ELETRÓLISE AQUOSA DE SALMOURA: DESCARGA ELÉTRICA X MÉTODO CONVENCIONAL
A.C.C. Rocha, C. Alves Jr., J. O. Vitoriano, L.P.S. Pereira, J.B.F.O. Baraúna Universidade Federal Rural do Semi-Árido
Rua Cecília Mendes de Moura, Dom Jaime Câmara, 460, AP 107 Bloco C rochaclaudia77@gmail.com
Resumo
Hoje em dia, estudos sobre novas técnicas de eletrólise estão surgindo, uma dessas técnicas é a eletrólise por descarga luminescente (Glow Discharge Eletrolysis – GDE), que está sendo empregada com auxílio do plasma como fonte energética. O presente trabalho tem como objetivo a aplicação do plasma como um eletrodo não consumível, sendo substituído pelo eletrodo do ânodo, e assim analisar o comportamento das soluções antes e depois da eletrólise e assim comparar com o processo de eletrólise convencional. A eletrólise foi conduzida em uma célula eletrolítica em formato de H. A fim de medir o grau de acidez ou alcalinidade das soluções, foram feitas as análises de pH antes e depois da eletrólise. Assim como as análises de condutividade e análises de cloretos presentes nas soluções, essa análise é feita a partir da titulação com nitrato de prata. O sódio presente nas soluções será analisado através da espectrofotometria de chamas.
Palavras-chave: Eletrólise, convencional, GDE.
INTRODUÇÃO
Eletrólise é um processo eletroquímico no qual a energia elétrica é a força motriz de reações químicas. As substâncias são decompostas, por passagem de uma corrente através delas (1). Uma célula eletrolítica é composta por um
eletrodo anódico (potencial positivo) e um eletrodo catódico (potencial negativo), estando estes presentes em um meio eletrolítico. Se torna necessário a utilização de uma fonte externa que irá fornecer a energia necessária para o funcionamento da célula eletrolítica, produzindo reações de redução e oxidação nos eletrodos. Os elétrons cedidos através da fonte externa passam pelo anodo, que através das reações ocorre a oxidação (perda
de elétrons), depois esses elétrons percorrem para o cátodo, através ou de uma ponte salina ou uma membrana, onde ocorrerá a redução (ganho de elétrons).
Em eletrólises convencionais de soluções aquosa de cloreto de sódio ocorrem as seguintes reações:
Dissociação do NaCl, ou seja, o composto NaCl irá separar seus íons: 2NaCl 2Na+ + Cl- (A)
Na região anodica vai ocorre o processo de auto - ionização da água: 2H2O 2H+ + 2OH- (B)
Oxidação (perda de elétrons) no ânodo: 2Cl- Cl
2 + 2e- (C)
Redução (ganho de elétrons) no cátodo: 2H+ +2e- H
2 (D)
A equação global de uma eletrólise convencional de cloreto de sódio aquoso está representada abaixo:
2NaCl(s) + 2H2O(l) 2 Na+(aq) + Cl2(g) + 2OH-(aq) + H2(g) (E)
Onde o gás cloro é liberado na região anódica e o gás hidrogênio na região catódica.
Uma parte fundamental da construção de células de eletrólise consiste em utilizar elétrodos adequados para evitar reações indesejadas (1). Uma vez
que no método convencional os eletrodos utilizados são sólidos imersos, acabam gerando problemas de contaminação das soluções e desgastes que influenciam as reações desejáveis, por isso novas técnicas estão sendo estudadas para melhorar o desempenho dos processos. Uma nova técnica é a
eletrólise por descarga luminescente (Glow Discharge Eletrolysis – GDE), que
está sendo utilizada com auxílio do plasma como fonte energética. Esta técnica associa os princípios de oxidação e redução amplamente difundidos da
Diferente da eletroquímica tradicional, onde a barreira de energia do ânodo e cátodo controla a reação, os elétrons em um plasma são, basicamente livres e ainda está em estudo como isso pode mudar os caminhos das reações, uma vez esse tipo de eletrólise é um processo que não segue as leis de Faraday.
Nesse último caso uma descarga elétrica substitui o ânodo do processo de eletrólise convencional. Quando a descarga é produzida a uma distância pequena da superfície, elétrons presentes no líquido são removidos para o ânodo, resultando num desbalanceamento elétrico da solução. Esse desbalanceamento, juntamente com a presença de outras espécies do plasma como a radiação ultravioleta, radicais e íons resultam em processos não-faradaica que dificulta a identificação das reações de transferência de carga. (3).
O presente trabalho tem como objetivo a comparação entre o processo de eletrólise convencional com a eletrólise a plasma. A eletrólise foi conduzida em uma célula eletrolítica, dividida em dois compartimentos (cátodo e ânodo) em formato de H. Na eletrólise a plasma o ânodo foi substituído por uma descarga elétrica.
MATERIAIS E MÉTODOS
Utilizou-se dois arranjos experimentais para comparação da eletrólise convencional e a eletrólise a plasma (Figura 1). Em ambos foi utilizada uma solução de cloreto de sódio (NaCl) de concentração de 30g/L (saturação de NaCl na água do mar) no compartimento anódico e no compartimento catódico foi utilizada agua destilada. Todos os volumes foram iguais a 250 ml. A eletrólise a plasma foi realizada com durações de 6, 3 e 1 minuto. O processo convencional foi realizado com duração de 6 minutos apenas. Todos os processos foram realizados em triplicata. Uma membrana orgânica de quitosana foi utilizada como barreira entre os dois compartimentos da célula. Ela também desempenhou o papel de uma membrana catiônica, auxiliando a passagem dos íons positivos do lado do ânodo para o lado do cátodo. O eletrodo catódico empregado foi uma placa de titânio, um material leve e que possui um filme óxido passivo de alta resistência à corrosão. Uma ponteira de
tungstênio foi utilizada para que ocorresse a descarga elétrica através dela. Sendo essa localizada próxima a superfície aquosa sem entrar em contato. Na eletrólise convencional mudou-se apenas a descarga elétrica do anodo por um eletrodo de grafite, sendo esse material um bom condutor elétrico.
Figura 1: Aparato experimental utilizado no processo com descarga
elétrica.
Para que ocorresse a eletrólise, fez-se indispensável o uso de uma fonte de alta tensão DC (corrente continua), cuja tensão de entrada é de 220 V e tensão de saída podendo alcançar até 1000 V gerando a força motriz necessária para o desenvolvimento do processo. A tensão foi continuamente ajustada ao longo do processo a fim de que a tensão do processo ficasse em torno de 900 V (+/- 10).
O parâmetro comparativo da eletrólise convencional com a descarga elétrica foram os realizados num tempo de eletrólise de 6 minutos, utilizando-se a mesma fonte e as mesmas condições de tensão, concentração de solução e membrana de quitosana. Para se estudar e comparar a energia que está sendo transformada (energia consumida) nos dois casos de eletrólise, foi realizado
um estudo da potência de cada sistema a partir da média das medidas de corrente e tensão ao longo da eletrólise, através da seguinte equação:
P = i * U (F)
Onde a potência é dada em watt (W), a corrente é dada em ampère (A) e a tensão é dada em volt (V).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Tabela I são apresentados os valores do pH das soluções de ambos lados da célula eletrolítica, antes e após a GDE. Verifica-se que a aplicação da descarga alterou significativamente o pH da solução, tanto no compartimento anódico como catódico. As soluções anódicas (H2O + NaCl) sofreram uma
queda de pH (acidificação) na medida que o tempo de eletrólise aumentava. Já as soluções catódicas foram se tornando mais básica a partir de 3 minutos de experimento.
Tabela I: Resultados da análise de pH das soluções catódicas e
anódicas.
FONTE: Dados da
pesquisa.
Esse comportamento se dá devido à dissociação do NaCl e a auto ionização da água que forma íons H+ e hidroxilas OH-, onde possivelmente a
presença desses íons de hidrogênio na solução anodica justifica o pH diminuir. Segundo Paul Rumbach et. Al, plasmas formados na presença de ar pode
Tempo (min) pH- ânodo pH - cátodo Inicial 6,25 7,50 1 4,47 6,58 3 3,32 7,35 6 3,03 9,67
produzir HNO2, HNO3, e H2O2, bem como outros produtos, tais como solução
de ácido peroxinitroso, através de inúmeras vias de reação.O aumento do pH na solução catódica se dá devido a diminuição do [H+] como resultado da
libertação do gás hidrogênio e reações eletrolíticas entre elétrons do plasma e
íons aquosos produzem excessos de íons de hidróxido (OH-), fazendo com que
a solução se torne mais básica.
Figura 2: Gráficos referente as análises de pH das soluções catódicas e
anodicas, comparando resultados do método de descarga elétrica com o método convencional
Comparando-se os valores de pH na célula eletrolítica da eletrólise convencional com a GDE, anódico e catódico, após 6 min de eletrólise (Figura 2), foi possível observar um comportamento semelhante tanto na solução do cátodo como na solução anodica.
Com relação aos valores da condutividade elétrica no GDE (Tabela II), verifica-se que houve um acréscimo no compartimento do cátodo e um decréscimo no compartimento anódico, após eletrólise. Isso ocorreu por conta da migração de íons positivos Na+ que passam da área anódica para a
catódica por meio da membrana catiônica e consequente liberação de gás cloro do compartimento anódico. Devido à perda de íons, as soluções anódica sofreram perda de condutividade
Tabela II: Valores de condutividade elétrica das soluções catódicas e
anódicas.
Análise por espectrofotometria de chamas realizada nas soluções, reforçam a hipótese inicial da migração de íons Na+ para o compartimento
catódico. Na Tabela III, tem-se os valores obtido dessas análises e pode-se notar que a concentração de Na+ está aumentando com o tempo de eletrólise seguindo o mesmo desempenho do método convencional.
Tabela III: Concentração de sódio nas soluções catódicas. FONTE: Dados da pesquisa.
Tempo (min) Condutividade - anodo Condutividade - catodo Inicial 59,18 0,041 1 38,7 0,13086 3 38,67 0,1584 6 36,03 0,42517
Tempo (min) Sódio no compartimento catódico (g/L)
Inicial 0,001
1 0,0177
3 0,0445
Comparando-se os valores da condutividade elétrica entre os dois processos, para os compartimentos anódicos e catódicos (Figura 3), nas soluções de eletrólise com duração de 6 minutos, verifica-se que os valores são próximos.
Figura 3: Gráficos referente as análises de condutividade elétrica das soluções
catódicas e anodicas, comparando resultados do método de descarga elétrica com o método convencional.
Cloretos na solução foram analisados por titulação utilizando nitrato de prata como tampão tendo o cromato de potássio como indicador. A partir desses resultados foi possível determinar a quantidade de cloro que foi evaporado no processo (Figura 4). Verificou-se que a quantidade de cloro evaporado é proporcional ao aumento do tempo do processo eletrolítico.
Figura 4: (a) valores de cloro evaporado durante processo GDE em
diferentes tempos de duração; (b) comparação entre os dois processos do total de cloro evaporado.
Com os dados de corrente e tensão, dados na Tabela IV, foi possível determinar a potência média necessária para as reações ocorrerem, os valores obtidos (Tabela V).
Tabela IV: Média das tensões e correntes obtidos no decorrer das
eletrólises.
Tempo (min) Média das Tensões (V) Média das Correntes (A) 1 887,95 0,0495 3 874,58 0,059 6 896,5 0,08 Convencional 686,27 0,43
Tabela V: Potencia média necessária para cada sistema de eletrólise.
De acordo com a Tabela V, a potência fornecida para a eletrólise GDE é 24,3% da potência na eletrólise convencional. Considerando o rendimento para obtenção de Na e Cl gasoso, verifica-se que o convencional produziu 0,2968 mg de Na+/W no cátodo e 16,5 mg de Cl/W evaporados, enquanto o GDE
produziu 0,9871 mg de Na+/W no cátodo e 43,39 mg de Cl/W evaporados.
CONCLUSÕES
Através das análises realizadas no presente trabalho foi possível descrever o comportamento da aplicação da descarga elétrica como eletrodo não consumido, e assim comparado com a eletrólise convencional foi possível ver que apresenta um mesmo comportamento, sendo possível a substituição sem nenhum dano aos produtos finais do processo.
Por se tratar de um eletrodo não consumível, a descarga elétrica evita os problemas de contaminação, uma vez que não entra em contato com a solução, caso contrário do eletrodo de grafite que ao decorrer da eletrolise teve uma pequena degradação acarretando no desgaste do eletrodo e contaminação da solução.
Em relação ao gasto energético a descarga elétrica mostrou-se ter um gasto energético menor quando comparada ao modelo convencional, uma vez que a potência necessária do processo foi maior.
REFÊRENCIAS Tempo de Eletrólise Potência (W) 6 min 71,72 3 min 51,62 1 min 43,97 Convencional 295,10
(1) ZOULIAS, Emmanuel et al. A review on water electrolysis. TCJST, v. 4, n. 2, p. 41-71, 2004
(2) OLIVEIRA, César Rodnei de. Alteração das propriedades superficiais do alumínio via eletrólise e plasma. 2010.
(3) RICHMONDS, Carolyn et al. Electron-transfer reactions at the plasma–liquid interface. Journal of the American Chemical Society, v. 133, n. 44, p. 17582-17585, 2011.
ELECTROLYSIS WATER PICKLE: DISCHARGE ELECTRIC X METHOD CONVENTIONAL
ABSTRACT
Nowadays, studies on new electrolysis techniques are emerging, one of these techniques is the Glow Discharge Electrolysis (GDE), which is being used with the aid of plasma as an energy source. This work aims the plasma application as a non-consumable electrode, being replaced by the anode electrode, and thus analyze the behavior of the solutions before and after the electrolysis and thus compare with the conventional electrolysis process. Electrolysis was conducted in na H-shaped electrolytic cell. In order to measure the degree of acidity or alkalinity of the solutions were made pH analyzes before and after electrolysis. As the conductivity analyzes and present chlorides in the solution analyzes, this analysis is made from the titration with silver nitrate. The sodium present in the solutions will be analyzed by flame spectrophotometry.
