Determinação cromatográfica e degradação fotoeletrocatalítica do corante disperso Dispersol Black CVS

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Determinação Cromatográfica e Degradação

Fotoeletrocatalítica do corante Disperso

Dispersol Black CVS

PATRICIA ALVES CARNEIRO

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PATRICIA ALVES CARNEIRO

Determinação Cromatográfica e Degradação Fotoeletrocatalítica do

Corante Disperso Dispersol Black CVS

Tese apresentada ao Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Química.

Orientadora: Profa. Dra. Maria Valnice Boldrin Zanoni Co-orientadora: Profa. Dra. Gisela de Aragão Umbuzeiro

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FICHA CATALOGRÁFICA

Carneiro, Patricia Alves

C289d Determinação cromatográfica e degradação fotoeletrocatalítica do corante disperso Dispersol Black CVS / Patricia Alves Carneiro. – Araraquara : [s.n], 2007

179 f. : il.

Tese (doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Instituto de Química Orientador: Maria Valnice Boldrin Zanoni

1. Cromatografia. 2. Corantes. 3. Fotocatálise. I. Título.

Elaboração: Serviço Técnico de Biblioteca e Documentação do Instituto de Química de Araraquara

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DEDICATÓRIA

A Deus

...que deu a necessária

coragem para atingir o meu objetivo

e que me fez forte para vencer os obstáculos.

Aos Meus Pais e Minha Família

Dedico este trabalho aos meus pais Álvaro (in memorian) e

Emilia por absolutamente tudo... Pelo imensurável amor,

pela compreensão, pela paciência, pelo apoio e pelo grande

incentivo que sempre a mim transmitiram. A você meu pai,

obrigada pelos valores que levarei comigo por toda a vida...

E a você minha mãe, obrigada pelo exemplo de coragem e

determinação.

Dedico também a minha querida irmã, Mara, pela

amizade, pelo carinho, companheirismo, apoio, paciência e

incentivo.

Obrigada minha irmã por estar sempre ao meu lado,

especialmente quando eu mais precisei. Você é meu

exemplo de fé.

E finalmente a você Jr. por simplesmente fazer-me feliz.

Sem a ajuda e presença constante de vocês eu jamais

teria conseguido chegar até aqui.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço ainda...

A Profa. Dra. Maria Valnice Boldrin Zanoni por sua orientação, confiança, pelos ensinamentos, pela dedicação, pelo convívio, pela cumplicidade e pela liberdade que sempre me foi dada durante a realização deste trabalho. Agradeço especialmente pelo carinho, paciência, alegria e principalmente pelo constante incentivo para a conquista desta nova etapa da minha vida. Sem você seria impossível!

A Profa. Dra. Gisela de Aragão Umbuzeiro pela oportunidade de participar deste trabalho, pela valiosa orientação e também pela amizade e colaboração.

Ao Prof. Dr. Nelson Ramos Stradiotto e a Profa. Dra. Hideko Yamanaka pelos ensinamentos, incentivo, mas principalmente pela amizade destes anos todos.

Ao Prof. Dr. Nivaldo Boralle pela obtenção e interpretação dos dados de RMN, pela ajuda e amizade. A Irene, pela atenção e dedicação na obtenção das análises de infravermelho. Ao senhor Laércio Ferragina, da indústria DyStar, pela amostra do corante Dianix CC3R, gentilmente concedida.

A amiga Danielle de Oliveira pela amizade e colaboração neste trabalho. Aos amigos da CETESB-SP pela colaboração.

Ao Prof. Dr. Wagner Villegas e ao aluno Daniel Rinaldo pela ajuda na extração do corante.

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A toda minha família, em especial as minhas tias que rezaram muito para essa minha conquista.

As meninas da pós-graduação Sandra, Patrícia e Célia e as “ex- meninas” Izolina e Vilma, muitíssimo obrigada por toda ajuda, paciência e amizade. Com a ajuda de vocês foi mais fácil.

As bibliotecárias e em especial a Valéria e Priscila por todo esforço no meu auxílio. A todos do Instituto de Química da Unesp de Araraquara que são responsáveis pela manutenção da Instituição e a todos que direta ou indiretamente colaboraram na realização deste trabalho, meus sinceros agradecimentos.

A todos os professores do Instituto de Química que contribuíram para a minha formação profissional.

Ao Prof. Dr. Marc A. Anderson pela orientação e amizade durante o período do meu estágio no Water Chemistry Program, em Madison. Muito obrigada pela valiosa contribuição no meu trabalho e na minha formação profissional e pessoal, especialmente obrigada pela paciência, dedicação e alegria que sempre foram constantes durante a nossa convivência. Certamente foi um dos melhores períodos da minha vida, no qual eu tive a oportunidade de conhecer um brilhante cientista e certamente um grande amigo. Meu agradecimento especial a Profa. Dra. Isabel Tejedor pelo carinho, paciência, amizade e pelas valiosas sugestões e discussões sobre o meu trabalho.

A todos amigos do Water Chemistry Program, Dr. Walt Zeltner, Louise, Troy, Kevin, Greg, Ken, Paco, Rhong, Phill, Josh, Andrew, Jen e Jess, Rodolfo, Phoebe, Megan, Mary Possin, Eillen, Terry, Dean e Dr. Armstrong, meu muito obrigada pela receptividade e adorável convivência. Meu agradecimento especial também aos meus amigos Florence, Ben e Alouise, que me ensinaram que acima de tudo é preciso amar ao próximo, e são exemplos de pessoas que superaram as diferenças e os obstáculos sem perder a alegria de viver. Ao Jeo por me ajudar mesmo antes de chegar em Madison.

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"Quais as lições do abismo?

O abismo causa medo,

a planície é tranqüila. Mas os caminhos da planície

não nos testam, nada exigem e passam... Já o abismo nos dá as lições

do Amor e da Morte."

"... e a vida não é um caminho tão conhecido como pensamos... Há lições que ainda não aprendemos, porque nos acostumamos à

alegre despreocupação. É preciso saber enfrentar as durezas dos abismos da vida".

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Resumo

Na primeira etapa deste trabalho, o comportamento cromatográfico do corante

Disperso Dispersol Black CVS, e seus componentes isolados, foi investigado através do uso

da técnica de cromatografia líquida de alta eficiência com detector de arranjo de diodos. A

análise do cromatograma evidenciou a presença de 3 corantes dispersos distintos presentes na

amostra comercial de CVS e identificados como sendo Laranja CVS, Violeta CVS e Azul

CVS. A separação das espécies foi otimizada através do estudo da composição e da proporção

da fase-móvel, da temperatura da coluna e da vazão da fase móvel. As melhores condições

foram estabelecidas como sendo a fase móvel acetonitrila/água na proporção de 85:15, a

temperatura da coluna de 40 °C e vazão de 1,0 mL min1. Nestas condições, os corantes

Laranja CVS, Violeta CVS e Azul CVS, presentes na formulação comercial do corante

Disperso Dispersol Black CVS, foram identificados pelos tempos de retenção e pelas bandas

de máxima absorção e são caracterizados em 5,7 minutos e 430 nm, 7,3 minutos e 562 nm e

9,3 minutos e 592 nm, respectivamente. Com intuito de desenvolver uma metodologia

analítica para detecção destes corantes em amostras ambientais, curvas analíticas das espécies

foram traçadas e o método caracterizou-se como adequado para a análise de traços dessas

substâncias em amostras reais. O perfil eletroquímico das espécies foi também investigado e

em meio de acetonitrila foi possível estabelecer possíveis rotas metabólicas de oxidação e

redução para estes corantes. A degradação fotoeletrocatalítica do corante CVS em meio

aquoso foi investigada em eletrodos de filmes finos de Ti/TiO2 e os parâmetros inerentes à

técnica foram estudados. Os resultados apresentaram-se satisfatórios para a remoção de cor e

degradação destas espécies. O produto da fotoeletrocatálise foi comparado aos resultados

obtidos por cloração convencional e os resultados de mutagênese apontaram uma diminuição

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Abstract

In the first step of this work the chromatographic behavior of the Dispersol Black CVS

Disperse dye and their isolated species were investigated by High Performance Liquid

Chromatography with diode array detection. The chromatogram showed 3 Disperse dyes that

are unlike and are present in the CVS commercial sample. The dyes were identified as

Laranja CVS, Violeta CVS and Azul CVS. The species were separated and the

chromatographic conditions were optimized to the mobile-phase, column temperature and

mobile phase flow rate. The best conditions were established as acetonitrile/water 85:15, the

oven temperature was 40 °C and flow rate was 1.0 mL min-1. In these conditions the Laranja

CVS, Violeta CVS and Azul CVS present in the commercial sample of Dispersol dye were

identified by the retention time and wavelength and are characterized in 5.7 minutes and 430

nm to Laranja CVS, 7.3 minutes and 562 nm to Violeta CVS and finally 9.3 minutes and 592

nm to Azul CVS. The aim of this work was develop a sensible and selective method to

identify and quantify these species in environmental samples by analytical curves and was

possible to conclude that the chromatographic method was satisfactory for this purpose. The

electrochemical behavior of these dyes was investigated in acetonitrile and water media and

was possible to establish the oxidative and reductive metabolic routes as model for this kind

of dye. The photoelectrocatalysis of CVS dye in aqueous media was studied by using Ti/TiO2

thin films photoanodes. The results showed total color removal and 61% of mineralization. In

addition, The effluent treated by the photoelectrocatalytic method showed a much lower

mutagenicity compared to the effluent treated by the conventional chemical chlorination

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Sumário

CAPÍTULO I ...14

I – INTRODUÇÃO ...14

I – 1 - Corantes têxteis...14

I – 1.2 – Riscos toxicológicos...16

I – 2 – Teste de Ames ...23

I – 3 – Métodos de monitoramento para corantes ...26

I – 4 – Métodos de remediação de corantes têxteis ...27

I – 4.1 – Oxidação fotoeletrocatalítica ...32

I – 4.1.1 – Fotoeletrocatálise sobre TiO2...41

I – 4.1.2 – Preparação do TiO2...50

I – 5 – Justificativa ...57

I – 6 – Corantes Dispersos portadores de grupo azo como cromóforo...61

I – 6.1 – Corante Disperso Dispersol Black CVS ...64

CAPÍTULO II...65

II – OBJETIVOS ...65

CAPÍTULO III ...66

III – PARTE EXPERIMENTAL...66

III - 1 – Soluções ...66

III - 2 – Cromatografia em camada delgada e separação dos corantes...66

III - 3 – Análise cromatográfica – Metodologia para separação e quantificação ...67

III - 4 – Análise espectrofotométrica na região do UV-Visível ...68

III - 5 – Análise eletroquímica...68

III - 6 – Análise toxicológica...71

III - 7 – Experimentos de fotoeletrocatálise. ...72

III - 7.1 – Preparação do fotoânodo de TiO2. ...72

III - 7.2 – Célula de fotoeletrocatálise. ...73

III - 7.3 – Fotoeletrocatálises...74

III - 7.4 – Análise química dos produtos da fotoeletrocatálise...74

III - 8 – Análise de cloro fotogerado. ...75

III - 9 – Cloração química. ...76

CAPÍTULO IV ...77

IV – RESULTADOS E DISCUSSÃO ...77

IV - 1 – Análise Cromatográfica ...77

IV – 1.1 – Otimização dos parâmetros cromatográficos ...77

IV – 1.1.1 – Otimização da fase móvel ...77

IV – 1.1.2 – Otimização do vazão ...81

IV – 1.1.3 – Otimização da temperatura da coluna ...83

IV – 1.2 – Análise dos componentes isolados dos corantes ...86

IV – 1.3 – Análise espectrofotométrica dos picos dos corantes CVS e Dianix...90

IV – 1.4 – Metodologia analítica para determinação de corantes Dispersos através da técnica de Cromatografia líquida de alta eficiência com arranjo de diodos ...94

IV – 1.4.1 – Curvas Analíticas para os corantes Laranja Dianix, Laranja CVS, Violeta CVS e Azul CVS...94

IV – 1.4.2 – Investigação da presença dos corantes dispersos Laranja CVS, Violeta CVS e Azul CVS em amostras ambientais. ...100

IV - 2 – Comportamento eletroquímico dos corantes...111

IV – 2.1 – Redução eletroquímica do corante CVS em meio aquoso ...111

(12)

IV – 2.3 – Comportamento eletroquímica do corante CVS em meio não aquoso ...118

IV – 2.4 – Redução eletroquímica dos corantes dispersos em meio não aquoso ...119

IV - 3 – Fotoeletrocatálise do corante Disperso Dispersol Black CVS...132

IV – 3.1 – Caracterização dos eletrodos nanoporosos de Ti/TiO2...132

IV – 3.1.1 – Efeito da luz incidente...132

IV – 3.2 – Degradação dos corantes Laranja CVS, Violeta CVS e Azul CVS ...137

IV – 3.2.1 – Influência do potencial aplicado ...138

IV – 3.2.2 – Influência da concentração do eletrólito suporte...144

IV – 3.2.3 – Influência do pH na fotoeletrocatálise do corante CVS ...150

IV - 4 – Degradação fotoeletrocatalítica do Corante Disperso CVS em condições semelhantes ao efluente industrial ...154

IV - 5 – CONCLUSÕES ...162

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Lista de Esquemas

Esquema 1: C-Hidroxilação (hidroxilação do anel aromático)18_...18

Esquema 2: N-Hidroxilação e formação do composto Nitrenium18...19

Esquema 3: Reação do composto Nitrenium com o DNA (guanosina)18...19

Esquema 4: Desmetilação (metabolismo oxidativo)18_...20

Esquema 5: Mecanismo de redução do grupo azo18...21

Esquema 6: Reação de hidrólise do alcóxi-percursor de titânio. O termo OR refere-se aos grupos alcóxi ligados no átomo de titânio...52

Esquema 7: Reações de condensação do alcóxi-percursor de titânio. O termo () significa que o átomo de titânio pode estar ligado a mais três grupos OH ou grupos OR...53

Esquema 8: Reações de policondensação do alcóxi-precursor de titânio. ...53

Esquema 9: Secagem do gel para a obtenção do xerogel...53

Esquema 10: Calcinação do gel ou do xerogel para a obtenção do óxido desejado...54

Esquema 11: Mecanismo de reação catódica de compostos nitroaromáticos em acetonitrila150. ...122

Esquema 12: Mecanismo de reação catódica de compostos halonitroaromáticos em acetonitrila150. ...125

Esquema 13: Mecanismo de reação catódica de compostos azo aromáticos em acetonitrila150. ...126

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Lista de Figuras

Figura 1: Esquema representativo do modelo de bandas para o semicondutor TiO2...33

Figura 2: Representação esquemática da localização do nível de Fermi (Ef) em um (A) semicondutor intrínseco, (B) em um semicondutor do tipo-n e (C) em um semicondutor do tipo-p...42 Figura 3: Representação esquemática do equilíbrio termodinâmico estabelecido para um condutor do tipo-n (A) antes e (B) após a junção com a solução contendo o eletrólito ...44 Figura 4: Diagrama esquemático de um semicondutor do tipo-n/interface líquida após a junção no equilíbrio. A espessura das camadas não estão desenhadas na escala correta. EBCS é

a energia da banda de condução na interface e EBVS a energia da banda de valência na

interface. ...46 Figura 5: Representação esquemática do diagrama de uma reação fotoeletrocatalítica...48 Figura 6: Esquema das cinco etapas envolvidas na formação das camadas delgadas pelo processo de dip-coating128. ...55 Figura 7: Esquema ilustrando a retração devido a secagem e reações de policondensação durante a formação das camadas delgadas128. ...55 Figura 8: Diagrama dos pontos de coleta da região do Ribeirão dos Cristais...58 Figura 9: Estruturas moleculares dos componentes do corante Dispersol Black CVS: (A) Azul CVS, (B) Violeta CVS e (C) Laranja CVS. ...60 Figura 10: Esquema do conjunto de eletrodos e da célula empregada nos experimentos de Voltametria Cíclica. 1) Eletrodo de trabalho; 2) Eletrodo de referência Ag/Ag+; 3) Fio de platina; 4) eletrodo auxiliar; 5) Capilar de Lüggin; 6) Capacitor de 10PF...70 Figura 11: Célula fotoeletroquímica utilizada no processo de degradação do corante disperso. 1) eletrodo de trabalho Ti/TiO2 , 2) eletrodo auxiliar de Platina, 3) eletrodo de referência

(ECS), 4) borbulhador, 5) janela de quartzo e 6) fonte de irradiação. ...74 Figura 12: Ilustração do Aparelho de Kipp utilizado para a geração de cloro através da reação entre ácido clorídrico e permanganato de potássio...76 Figura 13: Cromatograma da solução mista (50:50 ACN/H2O) do corante Dianix Preto CC3R

1,00 g L-1 eluída com a fase móvel ACN/H2O 80:20. O inicial = 200 nm e O final = 800 nm. T

= 30 °C, f = 1,0 ml min-1. ...78 Figura 14: Cromatogramas da solução mista do corante Dianix Preto CC3R 1,00 g L-1 eluida com diferentes proporções da fase móvel Acetonitrila/H2O. O inicial = 200 nm e O final = 800

nm. T = 30 °C, f = 1,0 ml min-1. (A) 85:15 ACN/H2O, (B) 80:20 ACN/H2O e (C) 75:25

ACN/H2O. ...79

Figura 15: Cromatogramas da solução mista do corante Dianix Preto CC3R 1,00 g L-1 eluida ACN/H2O 85:15 em diferentes temperaturas da coluna. f = 1,0 ml min-1. O inicial = 200 nm e

O final = 800 nm. (A) T = 25 ºC, (B) T = 30 ºC, (C) T = 35 ºC e (D) T = 40 ºC. ...85 Figura 16: Perfil cromatográfico da amostra comercial do corante CVS (curva A), do corante disperso Laranja CVS (pico I) obtido em 430 nm (curva B), do corante disperso Violeta CVS (pico II) obtido em 562 nm (curva C) e do corante disperso Azul CVS (pico III) obtido em 592 nm (curva D). Condições cromatográficas: acetonitrila/água 85:15 como fase móvel, coluna C18 como fase estacionária, temperatura da coluna 40 °C e vazão de 1,0 mL min-1...87 Figura 17: Perfil cromatográfico da amostra comercial do corante Dianix (curva A), do

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corante disperso Laranja CVS, pico III: corante disperso Violeta CVS e pico IV: corante disperso Azul CVS. Condições cromatográficas: acetonitrila/água 85:15 como fase móvel, coluna C18 como fase estacionária, temperatura da coluna 40 °C e vazão de 1,0 mL min-1_...89

Figura 19: Espectros hidrodinâmicos de absorbância na região do UV-VIS obtidos por detecção de arranjo de diodos para os picos do corante Dianix Preto CC3R: (A) Laranja Dianix, (B) Violeta e (C) Azul; Fase móvel ACN/H2O 85:15, T = 40 °C, f = 1,0 mL min-1. O

inicial = 200 nm e O final = 800 nm. ...91 Figura 20: Espectros hidrodinâmicos de absorbância na região do UV-VIS obtidos por

detecção de arranjo de diodos para os picos dos componentes isolados do corante Dispersol Black CVS: (A) Laranja CVS; (B), Violeta CVS e (C) Azul CVS; Fase móvel ACN/H2O

85:15, T = 40 °C, f = 1,0 mL min-1. O inicial = 200 nm e O final = 800 nm...92 Figura 21: Curva Analítica obtida a partir das soluções do corante disperso Laranja CVS. Acetonitrila/Água 85:15, 40 °C, f = 1,0 mL min-1. O = 433 nm...96 Figura 22: Curva Analítica obtida a partir das soluções do corante disperso Violeta CVS. Acetonitrila/Água 85:15, 40 °C, f = 1,0 mL min-1. O = 562 nm...96 Figura 23: Curva Analítica obtida a partir das soluções do corante disperso Azul CVS.

Acetonitrila/Água 85:15, 40 °C, f = 1,0 mL min-1. O = 595 nm...97 Figura 24: Curva Analítica obtida a partir das soluções do corante disperso Laranja Dianix. Acetonitrila/Água 85:15, 40 °C, f = 1,0 mL min-1. O = 443 nm...97 Figura 25: Cromatogramas do corante disperso Laranja CVS presente (1) efluente bruto da indústria de tingimento e (2) no efluente tratado. Cromatogramas obtidos em 430 nm,

ACN/H2O 85:15, 40 °C e f = 1,0 mL min-1. Espectro UV-Vis. obtido em tr = 5,3 minutos. .104

Figura 26: Cromatogramas do corante disperso Violeta CVS presente (1) efluente bruto da indústria de tingimento e (2) no efluente tratado. Cromatogramas obtidos em 562 nm,

ACN/H2O 85:15, 40 °C e f = 1,0 mL min-1. Espectro UV-Vis. obtido em tr = 7,1 minutos ..104

Figura 27: Cromatogramas do corante disperso Azul CVS presente (1) efluente bruto da indústria de tingimento e (2) no efluente tratado. Cromatogramas obtidos em 592 nm,

ACN/H2O 85:15, 40 °C e f = 1,0 mL min-1. Espectro UV-Vis. obtido em tr = 9,1 minutos ..105

Figura 28: Cromatogramas dos corantes dispersos (A) Laranja CVS (430 nm), (B) Violeta CVS (562 nm) e (C) Azul CVS (592 nm) presentes no (1) lodo da ETA/Cajamar e (2)

Sedimento na entrada da ETA. Condições: ACN/H2O 85:15, 40 °C e f = 1,0 mL min-1...106

Figura 29: Cromatogramas dos corantes dispersos (A) Laranja CVS (430 nm), (B) Violeta CVS (562 nm) e (C) Azul CVS (592 nm) presentes no (1) água na entrada da ETA/Cajamar, (2) água pré-clorada na entrada da ETA e (3) água na saída da ETA para abastecimento. Condições: ACN/H2O 85:15, 40 °C e f = 1,0 mL min-1...107

Figura 30: Resultados de mutagenicidade para as amostras de efluentes descartados no Rio Cristais, utilizando-se as linhagens YG 1041 com e sem S9. ...109 Figura 31: Resultados de mutagenicidade para as amostras de águas superficiais coletadas no Rio Cristais, utilizando-se as linhagens YG 1041 com e sem S9...109 Figura 32: Resultados de mutagenicidade para as amostras de sedimentos coletados no Rio Cristais, utilizando-se as linhagens YG 1041 com e sem S9. ...110 Figura 33: Voltamograma cíclico da redução do (A) eletrólito suporte e de (B) 0,50 g L-1_do

(16)

Figura 36: Efeito da variação do pH sobre o potencial e corrente do pico catódica do corante CVS 0,50 g L-1, obtido de voltamogramas cíclicos a 0,05 V s-1 em carbono vítreo vs.

Ag/AgCl em tampão B-R 4,0x10-2 mol L-1 pH 2,0 a 8,0 para o pico II. () Ipc (PA) e () Epc (V) ...114 Figura 37: Voltamograma cíclico da oxidação do (A) eletrólito suporte e de (B) 0,50 g L-1_do

corante CVS em tampão B-R 4,0x10-2 mol L-1 pH 2,0 sobre eletrodo de carbono vítreo vs. Ag/AgCl, Q = 0,05 V s-1. ...115 Figura 38: Voltamograma cíclico da oxidação do (A) eletrólito suporte e de (B) 0,50 g L-1 do corante CVS em tampão B-R 4,0x10-2 mol L-1 pH 12,o sobre eletrodo de carbono vítreo vs. Ag/AgCl, Q = 0,05 V s-1. ...116 Figura 39: Efeito da variação do pH sobre o potencial e corrente do pico anódica do corante CVS 0,50 g L-1, obtido de voltamogramas cíclicos a 0,05 V s-1 em carbono vítreo vs.

Ag/AgCl em tampão B-R pH 2,0 a 10,0. () Ipa (PA) e () Epa (V). ...117 Figura 40: Voltamogramas cíclicos da redução do corante Azul CVS 5,00 g L-1 em

acetonitrila + NaClO4 0,2 mol L-1 sobre eletrodo de carbono vítreo vs. Ag/Ag+, Q = 0,05 V s-1.

...120 Figura 41: Voltamogramas cíclicos da redução do corante Violeta 5,00 g L-1 em acetonitrila + NaClO4 0,2 mol L-1 sobre eletrodo de carbono vítreo vs. Ag/Ag+, Q = 0,05 V s-1. ...120

Figura 42: Voltamogramas cíclicos da redução do corante Laranja CVS 0,10 g L-1 em Acetonitrila + NaClO4 0,2 mol L-1 sobre eletrodo de carbono vítreo vs. Ag/Ag+, Q = 0,05 V s -1_...121

Figura 43: Estruturas moleculares em 3 dimensões dos corantes (A) Azul CVS, (B) Violeta CVS e (C) Laranja CVS. ...123 Figura 44: Voltamogramas cíclicos da oxidação do corante Azul 5,00 g L-1 em Acetonitrila + NaClO4 0,2 mol L-1 sobre eletrodo de carbono vítreo vs. Ag/Ag+, Q = 0,05 V s-1...127

Figura 45: Voltamogramas cíclicos da oxidação do corante Violeta 5,00 g L-1_{em Acetonitrila}

+ NaClO4 0,2 mol L-1 sobre eletrodo de carbono vítreo vs. Ag/Ag+, Q = 0,05 V s-1...128

Figura 46: Voltamogramas cíclicos da oxidação do corante Laranja CVS 0,10 g L-1 em Acetonitrila + NaClO4 0,2 mol L-1 sobre eletrodo de carbono vítreo vs. Ag/Ag+, Q = 0,05 V s -1_...128

Figura 47: Curvas de fotocorrente-potencial obtidas para o eletrodo de Ti/TiO2 em NaCl

1,0x10-3 mol L-1 pH 7,0 sem irradiação (curva A) e sob irradiação a 305 nm (curva B).

Velocidade de varredura de 10 mV s-1. ...133 Figura 48: Curva de fotocorrente em função do comprimento de onda obtida para o eletrodo de Ti/TiO2 em NaCl 1,0x10-3 mol L-1, pH 7,0, E = +1,0 V na região de 200 a 500 nm. ...135

Figura 49: Curvas de fotocorrente em função do potencial obtidas para o eletrodo de Ti/TiO2

em NaCl 1,0x10-3 mol L-1, pH 7,0, sem irradiação (curva A) e irradiado com luz nos comprimentos de onda de 365 nm (curva B), em 290 nm (curva C), em 305 nm (curva D). Velocidade de varredura de 10 mV s-1. ...136 Figura 500: Remoção dos corantes Dispersos: () Laranja CVS (tr = 5,7 min.), ( ) Violeta CVS (tr = 7,3 min.) e () Azul CVS (tr = 9,3 min.). Fotoeletrocatálise em NaCl 0,2 mol L-1, pH 3,0, Concentração do corante CVS = 0,01 g L-1, E = +0,8 V, O = 305 nm, fotoânodo de Ti/TiO2. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel,

coluna C18 como fase estacionária, temperatura da coluna 40 °C e vazão de 1,0 mL min-1. 139 Figura 511: Fotodescoloração dos corantes dispersos: () Laranja CVS (430 nm),

( ) Violeta CVS (562 nm) e () Azul CVS (592 nm). Fotoeletrocatálise em NaCl 0,2 mol L-1, pH 3,0, Concentração do corante CVS = 0,01 g L-1, E = +0,8 V, O = 305 nm, fotoânodo de Ti/TiO2. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel,

(17)

Figura 522: Remoção dos corantes dispersos: () Laranja CVS (tr = 5,7 min.), ( ) Violeta CVS (tr = 7,3 min.) e () Azul CVS (tr = 9,3 min.). Fotoeletrocatálise em NaCl 0,2 mol L-1_{, pH 3,0, Concentração do corante CVS = 0,01 g L}-1_{, E = +1,0 V,}

O = 305 nm, fotoânodo de Ti/TiO2. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel,

coluna C18 como fase estacionária, temperatura da coluna 40 °C e vazão de 1,0 mL min-1. 140 Figura 544: Remoção dos corantes dispersos: () Laranja CVS (tr = 5,7 min.), ( ) Violeta CVS (tr = 7,3 min.) e () Azul CVS (tr = 9,3 min.). Fotoeletrocatálise em NaCl 0,2 mol L-1, pH 3,0, Concentração do corante CVS = 0,01 g L-1, E = +1,2 V, O = 305 nm, fotoânodo de Ti/TiO2. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel,

coluna C18 como fase estacionária, temperatura da coluna 40 °C e vazão de 1,0 mL min-1. 141 Figura 566: Remoção dos corantes dispersos: () Laranja CVS (tr = 5,7 min.), ( ) Violeta CVS (tr = 7,3 min.) e () Azul CVS (tr = 9,3 min.). Fotoeletrocatálise em NaCl 0,2 mol L-1, pH 3,0, Concentração do corante CVS = 0,01 g L-1, E = +1,4 V, O = 305 nm, fotoânodo de Ti/TiO2. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel,

coluna C18 como fase estacionária, temperatura da coluna 40 °C e vazão de 1,0 mL min-1. 142 Figura 58: Cromatogramas da amostra comercial do corante CVS 0,01 g L-1 (1) antes da fotoeletrocatálise e (2) após a fotoeletrocatálise em NaCl 0,2 mol L-1, pH 3,0 em Ti/TiO2, E =

+0,8 V. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel, coluna C18 como fase estacionária, temperatura da coluna 40 °C e vazão de 1,0 mL min-1. Tempo de análise de 3 horas...144 Figura 59: Espectros de absorção na região do UV-Vis correspondente as soluções padrões de permanganato de potássio equivalentes ao cloro ativo submetidas à reação com DPD em tampão fosfato. Curvas : (1) 0,05 mg L-1,(2) 0,25 mg L-1, (3) 0,50 mg L-1, (4) 1,00 mg L-1, (5) 1,50 mg L-1, (6) 2,00 mg L-1, (7) 2,50 mg L-1,(8) 3,00 mg L-1, (9) 3,50 mg L-1, (10) 4,00 mg L

-1_...148

Figura 60: Avaliação da geração fotoeletrocatalítica de Cl2 em função do pH.

Fotoeletrocatálises em Ti/TiO2, NaCl 0,05 mol L-1, E = +1,0 V, O = 305 nm. ...149

Figura 61: Avaliação da geração fotoeletrocatalítica de Cl2 em função do potencial aplicado.

Fotoeletrocatálises em Ti/TiO2, NaCl 0,05 mol L-1, pH 7,0, O = 305 nm. ...149

Figura 62: Remoção dos corantes dispersos: () Laranja CVS (tr = 5,7 min.), ( ) Violeta CVS (tr = 7,3 min.) e () Azul CVS (tr= 9,3 min.). Fotoeletrocatálise em NaCl 0,05 mol L-1, pH 2,0, Concentração do corante CVS = 0,01 g L-1, E = +1,0 V, O = 305 nm, fotoânodo de Ti/TiO2. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel,

(18)

Figura 63: Fotodescoloração dos corantes dispersos: () Laranja CVS (430 nm), ( ) Violeta CVS (562 nm) e () Azul CVS (592 nm). Fotoeletrocatálise em NaCl 0,05 mol L-1_{, pH 2,0, Concentração do corante CVS = 0,01 g L}-1_{, E = +1,0 V,}

O = 305 nm, fotoânodo de Ti/TiO2. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel,

coluna C18 como fase estacionária, temperatura da coluna 40 °C e vazão de 1,0 mL min-1. 151 Figura 64: Remoção dos corantes dispersos: () Laranja CVS (tr = 5,7 min.), ( ) Violeta CVS (tr = 7,3 min.) e () Azul CVS (tr= 9,3 min.). Fotoeletrocatálise em NaCl 0,05 mol L-1, pH 7,0, Concentração do corante CVS = 0,01 g L-1, E = +1,0 V, O = 305 nm, fotoânodo de Ti/TiO2. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel,

( ) Violeta CVS (562 nm) e () Azul CVS (592 nm). Fotoeletrocatálise em NaCl 0,05 mol L-1, pH 7,0, Concentração do corante CVS = 0,01 g L-1, E = +1,0V, O = 305 nm, fotoânodo de Ti/TiO2. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel,

coluna C18 como fase estacionária, temperatura da coluna 40 °C e vazão de 1,0mL min-1..152 Figura 66: Remoção dos corantes dispersos: () Laranja CVS (tr = 5,7 min.), ( ) Violeta CVS (tr = 7,3 min.) e () Azul CVS (tr= 9,3 min.). Fotoeletrocatálise em NaCl 0,05 mol L-1, pH 12, Concentração do corante CVS = 0,01 g L-1, E = +1,0 V, O = 305 nm, fotoânodo de Ti/TiO2. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel,

coluna C18 como fase estacionária, temperatura da coluna 40 °C e vazão de 1,0mL min-1..153 Figura 67: Fotodescoloração dos corantes dispersos: () Laranja CVS (430 nm),

( ) Violeta CVS (562 nm) e () Azul CVS (592 nm). Fotoeletrocatálise em NaCl 0,05 mol L-1, pH 12, Concentração do corante CVS = 0,01 g L-1, E = +1,0 V, O = 305 nm, fotoânodo de Ti/TiO2. Condições cromatográficas: Acetonitrila/Água 85:15 como fase móvel,

coluna C18 como fase estacionária, temperatura da coluna 40 °C e vazão de 1,0mL min-1..153 Figura 68: Cromatogramas da formulação comercial do corante CVS 0,01 g L-1 (1) antes e (2) após 1h de fotoletrocatálise em Ti/TiO2 em solução NaCl 0,2 mol L-1 pH 4,0, E = +1,0 V.

Condições: ACN/Água 85:15, 40 °C e f = 1,0mL min-1. ...155 Figura 69: Espectros hidrodinâmicos de absorção na região UV-Vis. para os componentes do corante CVS 0,01 g L-1 (1) antes e (2) após 1h de fotoeletrocatálise em Ti/TiO2 em solução

NaCl 0,2 mol L-1 pH 4,0, E = +1,0 V. Condições: ACN/Água 85:15, 40 °C e f = 1,0 mL min-1. ...155 Figura 70: Avaliação da remoção de cor dos corantes dispersos Laranja, Violeta e Azul CVS através da análise das absorbâncias dos espectros de absorção hidrodinâmicos durante 1 h de fotoeletrocatálise em Ti/TiO2 em solução NaCl 0,2 mol L-1 pH 4,0, E = +1,0 V. Condições:

ACN/Água 85:15, 40° C e f = 1,0 mL min-1. ...156 Figura 71: Avaliação da remoção dos corantes dispersos Laranja, Violeta e Azul CVS através da análise das áreas dos picos cromatográficos (concentração das espécies) durante 1 h de fotoeletrocatálise em Ti/TiO2 em solução NaCl 0,2 mol L-1 pH 4,0 , E = +1,0 V. Condições:

ACN/Água 85:15, 40 °C e f = 1,0 mL min-1. ...156 Figura 72: Avaliação da remoção de carbono orgânico total da solução do corante CVS 0,01 g L-1 _{durante 2 h de fotoeletrocatálise em Ti/TiO}

2 em solução NaCl 0,2 mol L-1 pH 4,0, E =

+1,0 V. ...157 Figura 73: Avaliação da mutagênese do corante CVS 0,01 g L-1 antes e após 2 horas de

fotoeletrocatálise em Ti/TiO2 em solução NaCl 0,2 mol L-1 pH 4,0, E = +1,0 V. ...158

(19)

presentes na formulação comercial (1) antes e (2) após a cloração. Cloro residual 1,5 ppm. Condições: ACN/Água 85:15, 40 °C e f = 1,0 mL min-1. ...160 Figura 76: Avaliação da mutagênese do corante CVS 0,01 g L-1 _{(1) após 2 h de}

fotoeletrocatálise em Ti/TiO2 em solução NaCl 0,2 mol L-1 pH 4,0, E = +1,0 V (2) CVS

(20)

Lista de Tabelas

Tabela 1: Resultados obtidos em alguns testes realizados no diagnóstico do Ribeirão dos Cristais...59 Tabela 2:: Parâmetros cromatográficos obtidos para eluição da solução do corante Dianix Preto CC3R 1,00 g L-1_{para a fase móvel ACN/H}

2O 85:15. T = 30 °C e f = 1,0 mL min-1...80

Tabela 3: Parâmetros cromatográficos obtidos para eluição da solução do corante Dianix Preto CC3R 1,00g L-1 para a fase móvel ACN/H2O 80:20. T = 30 °C e f = 1,0 mL min-1...80

Tabela 4: Parâmetros cromatográficos obtidos para eluição da solução do corante Dianix Preto CC3R 1,00 g L-1 para a fase móvel ACN/H2O 75:25. T = 30 °C e f = 1,0 mL min-1...80

Tabela 7: Parâmetros cromatográficos obtidos para eluição da solução do corante Dianix Preto CC3R 1,00 g L-1_{para a fase móvel ACN/H}

2O 85:15. T = 30 °C e f = 1,0 mL min-1...82

Tabela 9: Parâmetros cromatográficos obtidos para eluição da solução do corante Dianix Preto CC3R 1,00 g L-1 para a fase móvel ACN/H2O 85:15. f = 1,0 mL min-1...84

Tabela 10: Parâmetros cromatográficos obtidos para eluição da solução do corante Dianix Preto CC3R 1,00 g L-1 para a fase móvel ACN/H2O 85:15. f = 1,0 mL min-1...84

Tabela 11: Resultados espectrofotométricos e cromatográficos obtidos para a formulação comercial do corante CVS e para a formulação comercial do corante Dianix Preto CC3R. ...89 Tabela 12: Resultados obtidos a partir das curvas analíticas pelo método cromatográfico. ....98 Tabela 13: Resultados obtidos a partir das curvas analíticas dos corantes dispersos presentes na formulação comercial CVS pela técnica de CLAE-DAD, na faixa entre 0,50 ng a 2,00 ng.

...100 Tabela 14: Determinação dos componentes Laranja CVS, Violeta CVS e Azul CVS nas amostras ambientais das águas superficiais do Rio Cristais através da técnica de CLAE-DAD.

...102 Tabela 15: Determinação dos componentes Laranja CVS, Violeta CVS e Azul CVS nas amostras ambientais sólidas do Rio Cristais através da técnica de CLAE-DAD...103 Tabela 16: Determinação dos componentes Laranja CVS, Violeta CVS e Azul CVS nas amostras ambientais dos efluentes industriais através da técnica de CLAE-DAD. ...103 Tabela 17: Potenciais eletroquímicos para a redução dos corantes investigados...125 Tabela 18: Potenciais eletroquímicos para a oxidação dos corantes investigados. ...131 Tabela 19: Análise da remoção do corante CVS 0,01 g L-1 por CLAE-DAD através da

oxidação fotoeletrocatalítica em NaCl pH 3,0 em Ti/TiO2, E = +1,0 V durante 3 horas...145

Tabela 20: Análise da descoloração do corante CVS 0,01 g L-1 através da oxidação

(21)

CAPÍTULO I

I – INTRODUÇÃO

I – 1 - Corantes têxteis

A cor tem papel notadamente dominante em nossa vida diária, mas que passa

despercebida na maior parte do tempo. Contudo, desde a criação da civilização o homem tenta

reproduzir as tonalidades da natureza, tanto por questões funcionais como puramente

estéticas. No início os corantes eram quase sempre isolados de fontes naturais, principalmente

de origem animal ou vegetal. Naturalmente, as propriedades de muitas destas substâncias

estavam longe do ideal e somado a indisponibilidade comercial das fontes de suprimento, o

homem sentiu-se encorajado para buscar por corantes sintéticos com propriedades superiores.

Logo, os corantes naturais foram quase que completamente trocados pelos sintéticos no início

do século XX1,2.

Os corantes são denominados de maneira geral como sendo substâncias orgânicas com

alto grau de coloração. A literatura sobre corantes sintéticos é complexa, pois o mesmo tipo

de corante pode possuir diferentes nomenclaturas. Isto ocorre porque os corantes podem ser

classificados de duas maneiras, de acordo com sua estrutura química ou, no caso de corantes

têxteis, pelo modo que o mesmo é fixado a fibra têxtil3-8.

Na primeira classificação os corantes são agrupados de acordo com o grupo funcional

que atua como cromóforo, tais como: azo, antraquinona, sulfonado, polimetino, nitro, nitroso,

arilmetano, xanteno, cumarino e outros6-7. Por outro lado, a classificação pelo modo de

fixação geralmente é a mais utilizada e refere-se à maneira na qual o corante é aplicado à fibra

seguindo 4 tipos de interações químicas: Iônicas, Van der Walls, Pontes de Hidrogênio e

Covalentes. Considerando os diferentes tipos de fibras (naturais e sintéticas) neste tipo de

(22)

cuba, corantes de enxofre, corantes dispersos, corantes pré-metalizados e corantes

branqueadores6-7_.

Todos os anos centenas de novos compostos coloridos são descritos na literatura para

uma multiplicidade de aplicações seja na indústria têxtil, farmacêutica, de cosméticos, de

plásticos, fotográficas, automobilística, de papel e alimentícia. O Colour Index lista mais de

8.000 corantes orgânicos sintéticos associados à indústria têxtil, sendo as características

básicas destes compostos a fidelidade, a persistência e a alta resistência da cor em relação à

variação de luz, à lavagem, à transpiração e ao tempo, mas acima de tudo os mesmos devem

ser economicamente viáveis9.

Muito embora a indústria têxtil apresente considerável relevância no setor da economia

nacional e mundial esta mesma indústria vem gerando, durante décadas, milhões de toneladas

destes compostos10-11. Mais de 700.000 toneladas de 10.000 tipos de corantes e pigmentos são

produzidos anualmente, dos quais 20 % são descartados nos efluentes durante o processo de

tintura e durante o processo de produção do corante12. Outras estimativas apontam que cerca

de meia tonelada desta classe de compostos é lançada ao dia no meio ambiente3_{. Muitos}

destes resíduos de corantes sintéticos não são tratados com sucesso pelos métodos

convencionais devido a sua estrutura complexa e a diversificação da matriz durante o

processo de tintura, o que pode acarretar problemas ambientais.

O problema da coloração dos efluentes foi identificado particularmente pela baixa

eficiência de agregação do corante a fibra contribuindo para o descarte destas espécies nos

efluentes têxteis3. Como exemplo podem ser citados os corantes ácidos, reativos e dispersos.

O grande problema do corante reativo é que sua reatividade é usualmente favorecida em meio

alcalino (carbonato, pH 10,0) e altas temperaturas (80-100 0C). Estas condições

experimentais, no entanto podem promover reações paralelas indesejáveis como a formação

(23)

grupo quimicamente ativo do corante reage com a hidroxila do meio, tornando-o inativo para

reação com a hidroxila ou amina da fibra acarretando em uma baixa fixação que oscila entre

60 a 90 %13-15. Os corantes ácidos requerem grande concentração de sais e meio altamente

ácido para protonação da fibra. No entanto, um grande problema da indústria têxtil é a

aplicação dos corantes dispersos, pois estes apresentam baixa solubilidade em água o que

favorece a perda de 50 % do mesmo durante a etapa de tintura16. Somado a geração de

resíduos altamente coloridos e com grande carga orgânica, o setor têxtil ainda consome uma

grande quantidade de água. Por exemplo, para o processamento de cada quilograma de

algodão consome-se em média 200 L de água e 120 L para o processamento de cada

quilograma de seda17.

Desta forma, a coloração em efluentes de indústrias que utilizam corantes não é apenas

um problema estético como se acreditava há alguns anos atrás. A complexidade da carga

orgânica e a toxicidade dos efluentes têm causado muitas conseqüências ambientais. Portanto,

a busca por soluções não se limita somente à retirada da coloração dos efluentes, mas ao

desenvolvimento de tecnologias que permitam degradação da carga orgânica e o

acompanhamento de traços destas substâncias em efluentes e águas de abastecimento.

I – 1.2 – Riscos toxicológicos

Os riscos toxicológicos e ecológicos destas substâncias são baseados principalmente na

avaliação de sua estrutura química, solubilidade, possíveis interações, rotas metabólicas e

avaliação da relação risco/custo/benefício3. Entretanto, a informação disponível sobre a

toxicidade e risco dos corantes produzidos e empregados é quase inexistente para a sociedade

em geral, apesar da vasta quantidade gerada pela indústria ao redor do mundo. Os riscos

(24)

modo e tempo de exposição, ingestão oral, sensibilização da pele, sensibilização das vias

respiratórias3_.

As principais rotas de biotransformação envolvendo os corantes são oxidação, redução,

hidrólise e conjugação18. Adicionalmente a subdivisão dos corantes azo em dois grupos: 1)

solúveis em água e os 2) insolúveis em água justifica as diferenças nas rotas metabólicas desta

classe de corantes18.

Todos os processos metabólicos são catalisados por enzimas que direcionam para as

respectivas rotas e para os produtos formados. No caso dos corantes azo, os processos de

oxidação e redução são os mais importantes mecanismos de degradação destes18.

Corantes azo insolúveis em água ou com grande solubilidade lipídica sofrem

preferencialmente reações de oxidação. Estes processos oxidativos são em grande parte

catalisados pelo sistema microssomal monooxygenase representado pelo citocromo P-45018.

O mecanismo geral da oxidação metabólica baseia-se na transferência de 1 elétron da cadeia

principal para o complexo P-450-Fe3+, o qual é reduzido e as etapas finais como a introdução

de oxigênio levam aos produtos oxidados no organismo. Três diferentes rotas de oxidação são

importantes para os corantes azo, e todas são conduzidas sem a quebra da ligação azo18:

1) C-Hidroxilação – ocorre a hidroxilação de um anel do corante azo,

provavelmente precedida pelo mecanismo de epoxidação e subseqüente

rearranjo para fenol (Esquema 1).

2) N-Hidroxilação – ocorre nos grupos amino primários ou secundários ou com

grupos acetilamino no fígado. Esta reação é seguida pela esterificação com

gluconato ou sulfato. Este éster ativado pode levar a excreção de um produto

agora solúvel em água ou a quebra deste grupo esterificado com a formação de

(25)

ligar-se a grupos nucleofílicos do DNA, como por exemplo, com o nucleosídeo

guanosina (Esquema 3) levando a formação de aductos de DNA, o que

caracteriza o comportamento mutagênico de uma substância química.

3) Desmetilação – ocorre pela oxidação dos grupos metila dos compostos

dialquilamino. O derivado N-hidroxil pode ser futuramente desmetilado ou

reagir com o composto nitrenium (Esquema 4).

oxid.

H O

H OH

N N N

CH C H 3 3 Oxid. 3 3 H C H C N N N HO NH₂ oxid. NH₂ OH oxid. H O H OH

N N N

CH C H 3 3 Oxid. 3 3 H C H C N N N HO NH₂ oxid. NH₂ OH

(26)

N N NHR N OH

Oxid.

P-450 R

NR

O Glu O

NR SO_₃

excreção ou

excreção ou OSO₃2

_ _ _ OGlu_ _ UDPGA PAPS

UDPGA transferase sulfotransferase

NR H

.

NR

íon nitrenium

R = H, CH₃, COCH₃

N N NHR N

OH

Oxid.

P-450 R

NR

O Glu O

NR SO_₃

excreção ou

excreção ou OSO₃2

_ _ _ OGlu_ _ UDPGA PAPS

UDPGA transferase sulfotransferase

NR H

.

NR

íon nitrenium

R = H, CH₃, COCH₃

Esquema 2: N-Hidroxilação e formação do composto Nitrenium18_.

N N H N N O N H2 dRib N N H N N O N H2 dRib N R N N H N N O NH dRib N H R + d-Guanosina +

N R _N

N H N N O N H2 dRib N N H N N O N H2 dRib N R N N H N N O NH dRib N H R + d-Guanosina + N R

(27)

N N N CH₃

CH₃

Oxid. P-450 N

CH

CHOH₂

3 CH3

N

H + HCHO

N CH3

N H H

OH

N-Oxidação segundadesmetilação

N N N

CH₃

Oxid. P-450 N

CH

CHOH₂

3 CH3

N

H + HCHO

N CH3

N H H

OH

N-Oxidação segundadesmetilação

Esquema 4: Desmetilação (metabolismo oxidativo)18_.

Sem dúvida a reação de redução metabólica mais predominante em corantes azo ocorre

pela clivagem da ligação azo18. Esta redução é preferencial para corantes solúveis em água.

As enzimas responsáveis são as azoredutases representadas pelo sistema microssomal

NADH-citocromo P-450, sendo o NADH doador de elétrons. Este sistema é encontrado no fígado ou

formado por muitas espécies de bactérias anaeróbicas no intestino grosso.

O mecanismo da azoredutase em mamíferos envolve a transferência de 2 elétrons com a

geração de um radical livre como intermediário (Esquema 5)18. A habilidade de redução é

altamente dependente do sistema de enzimas e dos grupos substituintes presentes na molécula

original do corante azo. Em alguns casos grupos mais eletronegativos inibem a reação

(28)

N N

[

]

e-]

[

N N

-e radical livre -e N N

[

]

2

-2 H+ rápido N N H H 2 e 2 H -+ NH₂ ₊ H N₂

N N

[

]

e-]

[

N N

-e radical livre -e N N

[

]

2

-2 H+ rápido N N H H 2 e 2 H -+ NH₂ ₊ H N₂

Esquema 5: Mecanismo de redução do grupo azo18_.

É ampla a evidência que corantes azo solúveis em água, se oralmente administrados são

metabolizados pela microflora intestinal. Adicionalmente, corantes sulfonados são excretados

mais rapidamente por serem compostos solúveis. Corantes insolúveis em água são

eficientemente absorvidos no intestino sem redução bacteriana18. A gluconação metabólica

ocasionada no fígado forma conjugados solúveis os quais são subseqüentemente transportados

via bile para dentro do intestino onde a redução da ligação azo ocorre via bacteriana. Os

metabólitos excretados são necessariamente mais polares que o corante original, o que deixa

claro, que neste caso, nem a estrutura inicial do corante nem seus metabólitos tem potencial

de bioacumulação. A maior característica dos metabólitos da redução da ligação azo é a

formação das aminas aromáticas, cujas características estruturais influenciam a potencialidade

mutagênica do corante18.

Os riscos toxicológicos de corantes sintéticos a saúde humana estão intrinsecamente

relacionados ao modo e tempo de exposição, ingestão oral, sensibilização da pele,

(29)

compostos com a pele concernem a processos de dermatites causadas por certos corantes não

incorporados totalmente ao tecido, que podem comprometer principalmente os consumidores

que mantém grande proximidade entre o tecido e zonas da pele sujeitas à transpiração. Os

problemas respiratórios mais relatados são sintomas de asma e rinites alérgicas8-9. Contudo,

de um modo geral, o nível de risco à população parece ser pequeno quando comparado aos

estudos envolvendo ingestão oral destes compostos. Alguns órgãos internacionais como a

Comunidade Européia já tem banido a utilização de alguns corantes, dentro os quais a grande

parte são de corantes azo10-11.

Devido à vasta quantidade de corantes e a escassos estudos de toxicidade, pouco se sabe

a respeito dos efeitos mutagênicos e carcinogênicos deste compostos18-23. Apenas um número

reduzido de corantes pode apresentar toxicidade aguda, ou seja, uma quantidade do corante

que ingerido poderia conduzir a morte imediata, mais especificamente os bis-azo e os

catiônicos24. Estudos recentes têm associado alguns corantes com o câncer de bexiga em

humanos, alguns sarcomas, hepatocarcinomas, anomalias nucleares em experimentos com

animais e aberrações cromossômicas em células de mamíferos23_{. Alguns pesquisadores}

também acreditam que certos tipos de câncer em mamíferos podem ser causados devido à

formação de substâncias mais nocivas provenientes da decomposição microbiológicas, via

catálise enzimática, no organismo humano ou até mesmo da formação de radicais livres

provenientes desta degradação19. Alguns estudos comprovam a formação de benzidina,

substância extremamente mutagênica, proveniente de um corante metabolizado na microflora

intestinal humana3,18. Muitos outros corantes como os dispersos são sintetizados a partir da

própria benzidina, de compostos aromáticos e de nitro-compostos e podem ser reduzidos em

sedimentos e no intestino gerando aminas tóxicas. Os corantes dispersos apresentam ainda

(30)

I – 2 – Teste de Ames

Vários testes podem ser empregados para a análise da toxicidade de uma substância.

Um ensaio que tem sido muito empregado para análise de mutagênese de compostos

orgânicos é conhecido como teste de mutação reversa ou teste de Ames25_{. Muitas evidências}

indicam que as mutações de ponto causam doenças genéticas humanas. Mutações em células

somáticas e/ou células germinativas estão envolvidas em casos de câncer e doenças

hereditárias e, conforme descoberto mais recentemente, em outras moléstias, como a anemia,

e em distúrbios cardiovasculares, neurocomportamentais e de desenvolvimento, além de

interferirem no processo de envelhecimento. O teste de mutação reversa que utiliza bactérias

(teste de Ames, ensaio Salmonella/microssoma) é eficiente para detectar uma grande

variedade de compostos mutagênicos25. A maioria das linhagens bacteriana utilizadas no teste

apresenta características que as tornam mais sensíveis para detecção de mutações, incluindo

seqüências sítio-específicas no DNA que respondem positivamente para reversão, aumento da

permeabilidade celular a grandes moléculas, ausência do sistema de reparo de DNA livre de

erro e plasmídios contendo genes que causam aumento do processo de reparo sujeito a erro. A

especificidade das linhagens fornece informações sobre os tipos de mutações que são

induzidas por agentes genotóxicos. Existem bancos de dados disponíveis contendo resultados

do teste com Salmonella para uma grande variedade de compostos químicos, medicamentos e

misturas complexas25.

Este teste de mutação gênica utiliza células procarióticas, as quais diferem das células

de mamíferos em fatores tais como permeabilidade, metabolismo, estrutura dos cromossomos

e processo de reparo do DNA. Os testes são realizados in vitro, acrescidos de uma fonte

exógena de metabolização visando mimetizar parcialmente as condições de metabolização de

(31)

apesar da boa concordância dos resultados com o teste de Ames e ensaios de

carcinogenicidade com roedores (61 %, de acordo com o último estudo realizado pelo

National Toxicology Program com 446 compostos), que é o mais aceito, embora seja

dispendioso em tempo e em custos, contudo o teste de Ames é rápido e preciso.

O teste emprega linhagens de Salmonella typhimurium derivadas da parental LT2,

auxotróficas para histidina (his-), apresentando diferentes mutações no operon deste

aminoácido. Tais linhagens são construídas para detectar mutações do tipo deslocamento do

quadro de leitura ou substituição de pares de bases no DNA. Essas linhagens não são capazes

de crescer em meio de cultura mínimo, sem histidina, a menos que ocorram mutações que

restaurem sua capacidade de síntese. Suspensões de células bacterianas são expostas à

amostra-teste na presença e na ausência de um sistema de ativação metabólica exógeno, e

plaqueadas em meio de cultura mínimo. O número de revertentes é facilmente medido, pela

contagem de colônias que crescem nesse meio de cultura após a exposição de uma população

de bactérias à amostra a ser testada25.

Vários procedimentos podem ser empregados na realização do teste de mutação gênica

reversa em bactérias. As variações podem se referir à forma de exposição das bactérias ao

agente genotóxico, bem como à utilização de diferentes volumes máximos de amostra por

tratamento25.

As linhagens mais utilizadas são as de Salmonella typhimurium auxotróficas para

histidina, TA1535, TA98, TA100, TA1537, TA97, TA97a, TA102 e de Escherichia coli

auxotróficas para triptofano, WP2 ou WP2 (pKM101).

Os ensaios devem ser realizados tanto na presença (+S9) quanto na ausência (-S9) de

um sistema de ativação metabólica contendo fração microssomal S9 composta por um

homogeneizado de células de fígado de rato pré-tratado com Aroclor-1254. A fração S9 é

(32)

metabolização possam ocorrer25. Em cada ensaio devem ser incluídos controles positivos e

negativos (solvente/veículo), tanto na presença como na ausência do sistema de

metabolização. Utilizam-se como controles positivos compostos comprovadamente

mutagênicos, em concentrações já padronizadas para cada linhagem.

As amostras devem ser testadas até o limite de sua solubilidade e citotoxicidade,

dissolvidas em solvente apropriado (água, DMSO ou outro). A solubilidade pode ser medida

visualmente, pela precipitação observada na mistura ou na placa. A citotoxicidade pode ser

verificada através de observação visual da alteração do crescimento de fundo (conhecido

como "background"), pela redução do número de colônias revertentes por placa em relação ao

controle negativo, ou ainda pelo decréscimo de sobrevivência celular, calculando-se a

viabilidade das culturas tratadas e não tratadas com a amostra teste. As amostras devem ser

testadas quanto à sua esterilidade na dose máxima utilizada no ensaio. O ensaio deve incluir

pelo menos 5 (cinco) doses da amostra com três repetições por dose ou 7 (sete) doses com

duas repetições25.

A escolha da metodologia, tanto de preparo da amostra como de teste, deve ser realizada

levando-se em consideração o tipo de amostra bem como os tipos de compostos mutagênicos

que possam estar presentes. O ensaio deverá ser conduzido minimamente com as linhagens

TA98 e TA100 na presença e na ausência de sistema de metabolização exógeno. Outras

linhagens devem ser adicionadas sempre que necessário, acompanhadas das justificativas

pertinentes. Amostras positivas ou que apresentem indícios de mutagenicidade poderão ser

(33)

I – 3 – Métodos de monitoramento para corantes

Em geral, as técnicas empregadas para monitoramento e quantificação de corantes e

sub produtos de sua degradação baseiam-se em investigações espectrofotométricas na região

do UV-VIS26, em cromatografia líquida de alta eficiência com detecção espectrofotométrica,

por espectrometria de massas e eletroforese capilar de alta eficiência26-35.

A aplicação dos métodos espectrofotométricos para análise de corantes em amostras

de efluentes pode apresentar problemas de sobreposição espectral ou requerer etapas prévias

de separação dos diversos componentes ou ainda métodos quimiométricos complexos para

discriminação das bandas espectrais. Trabalhos mais recentes têm reportado o emprego de

técnicas de espectrometria de absorção no infravermelho, espectroscopia de ressonância

magnética nuclear e massas, e espectroscopia de Raios X para caracterização e determinação

de corantes de diversas classes e grupos cromóforos30-43. Algumas determinações analíticas de

corantes também têm sido investigadas com a utilização de técnicas como eletroforese capilar

e cromatográficas30-37.

Devido às diferenças nas propriedades fisico-químicas dos corantes e complexidade da

matriz oriunda de efluentes da industria têxtil os métodos cromatográficos tem apresentado

resultados satisfatórios, devido a escolha certa da fase estacionária e móvel que permitem uma

boa separação dos componentes e alta sensibilidade e seletividade advindas dos detectores

empregados.

A utilização da técnica decromatografia líquida de alta eficiência CLAE têm sido uma

das técnicas analíticas mais utilizadas na separação de substâncias orgânicas, operando com

fase móvel líquida sob pressão e com métodos de detecção que podem oferecer seletividade,

sensibilidade, exatidão e rapidez de análise. Com o avanço tecnológico, tem-se ampliado a

disponibilidade dos métodos de detecção acoplados à CLAE, podendo ser utilizados

(34)

que permitem uma varredura ampla da faixa espectral, fluorescência, índice de refração,

eletroquímicos e outros. A identificação e separação dos componentes da amostra depende da

seleção apropriada da coluna e do detector e especificamente para a análise de corantes os

estudos têm aplicado fase reversa. Os resultados da análise de corantes alimentícios e têxteis,

incluindo neste último caso análise de intermediários e produtos de degradação dos mesmos,

permitiram aos pesquisadores obterem níveis muito baixos de detecção e excelente

caracterização das espécies formadas27-35.

Os trabalhos encontrados na literatura envolvendo a aplicação das técnicas

eletroquímicas na determinação de corantes, especialmente os empregados no processamento

têxtil são poucos, embora a demanda esteja aumentando gradativamente com o decorrer do

tempo, e estas investigações têm mostrado resultados promissores uma vez que a maioria

destes compostos apresenta estruturas contendo grupos funcionais facilmente redutíveis e/ou

oxidáveis Alguns estudos realizados pelo nosso grupo de pesquisa e com colaboração de

grupos internacionais sobre a redução e oxidação eletroquímica de corantes são reportados na

literatura, envolvendo principalmente corantes com grupos antraquinona e azo como

cromóforos, sobre eletrodo de mercúrio e carbono vítreo através do emprego da polarografia,

voltametria cíclica e voltametria de redissolução foram encontrados44-50.

Desta forma, existe uma alta demanda por novas metodologias analíticas capazes de

determinar de maneira sensível e seletiva corantes têxteis em amostras ambientais.

I – 4 – Métodos de remediação de corantes têxteis

A busca por novos métodos de remoção e destruição de poluentes em águas residuárias

e naturais tem requerido a atenção dos pesquisadores. A seleção destes novos métodos

(35)

utilizados durante o processo, no custo, na seletividade e sensibilidade do método e em

especial na compatibilidade destes materiais e do processo com o meio ambiente. Por isso

faz-se necessário defaz-senvolver processos e materiais eficientes e econômicos para destruir estes

poluentes, seus precursores e subprodutos. Foram desenvolvidas tecnologias para minimizar o

impacto causado por estes resíduos.

O tratamento de efluentes provenientes de indústrias têxteis é feito geralmente por

técnicas convencionais como adsorção, floculação, cloração, biodegradação, biomassa e

processos com membrana, as quais na maioria das vezes não oferecem uma solução viável em

termos de remoção da carga orgânica bem como de viabilidade econômica e ambiental3, 50-117.

Em muitos casos, embora o tratamento apresente boa remoção de cor, este ainda resulta em

um resíduo final, através da transferência de fase, mais conhecido como lodo, que em muitos

casos é descartado em aterros, podendo contaminar lençóis freáticos, rios e lagos pelo

carregamento através das chuvas. Em outros casos ao efluente também é adicionado uma série

de contaminantes indesejáveis utilizados para o tratamento, como sulfato de alumínio e

amônia.

Considerando também que a maioria dos corantes comerciais são hoje misturas de

outros corantes e outros aditivos como surfactantes, dispersantes, sais, diluentes inorgânicos e

impurezas provenientes do processo de síntese, estas técnicas podem apresentar-se

ineficientes uma vez que, por exemplo, esses processos de coagulação são mais efetivos para

corantes insolúveis, como os corantes dispersos, do que para corantes solúveis, como os

reativos e ácidos e os processos de adsorção agem de maneira contrária.

Processos de degradação química aplicando as técnicas eletroquímicas, fotoquímicas e

de biodegradação têm sido investigados nos últimos anos como tecnologia destrutiva,

(36)

requerendo maiores estudos de tal forma que estes métodos promovam a total degradação do

corante até sua completa mineralização, ou seja, real destruição do resíduo poluente45, 50-100_.

Embora a maioria dos corantes não apresente susceptibilidade ao ataque de

microorganismos em tratamento aeróbio e anaeróbio convencional, muitos pesquisadores têm

demonstrado a aplicação de métodos de biodegradação, utilizando sistemas mediados

enzimaticamente, ou por bactérias, ou por fungos, como técnicas com algum êxito na remoção

e/ou degradação de efluentes têxteis, contudo pode ocorrer geração de lodo ao final do

processo e esta técnica pode consumir dias para a obtenção de bons resultados24, 26-28, 55, 68-116.

Os processos de biodegradação esbarram no fato de muitas destas substâncias serem

xenobióticas, ou seja, os sistemas naturais de microrganismos em rios e lagos não contêm

enzimas ou bactérias específicas para degradação. Deste modo, a biodegradação de corantes

sintéticos apenas ocorreria através do desenvolvimento de culturas de microrganismos

específicos. Os processos de biodegradação de corantes em alguns casos são utilizados como

sistemas primários de degradação acoplados a sistemas secundários, como os eletroquímicos,

a ozonização, ou os fotocatalisadores para um aumento da eficiência do processo global de

degradação71, 73, 75.

A aplicação da técnica eletroquímica como tratamento terciário para eliminar a cor de

efluentes têxteis tem aumentado rapidamente nos últimos anos45, 50-51, 101-104. Devido à

facilidade de redução e oxidação de grupos cromóforos e outras insaturações usualmente

presentes nos corantes sintéticos, os métodos eletroquímicos têm sido estudados para

descoloração de seus rejeitos, através da aplicação de corrente ou de potencial controlado, e

modificações estruturais através da aplicação de potencial. Em geral, os corantes são

degradados por oxidação ou redução direta do substrato ou pela geração eletroquímica de

oxidantes in situ (ozônio, peróxido de hidrogênio, hipoclorito de sódio, cloro e etc.) que

(37)

novos, e têm sido desenvolvidos a partir dos anos 9050-67, 78-90, 96, 101-117. Alguns autores

costumam classificar o método eletroquímico como o mais “limpo”, pois não há ou há pouco

consumo de reagentes químicos e não é formado um lodo final após o processo, além do

método apresentar um custo de eletricidade comparável ao preço de reagentes químicos

utilizados em outros processos e apresentar alta eficiência para remoção da cor ou degradação

de poluentes recalcitrantes24.

A investigação de novos materiais para a construção de ânodos e cátodos também tem

sido amplamente estudada com o intuito de aumentar a eficiência dos processos de

eletro-oxidação ou de eletro-redução de diversos compostos orgânicos. A técnica eletroquímica

através do processo de eletrólise, embora recente, também apresenta ótimos resultados, com

até 79 % de remoção da carga orgânica e 90 % de remoção da cor50-67, 78-90, 96, 101-117.

As técnicas de tratamento mais recentes para degradação química destes compostos

baseiam-se principalmente na reação oxidativa50-53, 55-67, 78-85, 89, 96, 101-115, 117. A utilização de

cloro muitas vezes pode gerar produtos intermediários ou finais nocivos, como os

organoclorados, e a ozônização pode apresentar alto custo e periculosidade24_{. Alguns outros}

processos oxidativos avançadostêm sido bastante investigados recentemente para acelerar a

degradação destes compostos. São processos que empregam agentes oxidantes, como

peróxido de hidrogênio, ozônio e outros. para descoloração e mineralização de vários corantes

através da geração de radicais oxidantes, como radical hidroxila ou radical superóxido110. Em

alguns estudos há o emprego de agentes oxidantes e fontes de irradiação, como por exemplo,

luz solar ou radiação ultravioleta e peróxido de hidrogênio ou ozônio60, 110-112, 96, radiação

UV/H2O2/ultrasson54, 79, radiação ultravioleta e fotocatalisadores de TiO256-57, 84-85, ZnO57,

CdS58 e etc., radiação ultravioleta e reagente de Fenton (ferro II e peróxido de hidrogênio)59-67,

(38)

Os estudos de fotodegradação com catálise heterogênea utilizam normalmente

fotocatalisadores de TiO2, os quais podem estar aderidos sobre placas de vidro ou em

suspensão, e que muitas vezes podem ser acoplados a processos eletroquímicos, cuja

eficiência de degradação da matéria orgânica pode chegar até 90 % e a taxa de descoloração

até 95 %51-53, 56-58, 81-83, 105-110, 117. Alguns métodos fotoassistidos também têm sido empregados

na degradação de corantes têxteis. Contudo, deve-se ressaltar o fato de que os métodos

fotoquímicos, em alguns casos, são ineficientes, pois os corantes sintéticos apresentam em

princípio alta estabilidade quanto à luz visível ou ultravioleta3.

Uma tendência observada é o acoplamento de técnicas com o intuito de aumentar a

eficiência dos processos de tratamento, como por exemplo, a técnica fotoeletroquímica, a

técnica eletroquímica acoplada ao processo foto-Fenton e a utilização de fotosensibilizadores

em conjunto aos métodos fotoquímicos51-53, 56-57, 78, 80-83, 100-108, 117. Alguns desses métodos

podem promover até 90 % de remoção da demanda química de oxigênio e a degradação das

espécies pode alcançar até 100 % de eficiência do processo53-55.

A oxidação sobre superfícies fotocatalíticas tem sido empregada para a remoção de

compostos orgânicos de águas residuais provenientes de indústrias e em especial de efluentes

têxteis com resultados bastante satisfatórios. Dentre os vários semicondutores, o uso de TiO2

como fotocalisador tem oferecido diversas vantagens. O uso de dióxido de titânio tem

merecido destaque por não apresentar problemas ambientais e gerar espécies altamente

oxidantes capazes de decompor substâncias orgânicas52-53, 81-83, 105-110, 117. Os trabalhos

encontrados na literatura para degradação de corantes têxteis por meio da técnica de

fotoeletrocatálise reportam, a maioria, o emprego de fotoânodos de Ti/TiO281-83. Alguns

trabalhos foram desenvolvidos pelo nosso grupo de pesquisa através do emprego da

fotoeletrocatálise em corantes têxteis azo e antraquinona, onde observou-se a total remoção de