VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica
27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil
DESCOLORAÇÃO DE EFLUENTES TEXTÊIS POR PROCESSO DE FOTO-OXIDAÇÃO
CATALÍTICA E REUTILIZAÇÃO DO DIÓXIDO DE TITÂNIO
1 André Luís da Silva Volpe, 2 Renata Emanuele Weiber, 3 Daiane Cristina Lenhard, 4 Célia R. G. Tavares
1
Aluno de Iniciação Científica PIC/UEM, discente do curso de Engenharia Química 2
Bolsista de Pós-Graduação Capes/UEM, mestrando de Engenharia Química 3
Bolsista de Pós-Graduação Capes/UEM, doutorando de Engenharia Química 4
Professora Doutora do Departamento de Engenharia Química da UEM/PR 1,2,3,4
Departamento de Engenharia Química da Universidade Estadual de Maringá. Av. Colombo, 5790, Bloco D90, Campus sede, Maringá – PR, CEP: 87.020-900
e-mail: celia@deq.uem.br
RESUMO – O objetivo deste trabalho foi avaliar a descoloração de efluentes, provenientes da atividade de uma lavanderia industrial, com cor aparente preta e azul, pelo processo de foto-oxidação catalítica, bem como o reaproveitamento do catalisador no processo de tratamento, utilizando como fonte de radiação ultravioleta quatro lâmpadas germicidas de 15W. Os testes foram realizados em um reator de lama, isolado da radiação externa, mantido a 25ºC e a pressão atmosférica, usando como catalisador o dióxiodo de titânio, TiO2, em suspensão. Após
duas horas de experimento foram verificadas descolorações máximas de 68,29% para o efluente azul e de 64,63% para o efluente preto. Com a reutilização do catalisador foi observado diminuição da eficiência do processo.
Palavras-Chave: descoloração, foto-oxidação, efluentes têxteis
INTRODUÇÃO
Efluentes de Indústrias TêxteisO crescimento do setor industrial e a cres-cente preocupação ambiental, vêm mobilizando esforços em todos os setores da sociedade, para o desenvolvimento e a aplicação de métodos que diminuam os danos causados ao ambiente pelas atividades humanas. Neste contexto, as indústrias geradoras de efluentes têxteis ocupam uma posi-ção de destaque devido à sua capacidade de ge-rar grandes quantidades de rejeitos muito poluen-tes e de difícil tratamento.
Existe uma variedade enorme de efluentes têxteis, isto porque suas características depen-dem do tipo de substrato têxtil processado, das máquinas utilizadas e das substâncias químicas utilizadas no processo; o que faz com que as pro-priedades físicas e químicas variem de efluente para efluente.
É fato a necessidade de tratar os efluentes têxteis, não apenas abrangendo tratamentos pri-mários ou secundários, para a remoção da maté-ria orgânica e sólidos em suspensão, mas tam-bém um tratamento terciário, geralmente para remoção residual da cor (Figueiredo et al., 2005).
Vários processos químicos e físicos, como a precipitação e separação química de poluentes, coagulação (Figura 1), eletrocoagulação,
elimina-ção por adsorelimina-ção em carvão ativado etc. são apli-cadas na remoção de cor de efluentes têxteis. Uma dificuldade encontrada nesses métodos, é que eles não são destrutivos, apenas transferem a contaminação de uma fase para outra, logo, surge um novo e diferente tipo de poluição, o que exige tratamentos adicionais (Daneshvar et al., 2003).
Figura 1 – Processo de coagulação e flocula-ção atualmente utilizado na lavanderia estu-dada.
Os tratamentos biológicos, como os pro-cessos de lodos ativados e filtro biológico, usados freqüentemente para remoção da matéria
orgâni-ca, vêm tendo sua eficiência diminuída na remo-ção de cor, nas últimas décadas, com o desen-volvimento de novos corantes, menos biodegra-dáveis. A técnica de coagulação/floculação foi tradicionalmente usada para remoção de cor, mas os sais inorgânicos usados para coagulação tor-naram-se ineficientes para a remoção de corantes reativos e gera grandes quantidades de lodo, con-forme verificado na Figura 2 (Figueiredo et al., 2005).
Figura 2 – Lodo proveniente da lavanderia es-tudada gerado no processo de coagula-ção/floculação.
Com isso, processos alternativos para o tratamento de efluentes têxteis vêm sendo estu-dados. Um deles consiste no processo de foto-oxidação catalítica, que diferentemente dos pro-cessos biológicos, decompõe os poluentes por meio da radiação ultravioleta, combinada com um semicondutor presente no meio, ao invés de transferi-los de um meio ao outro, o que diminui a geração de resíduos.
Foto-oxidação Catalítica
Segundo Marto (2008) quando iluminado com uma quantidade apropriada de luz, os semi-condutores, catalisadores utilizados no processo de fotocatálise, geram pares elétron/lacuna, com elétrons promovidos para a banda de condução e deixando lacunas positivas na banda de valência. A geração de pares elétron/lacuna inicia uma complexa série de reações químicas envolvendo vestígios de compostos orgânicos absorvidos na superfície do semicondutor que pode resultar na completa degradação do adsorbato. Obviamente, a formação de produtos finais que não prejudicam o ambiente, comparados aos poluentes originais, é uma característica atrativa deste processo.
Os processos oxidativos avançados sofrem a influência de vários fatores, como a concentra-ção do contaminante orgânico, a presença e con-centração de oxidantes auxiliares (H2O2, O3), as
propriedades, a concentração, a dopagem e a forma cristalina do semicondutor, forma do uso do
catalisador, que pode ser imobilizado, suportado ou em suspensão, características da fonte lumi-nosa, do sistema de operação, da geometria e dos parâmetros hidrodinâmicos do reator, tempe-ratura, pH, presença de ânions, durabilidade, efi-ciência, custo, entre outros (Teixeira & Jardin, 2004).
O dióxido de titânio é o semicondutor mais utilizado em processos fotocatalíticos, principal-mente devido a várias características favoráveis, dentre os quais se destacam: possibilidade de ativação por luz solar, insolubilidade em água, estabilidade química numa ampla faixa de pH, possibilidade de imobilização em sólidos, baixo custo e ausência de toxicidade. Por estas razões, o TiO2 tornou-se um dos semicondutores mais
utilizados na fotodegradação de compostos orgâ-nicos (Freire et al., 2000).
Apesar dos trabalhos publicados sobre o assunto, a aplicação de processos de foto-oxidação catalítica para o tratamento de efluentes têxteis reais tem sido pouco estudada, verifica-se na literatura que os trabalhos geralmente enfocam a degradação de corantes e em escala de banca-da.
OBJETIVOS
O principal objetivo deste trabalho é avaliar a eficiência do processo de foto-oxidação catalíti-ca na descoloração de efluentes têxteis e verifi-car, principalmente, seu potencial de redução de cor; além de explorar a viabilidade de reutilização do catalisador para o mesmo processo.
MATERIAIS E MÉTODOS
Os efluentes analisados eram provenientes de uma lavanderia industrial local. Para os ensai-os foi utilizado um efluente de coloração azul e outro de coloração preta, a fim de comparar sua descoloração após duas horas de experimento. O Reator
Os testes foram realizados em um reator foto-oxidativo de lama, em escala de batelada, montado a partir de um béquer de 2000 mL, no qual foi acoplado um agitador magnético, de mo-do que o efluente fosse mantimo-do em agitação constante durante todo o experimento, para evitar a decantação do catalisador. Em todos os ensaios o pH do efluente era ajustado para 5,0 antes da adição de catalisador, utilizando-se ácido sulfúrico (H2SO4) 0,1N, (H2SO4) 2N e hidróxido de sódio
(NaOH) 0,1N. Durante os experimentos era bom-beado continuamente oxigênio, utilizando-se um compressor de ar, do tipo utilizado em aquários, na vazão de aproximadamente 7 ml/s. A irradia-ção ultravioleta era fornecida por quatro lâmpadas germicidas de 15W, fixadas na parte superior do béquer, com auxílio de um suporte. A reação foi
realizada na pressão atmosférica e a temperatura ambiente, mantida por um banho termostatizado. A unidade de reação foi isolada do ambiente, de modo a não ocorrer vazamento de luz UV. Na Figura 1 está apresentado um desenho do reator foto-oxidativo utilizado nos ensaios.
A
C
B
D
Figura 3 – Reator fotocatalítico de lama: A- agitador magnético; B – Entrada de oxigênio; C – lâmpada ultravioleta; D – Copo Béquer
Para o desenvolvimento deste trabalho foi utilizado o semicondutor dióxido de titânio, TiO2,
(na forma anatase 99,9%) da SIGMA-ALDRICH, em suspensão no efluente.
Metodologia Analítica
Inicialmente, media-se 850 mL de efluente em uma proveta de 1000 mL para ser submetido ao tratamento, transferindo para o béquer de 2000 mL juntamente com 0,85 g de TiO2.
Amos-tras iniciais e finais do efluente contendo catalisa-dor foram centrifugadas, para posterior avaliação do processo. Foram avaliados a cor do efluente, pH e Demanda Química de Oxigênio (DQO). A-pós o ajuste de pH e adição de catalisador, foram retirados 50 mL de amostra antes da exposição à radiação ultra-violeta, em todos os testes realiza-dos, sendo essa a amostra inicial, utilizada para comparar os resultados obtidos com o efluente tratado, após o processo de foto-oxidação catalíti-ca.
A reutilização do catalisador nos experi-mentos foi realizada da seguinte forma: depois de analisada a amostra final, o efluente resultante do tratamento era deixado decantar em uma proveta de 2000 mL durante aproximadamente 24 horas, para que o catalisador em suspensão se deposi-tasse no fundo da proveta. Após a decantação do catalisador, este era cuidadosamente separado do sobrenadante e adicionado à uma nova quan-tidade de 800 mL de efluente para iniciar um novo tratamento.
A determinação da DQO era realizada por micro-método (APHA, 1995).
A leitura do pH era realizada utilizando-se um pHmetro da marca Digimed modelo DM20, segundo a metodologia descrita no manual do aparelho.
A cor “aparente”, que é cor dos materiais dissolvidos mais a matéria em suspensão, e a turbidez eram determinadas em um espectrofo-tômetro HACH, modelo DR/2010, nos comprimen-tos de onda de 455 nm e 860 nm, respectivamen-te, de acordo com os métodos descritos no ma-nual do aparelho.
As varreduras espectrofotométricas eram realizadas em um espectrofotômetro HACH-LANGE, modelo DR/5000. A descoloração dos efluentes foi determinada no comprimento de on-da de máxima absorbância (λmáx) de cada
efluen-te. Estas descolorações foram calculadas de a-cordo com a Equação 1:
100 ) ( (%)= − ⋅ i f i Abs Abs Abs ão Descoloraç
(1) Em que, i
Abs
= Absorbância da solução antes do tratamento;f
Abs
= Absorbância da solução após o tratamento.Foram também realizados ensaios, nas mesmas condições apresentadas, porém com a reutilização do catalisador previamente usado.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Ambos efluentes foram caracterizados a partir de análises de DQO, cor, pH e varredura espectrofotométrica de acordo com a Tabela 1. Tabela 1 – Caracterização dos efluentes analisados. Caracteriza-ção dos efluentes DQO (mgO2 /L) Cor (mg PtCo/L) pH λmáx (nm) Efluente preto 254,4 1068 - 623 Efluente azul 251,8 1032 6,9 665 Os resultados dos ensaios e as características dos efluentes tratados no reator em escala de bancada utilizando dióxido de titânio analítico estão apresentados nas Tabelas 2 e 3, e na Figura 2.Tabela 2 – Resultados dos experimentos utilizando o efluente preto.
Experimen-to DQO (mgO2 /L) Cor (mg PtCo/L) pH % Desc Inicial 187,1 394 5,00 Final Uso* 149,8 380 5,01 64,6 Final 1** 154,4 423 5,03 54,3
Final 2** 154,3 584 4,96 27,4 Final 3** 144,9 454 4,99 45,7 Final 4** 155,5 550 5,03 32,3 Final 5** 141,6 594 4,98 30,5 *Processo realizado com catalisador vir-gem.
**O catalisador reutilizado do experimento anterior.
Tabela 3 – Resultados dos experimentos utilizando o efluente azul.
Experimen-to DQO (mgO2 /L) Cor (mg PtCo/L) pH % Desc Inicial 488,7 1116 5,00 Final Uso* 409,1 471 4,98 62,0 Final 1** 399,7 213 5,00 68,3 Final 2** 411,9 304 5,04 45,7 Final 3** 421,4 317 5,02 42,0 Final 4** 432,4 331 4,95 38,0 Final 5** 410,9 302 5,02 41,7 *Processo realizado com catalisador vir-gem.
**O catalisador reutilizado do experimento anterior.
Figura 4 – Descoloração dos efluentes em uma série de seis experimentos cada utilizando o catalisador recuperado nos processos anteriores; ■ – Efluente Preto; □ – Efluente Azul
Acredita-se que uma boa parte do processo de descoloração foi devido à adsorção das moléculas do corante no catalisador que ocorreu antes do processo de foto-oxidação catalítica, uma vez que foi verificado a queda da absorbância do efluente logo após a sua mistura com o catalisador, neste caso o processo foto-oxidação foi pouco eficiente para a remoção de cor, muito provavelmente devido à dificuldade de penetração da luz em toda a superfície do efluente em tratamento. Por outro lado, para o efluente azul este comportamento não foi observado, verificou-se que a foto-oxidação catalítica foi o processo determinante para a sua descoloração. A descoloração do efluente azul foi, em média, maior do que a descoloração do efluente preto. Esses resultados podem ser
justificados pelo corante que determina a coloração de cada efluente. A coloração azul do efluente é proporcionada basicamente pelo corante índigo, enquanto que a coloração preta do outro efluente é conseqüência do processo de tingimento utilizando o corante comercial Remazol Preto Intenso N150-GR, que pode oferecer mais resistência à ação da radiação ultra-violeta.
Foi observado que as descolorações dos efluentes variaram de 27,43 a 68,29 %. Também foi observado que há perda de eficiência na des-coloração quando o catalisador é reutilizado, po-rém, após cinco experimentos a taxa de descolo-ração permanece praticamente constante e ob-servam-se descolorações de, em média, 40,0 % para o efluente azul e 30,0 % para o efluente pre-to. O processo de foto-oxidação catalítica mos-trou-se satisfatório para determinados efluentes têxteis, uma vez que após duas horas de experi-mento verificaram-se descolorações próximas a 70% e o aproveitamento do catalisador previa-mente utilizado apresentou resultados promisso-res.
Além disso, é importante salientar que a fo-to-oxidação catalítica praticamente não gera resí-duo sólido (aproximadamente 100g para 100L de efluente, ou seja 1%), quando comparado aos processos de coagulação química que costumam gerar grande quantidade de lodo. Isso reduz signi-ficativamente os custos do processo, uma vez que com a foto-oxidação catalítica os gastos com transporte e destinação de lodo serão considera-velmente menores.
CONCLUSÕES
Nesse trabalho, foi possível observar que o processo de foto-oxidação catalítica foi eficiente na redução da cor de alguns efluentes provenien-tes de industrias têxteis, sendo uma alternativa a mais no tratamento desses efluentes, uma vez que pode ser executado em conjunto com um tratamento biológico mais específico para remo-ção da matéria orgânica. Após duas horas de ex-perimento verificaram-se descolorações próximas a 70% e o aproveitamento do catalisador previa-mente utilizado apresentou resultados promisso-res. Observou-se também que os resultados de redução de cor e matéria orgânica podem variar muito entre diferentes efluentes, isso ocorre por-que os efluentes reais podem apresentar uma infinidade de substâncias diferentes entre si, e em diferentes concentrações, que podem alterar o andamento normal do processo.
NOMENCLATURA
% Desc.: Porcentagem de descoloração da amostra.
λmáx: Comprimento de onda de máxima
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
DANESHVAR, N., et al. 2003. Photocatalyticdegradation of azo dye acid red 14 in water on ZnO as an alternative catalyst to TiO2,
Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, v, 162, 317-322.
FIGUEIREDO, S. A., et al. 2005. Natural waste materials containing chitin as adsorbents for textile dyestuffs: Batch and continuos studies, Water Research, v. 39, 4142-4152.
FREIRE, R. S., et al. 2000. Novas Têndencias para o tratamento de resíduos industriais contendo espécies organocloradas, Química Nova, v. 23, 504-511.
MARTO, J., et al. 2008. Photocatalytic decolouration of Orange II by ZnO active layers screen-printed on ceramic tiles, Journal of Hazardous Materials, v. 163, 36-42.
TEIXEIRA, C. P. A. B. & JARDIN, W. F., 2004. Caderno Temático – Processos Oxidativos Avançados – Conceitos teóricos, Universidade Estadual de Campinas – Instituto de Química v. 3.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Capes, SEBRAE, FINEP, e a Universidade Estadual de Maringá, pelo suporte financeiro.
