aplicação de técnicas eletroquímicas na remoção de boro de efluentes líquidos

Aplicação de técnicas eletroquímicas na remoção de

boro de efluentes líquidos

Rio de Janeiro, 17 de Novembro de 2016

Thiago da Silva RibeiroOrientador: Mauricio Leonardo Torem

Co-orientador: Antonio Gutiérrez Merma

Sumário1. INTRODUÇÃO2. JUSTIFICATIVAS E OBJETIVOS DO TRABALHO3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

i. PRINCÍPIOS DA ELETROQUÍMICAii. PRINCÍPIOS DA ELETROCOAGULAÇÃO

4. METODOLOGIAi. PREPARAÇÃO DA SOLUÇÃO CONTENDO BOROii. DESENHO DE EQUIPAMENTOSiii. LINHA EXPERIMENTALiv. MÉTODO EXPERIMENTALv. METODOLOGIA ANALÍTICA PARA BORO

5. ENSAIOS EXPLORATÓRIOS6. PRINCIPAIS REFERÊNCIAS

Introdução Boratos (bórax - Na2B4O7.10H2O)

Ambientes aquáticos erosão de rochas sedimentares ricas em argila e por fontes antropogênicas

Ácido fraco de Lewis (pKa = 9,24 à 25ºC)

Figura - Diagrama de distribuição do ácido bórico.FARHAT, Ali; AHMAD, Farrukh; ARAFAT, Hassan. Analytical techniques for boron quantification supporting desalination processes: A review. Desalination, v. 310, p. 9-17, 2013.

Introdução Setores Demandantes

Toxicologia

-Plantas > 2,0mg.L-1 (metabolismo celular);

-Humanos > 8,25mg.L-1 (náuseas, vômitos, diarreia, ...).

Introdução Padrões de potabilidade para boro

-Organização Mundial da Saúde: 2,4mg.L-1;-Brasil: A Portaria MS 2.914/2011 não define critérios para boro.

Situação atual do parâmetro boro no Brasil

-CONAMA 357/2005: 0,5mg.L-1 (águas doces - classes 1 e 2);-CONAMA 430/2011: 5,0mg.L-1 (não se aplica para o lançamento em águas salinas).

Introdução A remoção de boro pode ser alcançada por diversos

métodos, incluindo

-Adsorção com óxidos;-Troca iônica com resinas de bases fortes;-Extração por solventes após complexação;-Eletrocoagulação!!!

Justificativa Crescente valorização dos recursos hídricos

Agricultura (limites toleráveis!)

Grandes desafios (águas de produção de petróleo - 250/80, dessalinização, ...)

Não há uma tecnologia consolidada (alta eficiência & subproduto sólido)

Eletrocoagulação: versatilidade, segurança, seletividade e compatibilidade com o meio ambiente

Objetivos Objetivo Geral

Avaliar a eficiência da eletrocoagulação na remoção de boro em uma solução sintética.

Objetivos Específicos

-Avaliar a influência dos parâmetros do processo de eletrocoagulação;-Determinar as curvas cinéticas da remoção de boro;-Estimar o consumo mínimo de eletrodos para os parâmetros estudados;-Determinar e otimizar o consumo de energia do processo;-Design e construção de um reator de eletrocoagulação de fluxo contínuo.

Fundamentos Teóricos

Flotação Coagulação

Eletroquímica

Eletroflotação Eletrocoagulação

Parâmetros operacionais (ex.: densidade de corrente)

Dosagem do coagulante

Densidade de Bolhas

Remoção por Flotação

Remoçãopor

Sedimentação

Modelo de

contatoCinética

Figura - Diagrama de Venn das áreas de conhecimento da eletrocoagulação.HOLT, Peter K.; BARTON, Geoffrey W.; MITCHELL, Cynthia A. The future for electrocoagulation as a localised water treatment technology. Chemosphere, v. 59, n. 3, p. 355-367, 2005.

Fundamentos TeóricosPrincípios da Eletroquímica

A eletroquímica é o estudo das interfaces carregadas eletricamente e dos fenômenos que ocorrem nestas interfaces

(reações heterogêneas), as quais são consideradas superfícies de separação entre um condutor eletrônico (metal)

e um condutor iônico (eletrólito).


e- e-

Anode

Cathode

e- e-

influent

effluentRed

Ox Red

OxM

Mn+Mn+

M

1. Electrooxidation 2. Electroreduction

3. Electrodissolution 4. Electrodeposition

5. Migration of anions

5. Migration of cations

Figura - Esquema de uma célula eletroquímica.CORRÊA, Jeferson M. et al. An electrochemical-based fuel-cell model suitable for electrical engineering automation approach. IEEE, v. 51, n. 5, p. 1103-1112, 2004.

Fundamentos Teóricos Lei de Faraday - Eficiência de corrente

Termodinâmica do equilíbrio eletroquímico - Equação de Nernst; Diagramas Eh-pH

Cinética eletroquímica - Polarização por ativação ou por concentração

Parâmetros que afetam a Eletrocoagulação - Densidade de corrente; Relação S/V;Efeito do pH inicial; Distância entre eletrodos; ...

Fundamentos TeóricosPrincípios da Eletrocoagulação

Figura - Diagrama esquemático do mecanismo de eletrocoagulação.QEDRA, Belal K.; MOGHEIR, Yunes K. Boron removal from seawater by Hybrid Solar Photovoltaic Electrocoagulation (SPEC) Process. 2015.

Anodo

Catodo


Figura - Diagrama de solubilidade do hidróxido de alumínio.

MetodologiaPreparação da solução contendo boro

As soluções sintéticas foram preparadas com água destilada nas concentrações de boro de 10, 50 e 100 mg.L-1 a partir do ácido bórico (H3BO3)

MetodologiaDesenho de equipamentos

1

2

1 - Eletrodos2 - Célula

Metodologia Os eletrodos foram perfurados para aumentar o transporte

de massa no interior dos eletrodos e evitar o sobreaquecimento da solução, além de facilitar a liberação dos gases gerados

150 cm² de área superficial

Metodologia Na literatura recomenda-se uma configuração de eletrodos

monopolares em paralelo, logo foi utilizado neste trabalho esta configuração com 4 eletrodos (dois anodos e dois catodos)

1

21 - Catodos monopolares em paralelo2 - Anodos monopolares em paralelo

MetodologiaLinha experimental

1

2

3

4

5

1 - pHmetro2 - Célula3 - Retirada das alíquotas4 - Agitador magnético5 - Fonte de tensão

MetodologiaMétodo experimental

As seguintes variáveis serão avaliadas

Densidade de corrente [mA/cm²] 6,25 12,50 18,75 Espaçamento entre eletrodos

[mm] 3,00 5,00 10,00 15,00 20,00 pH [inicial] 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00[B] mg/L 10,00 50,00 100,00

Metodologia Para determinar o efeito de cada variável no processo de

eletrocoagulação utilizou-se o método experimental de um fator por vez, que consiste em uma serie de experimentos em que são fixadas todas as variáveis, exceto a variável a ser avaliada

pH [inicial] pH [final] t = 60min

[NaCl] = 15mM/L; RPM = 150; d =

10mm; [B] = 50mg/L; J = 6.248mA/cm²

pH inicial

5,00 6,00 7,00 8,00 9,00

10,00

MetodologiaJ [mA/cm²] t = 5min pH [final] t = 10min pH [final] t = 60min

[NaCl] = 15mM/L; RPM = 150; d = 10mm; [B] =

50mg/L; pH[inicial] = ótimoJ [mA/cm²]

6,25 12,50

18,75

[B] mg/L t = 5min pH [final] t = 10min pH [final] t = 60min

[NaCl] = 15mM/L; RPM = 150; d =

10mm; pH[inicial] = ótimo; J = ótimo[B] mg/L

10,00 50,00

100,00

d [mm] t = 60min

Espaçamento entre

eletrodos [mm]

3 5

10 15 20

MetodologiaMetodologia analítica para Boro

Plasma Indutivamente Acoplado a Espectrometria de Emissão Ótica (ICPOES)

Ensaios exploratóriosOs ensaios exploratórios permitiram determinar o tempo de eletrolise e valores de pH.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 508.75

9.00

9.25

9.50

pH inicial = 8.9

Tempo [min]

pH

Tensão [V] 5,3

Corrente [A] 2,82

H3BO3 [g] 2,86 B [mg/L] 100 RPM 800

NaCl [g] 4,38 NaCl [mM/L] 15

d [mm] 10

Ensaios exploratórios

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 505.505.756.006.256.506.757.007.257.507.758.008.258.508.759.009.259.50

pH inicial = 5.9

Tempo [min]

pH

Tensão [V] 5,3

Corrente [A] 2,82

H3BO3 [g] 2,86 B [mg/L] 100 RPM 800

NaCl [g] 4,38 NaCl [mM/L] 15

d [mm] 10

Cronograma

Muito obrigado pela atenção e presença!!!

Principais Referências

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