra uma grande eficácia. Esperamos uma vez mais que a apresentação do trabalho seja do agrado de todos aqueles que tiverem a oportunidade de a presenciar. 11/
Anexos Projeto Figura 5: amostras da primeira sessão laboratorial devidamente protegidas. Figura 6: Um dos alunos a retirar uma amostra do reator. Tabela 1: Tabela relativa ao gráfico 4, que relaciona o TOC/TOC0 dos dois ensaios. tempo (min) TOC/TOC0 ph igual a 11 ph natural 0 1,000 1,000 15 0,899 0,963 60 0,720 0,763 120 0,619 0,667 12/
Projeto Tabela 2: Relativa ao gráfico 1, que relaciona a absorvância com a concentração da solução. tempo (min) Absorvância (média) Concentração (mg/l) 0 0,727 1 2 0,566 0,785 5 0,478 0,657 10 0,323 0,447 15 0,209 0,286 30 0,069 0,091 60 0,002 0,001 90 0,008 0,006 120 0,003 0 13/
Referências Bibliográficas Projeto [1] : Partial Oxidation by Ozone to Remove Recalcitrance from Waterwaters - A.B. C. Alvares, C. Diaper & S. A. Parsons - May 2010 [F1] : Activated carbon and ceria catalysts applied to the catalytic ozonation of dyes and textile effluents - P.C.C. Faria, J.J.M. Órfão, M.F.R. Pereira Bibliografia Activated carbon and ceria catalysts applied to the catalytic ozonation of dyes and textile effluents - P.C.C. Faria, J.J.M. Órfão, M.F.R. Pereira wikipédia: http://pt.wikipedia.org/wiki/absorbância - definição de absorvância, com alterações. efeitos da ozonização: http://o3max.com.br/index_arquivos/page864.htm Water & Wastewater - palestra de Introdução à Engenharia do Ambiente. /