PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS Disciplina de Química Ambiental Alunos: Hugo Camarano, Nathalia Campos, Pâmela Souza. Professor: Rafael Arromba Estagiário: Felipe Reis
INTRODUÇÃO O descarte inapropriado de efluentes industriais e águas residuais no meio ambiente causa preocupação pública. Tal problema configura um importante desafio para a comunidade científica envolvida na resolução de problemas ambientais. ARAÚJO, K.S.; ANTONELLI, R.; GAYDECZKA, B.; GRANATO, A.C.; MALPASS G.R.P. Rev. Ambient. Água vol. 11 n. 2 Taubaté Apr./Jun. 2016 2
Os resíduos produzidos pela industria podem ser orgânicos ou inorgânicos e ainda podem conter poluentes tóxicos e resistentes aos sistemas convencionais de tratamentos (FLORÊNCIO, 2014). Diversos órgãos de vários países e organizações internacionais, têm se dedicado à solucionar esses problemas!!! 3
Organização Mundial da Saúde (OMS) Em 2006 apresentou novas sanitárias diretrizes voltadas para o reuso de águas residuárias. Agência de proteção ao Meio Ambiente da União Européia (EPA) Define o termo Best Available Techniques (BAT Melhores Técnicas Disponíveis) para o tratamento de efluentes, entre os quais abre-se espaço para Emerging Techniques (Técnicas Emergentes), ou seja, técnicas inovadoras não convencionais. 4
Nas últimas décadas os Processos Oxidativos Avançados (POAs) têm se destacado na pesquisa e desenvolvimento de tecnologias de tratamento de águas residuais, por se tratar de métodos eficientes. ARAÚJO, K.S.; ANTONELLI, R.; GAYDECZKA, B.; GRANATO, A.C.; MALPASS G.R.P. Rev. Ambient. Água vol. 11 n. 2 Taubaté Apr./Jun. 2016 5
ARAÚJO, K.S.; ANTONELLI, R.; GAYDECZKA, B.; GRANATO, A.C.; MALPASS G.R.P. Rev. Ambient. Água vol. 11 n. 2 Taubaté Apr./Jun. 2016 6
Segundo (Pignatello et al.,2006), os POAs: Caracterizam-se por transformar, parcial ou totalmente, os poluentes em espécies mais simples como dióxido de carbono, água, ânions inorgânicos ou substâncias menos tóxicas e de fácil degradação por tecnologias comuns. 7
VANTAGENS DESVANTAGENS Condições operacionais de temperatura e pressão ambiente Alto custo da fonte de radiação UV, implicando uso de energia elétrica e custo de manuntençao Combinação com outros processos, o que reduz o custo do tratamento Alto custo do agente oxidante 8
Sonoquímicos Fotoquímicos Eletroquímicos Químicos POAs Sono eletroquímicos 9
POAS QUÍMICOS Reação de Feton Na presença de Fe 2+ e Fe 3+ em meio ácido Decomposição de H 2 O 2 OH Espécie oxidante capaz de degradar ou destruir uma variedade de poluentes orgânicos. 10 ARAÚJO, K.S.; ANTONELLI, R.; GAYDECZKA, B.; GRANATO, A.C.; MALPASS G.R.P. Rev. Ambient. Água vol. 11 n. 2 Taubaté Apr./Jun. 2016
POAS QUÍMICOS Vantagens Operação simples e flexível; Facilidade de manuseio; Desvantagens Pode não alcançar a mineralização total dos poluentes orgânicos; Pode apresentar riscos devido ao transporte e armazenamento de H 2 O 2; Uso de produtos químicos de baixo custo; Necessidade de grandes quantidades de produtos químicos para manter o ph ótimo da reação (próximo a 3). 11 Ausência de entrada de energia. ARAÚJO, K.S.; ANTONELLI, R.; GAYDECZKA, B.; GRANATO, A.C.; MALPASS G.R.P. Rev. Ambient. Água vol. 11 n. 2 Taubaté Apr./Jun. 2016
POAS FOTOQUÍMICOS É possível desinfetar águas e destruir grande parte dos poluentes, onde esses processos agem através de três reações principais: 1) Oxidação por ação direta de H 2 O 2 e O 3. 2 ) Foto-decomposição, baseada na radiação UV, excitação e degradação de moléculas de poluentes. 3 ) Oxidação por fotocatálise com TiO 2 levando à formação 12 de radicais hidroxila. Rev. Ambient. Água, v. 11, n 2, p. 387 401, 2016
1) OXIDAÇÃO POR AÇÃO DIRETA DE H 2 O 2 E O 3 Radicais OH. Decompõe em O 2 e O. H 2 O 2 O 3 Potencial de Oxidação 1,8V Potencial de Oxidação 13 2,08V TEIXEIRA C. P. A. B.; JARDIM W. F. Processos Oxidativos avançados Conceitos teóricos. Campinas, 2004
2) FOTO-DECOMPOSIÇÃO Luz Fonte que destrói o poluente. Desvantagem Possui eficiência menor, quando comparado ao processo que geram hidroxilas. Solução Utilizado em processos de forma conjunta com H 2 O 2 e O 3 14 TEIXEIRA C. P. A. B.; JARDIM W. F. Processos Oxidativos avançados Conceitos teóricos. Campinas, 2004
Rev. Ambient. Água, v. 11, n 2, p. 387 401, 2016 2.1 FOTÓLISE DO PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO (H 2 O 2 /UV) Degradação de compostos orgânicos tóxicos. H O hv 2 2 2 HO 200 a 300nm Ligação O-O quebrada 15
2.1 H 2 O 2 /UV Vantagens Desvantagens Solubilidade do H 2 O 2 em água; O reagente se decompõe em água e oxigênio. Geração de dois radicais HO por molécula de H 2 O 2 fotolisada; Estabilidade térmica; Procedimentos de operações simples; Inexistência de problemas de transferência de massa. Custo do processo; H 2 O 2 funciona como um capturador de radicais hidroxil; Taxa de oxidação química do poluente é limitada pela taxa de formação dos radicais hidroxil; Fatores como turbidez, presença de outras substâncias que absorvam a radiação podem interferir na eficiência do processo, exigindo então um pré tratamento; Formação de precipitados que se depositem na fonte de radiação também diminuem a eficiência 16 do processo. REGET, v. 18, n. 1, p. 79-91, 2014 / https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/6043/6043_6.pdf
Rev. Ambient. Água, v. 11, n 2, p. 387 401, 2016 2.2 FOTÓLISE COM OZÔNIO (O 3 /UV). Radicais hidroxilas produzidos direta e indiretamente. 200 a 360nm O O O 3 2 3 H H H 2 2 2 O O O 2 hv hv O 3 O 2 2 HO HO 2 H 2 O 2 2 HO 17
2.2 O 3 /UV https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/6043/6043_6.pdf Vantagens Hidroxilas produzidas direta e indiretamente aumentando então a degradação da matéria orgânica; Alto potencial de redução; Baixas concentrações de Ozônio são suficiente; Ampla faixa de ph de operação; Pode ser usado para efluentes coloridos contendo partículas em suspensão, pois o Ozônio absorve radiação facilmente. Desvantagens Baixa solubilidade do O 3 em água; Alta reatividade e baixa seletividade; Alto custo; O Ozônio deve ser gerado in situ. 18
Rev. Ambient. Água, v. 11, n 2, p. 387 401, 2016 2.3 FOTÓLISE COM OZÔNIO E PEROXIDO DE HIDROGÊNIO (O 3 /H 2 O 2 /UV). A adição de H 2 O 2 ao processo O 3 /UV, ocasiona um aumento significativo na taxa de geração de radicais hidroxilas. Vantagem Acelerar a degradação de poluentes. 19
Rev. Ambient. Água, v. 11, n 2, p. 387 401, 2016 2.4 PROCESSO FOTO-FENTON (H 2 O 2 /FE 2+ / UV). H O Fe hv 3 2 2 2 Fe H Reação de Fenton OH Ocorre a decomposição direta do H 2 O 2, assim como no Processo H 2 O 2 /UV. 20
REGET, v. 18, n. 1, p. 79-91, 2014 2.4 - H 2 O 2 /FE 2+ / UV Vantagens Reação ocorre em temperatura e pressão ambientes; Aplicado em uma variedade de compostos; Ferro é um elemento abundante. Desvantagens ph do meio deve estar entre 2,5 e 3,0 para se obter o máximo de eficiência de degradação. 21
REGET, v. 18, n. 1, p. 79-91, 2014 3 ) FOTOCATÁLISE COM TIO 2 /UV Uma espécie semicondutora é irradiada para a promoção de um elétron da banda de valência (VB) para a banda de condução (CB). TiO ( _ 2 hv TiO2 e CB h VB Com o elétron promovido para a CB e com a lacuna (h+) gerada na VB, são criados sítios redutores e oxidantes. ) 22
REGET, v. 18, n. 1, p. 79-91, 2014 3) TIO 2 /UV Os potenciais adquiridos são suficientes para gerar radicais OH a partir de moléculas de água absorvidas na superfície do semicondutor. h H 2 O HO H Os quais podem subsequentemente oxidar o contaminante orgânico. 23
https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/6043/6043_6.pdf 3) TIO 2 /UV Vantagens Diminui o consumo de energia elétrica; Aumenta as taxas de reação; Absorve radiação no comprimento de onda da radiação solar. Desvantagens Possibilidade de formação de intermediários mais tóxicos que os contaminantes originais. 24
POAS SONOQUÍMICOS As técnicas de oxidação sonoquímicas são baseadas na utilização de radiação ultrassônica (US) a fim de criar um ambiente oxidativo (Sathishkumar et al., 2016). A sonólise é um processo que abrange a formação, crescimento e o colapso implosivo de bolhas em um liquido. 25
POAS SONOQUÍMICOS FIGURA 1: Esquema da sonólise, da formação até o colapso implosivo 26
POAS SONOQUÍMICOS Nesse sentido, a sonólise ocorre com as moléculas de água gerando radicais livres muito reativos capazes de reagir com as espécies químicas orgânicas no meio: 27
POAS ELETROQUÍMICOS Técnicas baseadas na transferência de elétrons. Produção in situ do radical hidroxila. A degradação de um poluente pode ocorrer: Diretamente (Processo de Oxidação Anódica) Indiretamente (Processo de eletro-fenton) 28 ARAÚJO, K.S.; ANTONELLI, R.; GAYDECZKA, B.; GRANATO, A.C.; MALPASS G.R.P. Rev. Ambient. Água vol. 11 n. 2 Taubaté Apr./Jun. 2016
ARAÚJO, K.S.; ANTONELLI, R.; GAYDECZKA, B.; GRANATO, A.C.; MALPASS G.R.P. Rev. Ambient. Água vol. 11 n. 2 Taubaté Apr./Jun. 2016 POAS ELETROQUÍMICOS Oxidação anódica (OA): Reações de oxidação e redução ocorrem na superfície do eletrodos. OH Formados na superfície do ânodo por oxidação das moléculas de água. 29
ARAÚJO, K.S.; ANTONELLI, R.; GAYDECZKA, B.; GRANATO, A.C.; MALPASS G.R.P. Rev. Ambient. Água vol. 11 n. 2 Taubaté Apr./Jun. 2016 POAS ELETROQUÍMICOS Eletro-Fenton (EF): Formação de um agente oxidante in situ que pode migrar da superfície do eletrodo e reagir no seio da solução. OH Gerados na reação de Fenton eletroquimicamente assistida através do reagente de Fenton (mistura de H 2 O 2 e íons ferrosos) em meio homogêneo. 30
POAS ELETROQUÍMICOS Vantagens Produção in situ de H 2 O 2 (evitando riscos com manuseio, armazenamento e transporte); Regeneração contínua de Fe 2+ no cátodo (maior taxa de remoção de poluentes orgânicos); Possibilidade de mineralização total a custo relativamente baixo (otimizando os parâmetros de operação); Rápida degradação dos poluentes orgânicos (evitando a formação de novas espécies tóxicas); Não possui necessidade de adição de reagentes químicos ou grandes quantidades de catalisador. Desvantagens Alto consumo energético; Podem necessitar de grande tempo de retenção; Custo elevado quando comparado, por exemplo, aos processos biológicos; Formação de subprodutos de reação. 31
CONCLUSÕES POAs Fotoquímicos demonstraram ser tecnologias mais eficazes que os POAs químicos; Os eletroquímicos mostraram ser vantajosos devido à capacidade de minimizar ou eliminar o uso de reagentes químicos; A combinação de vários POAs torna-se mais adequada para a degradação/destruição de espécies tóxicas e/ou recalcitrantes; 32
CONCLUSÕES POAs tornam-se aplicáveis para aumento de escala mediante a otimização dos fatores de eficácia; Torna-se necessário realizar mais pesquisas a respeito dos pontos negativos dos POAs em nível industrial a fim de solucionar as limitações e restrições existentes, promovendo a efetivação do emprego dessas tecnologias no tratamento de águas residuais e efluentes industriais. 33
OBRIGADO!!!!