Estudo de fotodegradação

2.2.1. Corante Laranja II

Para avaliar a capacidade fotocatalítica dos azulejos com camadas serigrafadas de dióxido de titânio e óxido de zinco, efectuaram-se estudos com um composto modelo. Seleccionou-se um corante têxtil bastante utilizado: o corante Laranja II (Figura 2.3).

Figura 2.3 – Corante Laranja II.

Informações adicionais acerca do Laranja II:

 Designações alternativas: Laranja II, 2-naphthol orange, C.I. 15510

 Número CAS: 633-96-5

 Fórmula molecular: C16H11N2NaO4S (sal de sódio)

 Aspecto físico: pó alaranjado

 Ponto de fusão: 164 ºC

 Solubilidade em água: 116 g/L (30 ºC)

O corante Laranja II é um corante monoazo aniónico com muita aplicabilidade na indústria têxtil devido a ser solúvel em água e relativamente barato. É utilizado amplamente para tingir lã, fibras de algodão, seda, papel e couro. É um corante razoavelmente fotoestável se for submetido à luz solar, por isso o uso de um fotocatalisador na presença de luz solar ou UV parece bastante promissor (Bansal, 2009). A sua estrutura molecular é representada a seguir (Figura 2.4).

Figura 2.4 – Estrutura molecular do corante Laranja II.

Em fase aquosa, existem duas formas em equilíbrio, a forma azo e a forma hidrazona como mostra a figura 2.4, devido a uma transferência protónica intramolecular muito rápida. Analisando o espectro UV-Vis deste corante (Figura 2.5) observa-se que o Laranja II apresenta três picos de absorção característicos a 228, 254 e 310 nm provenientes dos anéis aromáticos e um ombro a 430 nm. O pico a 484 nm sugere a presença da forma hidrazona enquanto o ombro a 430 nm indica a presença da forma azo reflectindo a estrutura conjugada formada pela ligação azo (Pinto, 2008).

200 300 400 500 600 700 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Ab so rvâ n ci a Comprimento de onda (nm)

Figura 2.5 – Espectro de absorção UV-Vis do corante Laranja II.

2.2.2. Desenvolvimento experimental

Na realização das experiências foram preparadas soluções aquosas de Laranja II de concentração 20 mg/L, dissolvendo o corante em água destilada.

Entretanto, no reactor cilíndrico colocavam-se duas peças cerâmicas, com camadas de dióxido de titânio ou óxido de zinco, dispostas frente a frente, tendo em posição intermédia a lâmpada UV (Figura 2.6) e deitava-se a solução aquosa de Laranja II. Considerando que se depositou inicialmente um teor de 50 g de TiO2 (ou ZnO) por m2 de azulejo, é possível deduzir o valor de TiO2 aproximadamente depositado a partir das dimensões de cada azulejo. Assim, para azulejos com as dimensões de 10 cm x 19,9 cm que foram utilizados neste estudo, obtém-se uma área de 0,0199 m2 e um teor de 0,995 g de TiO2, ou seja, um valor aproximado de 1,0 g de TiO2 por azulejo. Para os azulejos de ZnO o raciocínio e os resultados são similares.

Figura 2.6 – Disposição das peças cerâmicas com a fonte de radiação e agitador magnético.

Como fonte de radiação ultravioleta, foi usada a lâmpada de vapor de mercúrio de baixa pressão TNN 15/32 ou a lâmpada de vapor de mercúrio de média pressão TQ 150. A área disponível das camadas em contacto directo com o corante, foi mantida constante (Figura 2.6). A fotodegradação do corante Laranja II na presença de TiO2 ou ZnO em suspensão, foi realizada para fins comparativos. A agitação da solução durante os ensaios era garantida por um agitador magnético.

A actividade fotodegradativa da solução corada foi quantificada através da medição da absorvância de amostras recolhidas (cerca de 10 mL) em períodos de tempo crescentes (Figura 2.7).

Figura 2.7 – Recolha de amostras de solução aquosa Laranja II.

Os espectros de absorção foram medidos recorrendo a um espectrofotómetro UV/Vis Jasco V-530, utilizando como referência água destilada, permitindo avaliar a eficácia do processo fotodegradativo da solução corada de Laranja II, sob radiação UV artificial.

2.2.3. Reactor experimental

Os ensaios foram realizados num reactor cilíndrico de 2 L de capacidade (Figuras 2.8 e 2.9), onde se colocaram previamente as peças cerâmicas de dióxido de titânio ou óxido de zinco. Noutros ensaios usavam-se pós de dióxido de titânio ou óxido de zinco que se mantinham em suspensão.

Figura 2.8 – Pormenor da colocação dos azulejos.

O reactor foi colocado numa placa de agitação magnética. No interior do reactor colocava-se um magneto revestido a teflon.

Como fontes de radiação, foram usadas duas lâmpadas de vapor de mercúrio, Heraeus TNN 15/32 e Heraeus TQ 150. A lâmpada TNN 15/32 é uma lâmpada de radiação ultravioleta de baixa pressão, com 15 W de potência e emissão principal a 254 nm. A lâmpada TQ 150 é uma lâmpada UV de média pressão, com 150 W de potência apresentando um espectro largo com vários picos na zona ultravioleta do espectro. Estas lâmpadas são adequadas para a desinfecção e oxidação por radiação ultravioleta. Devido à grande potência da lâmpada TQ 150, utilizou-se uma camisa de refrigeração para controlar o aumento da temperatura da solução a estudar.

Na escolha da fonte de radiação a utilizar em processos de oxidação fotoquímica há alguns aspectos a ter em consideração. Em primeiro lugar, é fundamental que a radiação emitida pela lâmpada seja absorvida pelo material irradiado para que a reacção fotoquímica ocorra. O segundo critério é a potência da lâmpada que determina o fluxo de fotões emitidos e, consequentemente, a velocidade de degradação do substrato (Lucas, 2005).

O reactor foi envolto numa película de folha de alumínio, por uma questão de segurança pessoal e para permitir a reflexão interna da radiação gerada pela lâmpada. Na parte superior do reactor instalou-se um sistema de recolha de amostras constituído por uma seringa e um tubo em silicone que atingia o eixo central do reactor (Figura 2.10).

Figura 2.10 – Pormenor da cobertura do reactor UV.

2.2.4. Lâmpadas de vapor de mercúrio de baixa e média pressão

As lâmpadas de vapor de mercúrio de baixa pressão emitem essencialmente luz monocromática de comprimento de onda de 253,7 nm, emitindo também radiação UV de comprimento de onda de 185 nm que pode ser útil para processos de oxidação (Figura 2.11).

As emissões a 253,7 nm e 185 nm correspondem às linhas de ressonância do mercúrio, resultantes da transição entre o estado excitado e o estado fundamental. O tipo de quartzo que envolve a lâmpada tem uma importância significativa na descontaminação dos compostos poluentes. Isto porque a radiação emitida a 185 nm (UV-Vácuo) permite a produção de radicais hidroxilo e se se estiver na presença de um tipo de quartzo comum esta radiação é retida. Pelo contrário, no caso de quartzo de elevada qualidade a radiação é transmitida para a solução melhorando a descontaminação.

Figura 2.11 – Espectro de emissão da lâmpada de mercúrio de baixa pressão Heraeus TNN 15/32 (Heraeus Noblelight GmbH).

As lâmpadas de vapor de mercúrio de média pressão produzem um amplo espectro de luz UV, como é o caso da Heraeus TQ 150 de 150 W (Figura 2.12), estendendo-se particularmente na gama de 200-300 nm, com uma energia relativa máxima a cerca de 260 nm. Estas lâmpadas apresentam uma maior irradiância e operam a uma temperatura bastante mais elevada que as lâmpadas de baixa pressão.

Figura 2.12 – Espectro de emissão da lâmpada de mercúrio de média pressão Heraeus TQ 150 (Heraeus Noblelight GmbH).

Geralmente, as lâmpadas de vapor de mercúrio de média pressão são usadas em grandes instalações. Têm aproximadamente 15 a 20 vezes a intensidade da radiação UV das lâmpadas de baixa pressão. A lâmpada de média pressão tem um poder de desinfecção mais rápido e tem maior capacidade de penetração devido à sua maior intensidade. No entanto, essas lâmpadas operam a temperaturas elevadas com um maior consumo de energia (Derks, 2010). Segundo este mesmo autor ambas as lâmpadas UV de baixa e média pressão são aplicadas de forma eficaz para a desinfecção da água.