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Revisão sobre Fenton e as melhorias do processo para o tratamento de águas Tópicos abordados: Processo Fenton Processo Sono-Fenton Processo Eletro-Fenton Processo Foto-Fenton Processo Sono-Foto-Fenton Processo Sono-Eletro-Fenton Processo Foto-Eletro-Fenton Processo ferro zero IMT – Vanessa da Silva Cavalcante Battistin

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Processos Oxidativos Avançados - POA

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Page 1: Apresentação

Revisão sobre Fenton e as melhorias do processo para o tratamento de águas

Tópicos abordados:

• Processo Fenton

• Processo Sono-Fenton

• Processo Eletro-Fenton

• Processo Foto-Fenton

• Processo Sono-Foto-Fenton

• Processo Sono-Eletro-Fenton

• Processo Foto-Eletro-Fenton

• Processo ferro zero

IMT – Vanessa da Silva Cavalcante Battistin

Page 2: Apresentação

Revisão sobre Fenton e as melhorias do processo para o tratamento de águas

INTRODUÇÃO

• Processos oxidativos avançados (POA) são alternativas eficientes para a remoção de

micropoluentes ambientais, operam com menos energia.

• Em alguns casos os tratamentos convencionais como processos biológicos não são

eficientes devido a natureza recalcitrante dos contaminantes.

• Nas últimas décadas houve o aprimoramento de técnicas analíticas que permitiram

a detecção e a quantificação de substâncias com concentrações na ordem de µg/L e

ng/L.

Page 3: Apresentação

• Radical hidroxila (•OH) é altamente reativo, não-seletivo e oxida uma grande

variedade de compostos orgânicos levando-os à água, dióxido de carbono e íons

inorgânicos.

• O radical hidroxila é o segundo mais forte oxidante precedido pelo flúor e reage de

106 a 1012 vezes mais rápido do que o ozônio.

• Reduz a toxicidade, mas em alguns casos pode ocorrer a formação de subprodutos

mais tóxicos do que o composto original.

Page 4: Apresentação

• As reações envolvidas dependem da estrutura do contaminante orgânico e podem

ser:

Reações de abstração de átomos de hidrogênio (os radicais hidroxilas formados são

capazes de oxidar compostos orgânicos por abstração de hidrogênio e

posteriormente ocorre a adição de oxigênio molecular formando radicais peróxido)

Adições eletrofílicas em moléculas insaturadas ou aromáticas (adição eletrofílica de

radical hidroxila a compostos orgânicos que contém ligações π, resulta na formação

de radicais orgânicos).

Page 5: Apresentação

Por transferência eletrônica (ocorre quando a adição eletrofílica e abstração de

hidrogênio são desfavorecidas).

Reações radical-radical (são indesejáveis pois consomem radicais •OH ,

prejudicando a eficiência do processo de fotodegradação).

Page 6: Apresentação

Classificação dos Processos Oxidativos Avançados Convencionais

Page 7: Apresentação

PROCESSO FENTON

• A reação de Fenton foi descoberta em 1894 por H.J.H Fenton que relatou que o

peróxido de hidrogênio poderia ser ativado por íons de ferro (Fe2+) para oxidar o

ácido tartárico.

• Tradicionalmente o mecanismo complexo de Fenton segue 9 equações, são elas:

A equação 1 mostra que o fundamento do processo está baseado na formação de

radicais hidroxilas provenientes da decomposição catalítica do peróxido de hidrogênio

em meio ácido.

Page 8: Apresentação

• Na equação 2 os íons férricos gerados podem ser reduzidos pela reação com excesso

de peróxido de hidrogênio para formar íons ferrosos novamente e mais radicais. Essa

reação é mais lenta, pois são produzidos radicais hidroperoxila (• O2H)que por sua

vez são menos reativos que os radicais hidroxilas.

Page 9: Apresentação

• As equações 3, 4 e 5 representam as etapas limitantes em Fenton desde o consumo

de peróxido de hidrogênio até a regeneração do íon ferroso para o estado férrico.

Page 10: Apresentação

• As reações 6,7,8 e 9 também fazem parte do processo Fenton e são reações radical-

radical ou reações radical-peróxido de hidrogênio.

Page 11: Apresentação

• O processo Fenton pode ser realizado a temperatura ambiente e pressão

atmosférica. Além dos reagentes serem muito disponíveis (Ferro é o quarto

elemento mais abundante da crosta terrestre).

• Alguns inconvenientes foram identificados. O primeiro é referente ao desperdício de

oxidante devido ao radical ir eliminando o efeito do peróxido de hidrogênio e se auto

decompondo.

• O segundo se refere a perda contínua de íons de ferro e a formação de lama sólida,

além de questões econômicas e ambientais.

Page 12: Apresentação

A seguir são listados alguns parâmetros essenciais do processo Fenton

I. pH:

O processo Fenton é fortemente dependente do pH da solução, devido a fatores

como o ferro e peróxido de hidrogênio.

O pH ótimo para o processo é em torno de 3,0 independentemente do substrato.

pH alto reduz a eficiência do processo devido à formação do precipitado de hidróxido

de ferro.

pH abaixo de 3,0 também há diminuição na eficiência de degradação, pois formam

complexos de ferro [Fe (H2O)6]2+, os quais reagem lentamente com o peróxido de

hidrogênio.

Page 13: Apresentação

• O uso de solução tampão como por exemplo o ácido acético/acetato também

permitem a máxima eficiência da oxidação ao contrário do que ocorre para os

tampões de fosfato e sulfato que diminuem a oxidação.

Mas a reação de tamponamento pode aumentar os custos operacionais do processo,

por isso sua utilização depende de uma análise prévia.

Page 14: Apresentação

II. Concentração do Íon Ferroso:

A taxa de degradação aumenta com o aumento da concentração de íon ferroso, mas

também pode ocasionar o aumento de sólidos dissolvidos no efluente o que não é

permitido.

Por isso são necessários testes laboratoriais para estabelecer a quantidade ideal de

íons ferrosos para a total mineralização dos compostos orgânicos.

Page 15: Apresentação

III. Concentração do Peróxido de Hidrogênio:

Desempenha papel crucial na eficiência global da degradação de um processo.

Aumentando a dosagem de H2O2 normalmente aumenta a % de degradação.

Ter cuidado com a dosagem, é essencial, pois o excesso de H2O2 durante o processo

Fenton contribui para DQO, portanto o excesso NÃO é recomendável.

O excesso também contribui para a eliminação da geração de radicais hidroxilas.

Necessário estudo laboratorial criterioso.

Page 16: Apresentação

IV. Temperatura de Operação

Há discussões de diversos trabalhos à respeito da temperatura de operação do

Processo Fenton.

Autores Lin e Lo descreveram como ótima temperatura 30°C enquanto o autor

Rivas relatou que a eficiência de degradação não é afetada entre a temperatura de

10° - 40°C.

V. Coagulação Química

A etapa de coagulação química é recomendada depois da oxidação Fenton para

manter a concentração de ferro solúvel nos limites especificados.

Ajuda no controle da concentração total de sólidos dissolvidos.

Page 17: Apresentação

Visão geral de alguns trabalhos realizados nos últimos anos na área de oxidação Fenton

Composto orgânico usado

Condições Experimentais

Observações Referência

2,4-Diclorofenol (2,4-DCP)

Foi usado reator batelada (600ml) para degradar 200 mg/L em condições ambiente. Os

conteúdos foram misturados

cuidadosamente utilizando agitador

magnético. Faixa de pH estudada: 2,5 – 7,0. Tempo: 2 horas. H202

usada 300 – 580 mg/L. Fe2+ usado: 10 – 20 mg/L

As condições ótimas dos reagentes para Fenton encontradas foram: 20

mg/L de Fe2+ e 580 mg/L de H2O2 e pH: 2,5. Cerca de 70% do 2,4-DCP foi

degradado.

P.J.D Ranjit, K Palanivelu,C.S.Lee.Degra

dation of 2,4-DCP in aqueous solution

bysono- Fenton method, Korean J. Chem.Eng.25

(2008) 112-117

Clorobenzeno

Capacidade do reator: 500 ml e temperatura

mantida em 25°C. Faixa de pH operada: 2- 7; Fe2+ e H2O2 taxa de

adição de 5ml/h e tempo de reação de 2 h.

Remoção completa de clorobenzeno e

intermediários ocorreu em 2 horas.

Intermediários foram identificados usando

análise GC/MS. pH ideal: 2 - 3

D.L Sedlak, A.W. Andren. Oxidation of

chlorobenzene with Fenton’s reagent,

Environ. Sci.Technol. 25 (1991) 777 - 782

Page 18: Apresentação

PROCESSO SONO-FENTON

• Foi recebido com atenção por causa da rápida degradação dos contaminantes

químicos.

• Ultrassom é uma onda sonora com frequência maior do que o limite superior da

audição humana, aproximadamente 20kHz.

• São descritas três faixas:

1. Convencional de frequência relativamente baixa entre 20 – 100 kHz

2. Usada para efeitos sono-químicos com frequência média de 300 – 1000 kHz

3. Usada para diagnóstico de imagens com frequência alta de 2 – 10 MHz

Page 19: Apresentação

• Para que haja propagação de ondas ultrassônicas é necessário que o meio

de propagação tenha propriedades elásticas.

• O movimento de um corpo vibrando é transmitido às moléculas

adjacentes as quais transmitem esse movimento para as moléculas que

estão ao redor.

• Esse movimento cria ciclos de expansão e compressão.

• A produção de ultrassom é um fenômeno físico baseado no processo de

criar, aumentar e implodir cavidades de vapor de gases (cavitação) em

um líquido promovendo efeitos de ativação em reações químicas

Page 20: Apresentação

• O ciclo de compressão e expansão gera as cavidades.

• A bolha cavitada ao atingir um tamanho crítico implode-se liberando grande

quantidade de calor e pressão num curto período de tempo e em pontos localizados

do líquido.

• A temperatura de implosão no interior da bolha é cerca 5500°C, ao redor da bolha

de 2100°C e a pressão é cerca de 500 atm.

• Em sono-química existem três regiões de reação: (1) dentro das bolhas de cavitação;

(2) na região de interface entre a cavitação da bolha e a fase líquida; (3) na massa

de líquido.

Page 21: Apresentação

• Radicais hidroxilas são gerados pela pirólise da água

• Após isso os radicais podem se envolver numa variedade de reações

químicas na bolha de gás ou na massa de solução.

• São reações típicas do processo:

Page 22: Apresentação

• Para aumentar a concentração de radicais hidroxila na solução, os processos Fenton

e sonólise podem ser combinados.

• Esse método sono-Fenton utiliza as vantagens do ultrassom e do Fenton para

melhorar da degradação de poluentes orgânicos.

Exemplo:

Compostos orgânico utilizado

Condições Experimentais

Observações Referência

2,4 – Diclorofenol

Fenton realizada em 600 ml com proveta

volume de reagentes de 500 mL. O reator estava

imerso em banho de ultrasom para passar pelo processo sono-

Fenton.Freqüência ultra-sônica:

35 kHzfaixa de pH estudada:

2,5-7H2O2 utilizado: 300-580

mg / LFe2 + usada: 10-20 mg /

L

Sono-Fenton mostrou um resultado promissor com baixa concentração

inicial de H2O2 e íon ferroso. A ótima concentração foi

encontrada utilizando 10 mg/L de Fe2+, 400

mg/L de H2O2 e pH=2,5. O sono-Fenton poderia

ser aplicado até mesmo com pH=5,0.

P.J.D Ranjit, K Palanivelu,C.S.Lee.Degr

adation of 2,4-DCP in aqueous solution

bysono- Fenton method, Korean J. Chem.Eng.25

(2008) 112-117

Page 23: Apresentação

PROCESSO ELETRO-FENTON

• A oxidação anódica e a eletro-oxidação Indireta são as técnicas mais utilizadas para

atingir a mineralização de compostos tóxicos e bio-refratários.

• Na oxidação anódica a mineralização ocorre por reações de transferência direta de

elétrons ou pela adição de espécies radicais formadas na superfície no eletrodo.

• Soluções aromáticas são pobremente mineralizadas devido a geração de ácido

carboxílico que por sua vez é dificilmente oxidável.

Page 24: Apresentação

• No processo eletro-Fenton os poluentes são destruídos pela ação do reagente Fenton

junto com a oxidação anódica da superfície do ânodo.

• Eletro-Fenton é classificado em quatro categorias dependendo da adição ou

formação do reagente Fenton.

1) H2O2 e íon ferroso são gerados usando ânodo de sacrifício e borbulhamento de

oxigênio.

2) O H2O2 é adicionado enquanto o íon ferroso é produzido no ânodo de sacrifício

3) Nesse tipo o íon ferroso é adicionado e H2O2 é gerado usando o borbulhamento de

oxigênio

Page 25: Apresentação

4. Nesse último o radical hidroxila é produzido usando o reagente Fenton na célula

eletrolítica e o íon ferroso é regenerado através da redução de íons férricos no

catodo.

• O tipo mais promissor do processo eletro-Fenton é o tipo 4.

• A eficiência do eletro-Fenton depende da natureza do eletrodo, densidade de

corrente e temperatura.

DESVANTAGENS:

• A produção de H2O2 é lenta porque o oxigênio tem baixa solubilidade em água.

• Eficiência baixa sob pH reduzido (pH < 3).

Page 26: Apresentação

PROCESSO FOTO-FENTON

• É a combinação de H2O2 , radiação UV com Fe2+ ou Fe3+

• Produz mais radicais hidroxilas do que se comparado com o método Fenton

convencional.

• Aumenta a taxa de degradação de poluentes orgânicos.

• A reação de Fenton acumula íons Fe3+ no sistema e assim a reação não é

processada pois todos os íons ferrosos (Fe2+) são consumidos.

• A regeneração foto-química de Fe2+ ocorre na reação foto-Fenton.

Page 27: Apresentação

• Os íons recém gerados de Fe2+ reagem com H2O2 e geram os radicais hidroxilas e

íons férricos, e esse ciclo se repete.

• Estudos mostram que a combinação da reação de Fenton com a zona de radiação

convencional visível e próxima da ultravioleta geram um boa degradação do

poluente

• O processo foto-Fenton oferece uma melhor performance no pH 3,0, quando o

complexo hidroxi-Fe3+ são mais solúveis e Fe(OH)2+ são mais fotoativos.

Page 28: Apresentação

• Em alguns casos o uso da luz solar ao invés da irradiação UV reduziu os custos do

processo.

• Trabalhos foram feitos para estudar o processo como por exemplo um autor

comparou a performance de Fenton com o foto-Fenton para o tratamento de

efluentes de indústrias de tintas.

• Outro autor uso a comparação de dois surfactantes: dodecil sulfato de sódio e

dodecil benzeno sulfonato usando reagentes Fenton.

Page 29: Apresentação

Composto orgânico utilizado

Condições experimentais

Observações Referencia

Fenol

Reator pirex cilíndrico contendo 1L de solução aquosa poluente com

catalisador. Lampada de média pressão de

mercúrio 150W foi usada como fonte de irradiação. A temperatura de reação

foi mantida a 25°C ao longo da reação e o pH

em 5,5

Ferro contendo catalisador SBA-15 consistindo de

particulas cristalinas de hematita foi relatado como um processo promissor para

o tratamento da solução fenólica.A estabilidade do

catalisador para a lixiviação do ferro é dependente da proporção do catalisador

oxidante.Carga de catalisador:

0,5g /L e concentração de peróxido de hidrogênio de 2450 mg/L mostraram uma

redução total de fenol e notável mineralização

orgânica

F.Martinez, G.Calleja, J.A.Melero, R.Molina,

Heterogeneous photo-Fenton degradation of

phenolic aqueous solution over iron-containing SBA-15

catalyst, App. Catal.B: Environ. 60 (2005)

181-190

Exemplo:

Page 30: Apresentação

PROCESSO SONO-FOTO-FENTON

• Trata-se do processo combinado de ultrassom + ultravioleta+ Fenton.

• Maior produção de radicais hidroxilas em sistema aquoso.

• Sonólise da água produz radicais hidroxilas e átomos de hidrogênio.

• A quantidade de íon ferroso requerida sob a condição sono-foto-Fenton é muito

pequena se comparada a condição do processos Fenton.

• Isso gera uma diminuição de íons ferrosos presentes na água tratada o que é de

extrema importância do ponto de vista industrial.

Page 31: Apresentação

• Vários autores estudaram esse processo para avaliar a sua eficiência, entre esses

estudos está a degradação do corante Azure-B por meio de processos sono-foto-

Fenton e foto-Fenton.

• Os parâmetros ideais para esse tratamento foram: pH: 2,1; H2O2= 0,5 ml; Fe3+

=5,0x10-4 mol/L; frequência ultrassônica = 40 kHz e intensidade da luz = 75,5

mW/cm2

• Os resultados mostraram que o corante foi totalmente oxidado e degradado em CO2

e H2O

Page 32: Apresentação

PROCESSO SONO-ELETRO-FENTON

• Muitos pesquisadores tem adotado a estratégia de acoplamento entre os processos

sono-químicos e diferentes POA’s.

• Radicais hidroxilas são produzidos pela decomposição da água.

• É um processo eficaz para a descontaminação da água.

• Se comparado ao processo eletro-Fenton esse processo possui maior eficiência de

remoção do carbono orgânico total e mineralização.

• Os resultados de estudos provaram que o sono-eletro-Fenton é uma tecnologia

promissora em termos de tratamento de água.

Page 33: Apresentação

• Os autores Martinez e Uribe investigaram a degradação do corante Azure-B

por Fenton, sonólise e sono-eletro-Fenton, os resultados mostraram que a

degradação do Azure-B por sono-eletro-Fenton é 10 vezes maior do que

pelo processo de sonólise e 2 vezes maior do que pelo processo Fenton.

Page 34: Apresentação

PROCESSO FOTO-ELETRO-FENTON

• É a combinação dos processos eletroquímicos e fotoquímicos com o processo

Fenton.

• O efeito catalítico do Fe2+ no processo eletro-Fenton pode ser aumentado irradiando

o conteúdo com luz UV.

• Esse processo gera grande quantidade de radicais livres.

• A fotólise direta de solução ácida contendo peróxido gera radicais hidroxilas através

da quebra hemolítica da molécula de peróxido.

Page 35: Apresentação

• A degradação aumenta ainda mais quando a solução recebe radiação UV além da

aplicação do processo Fenton.

• A regeneração fotoquímica de Fe2+ pela foto-redução de íons Fe3+ e foto-ativação de

complexos torna o sistema foto-eletro-Fenton mais eficiente com pH ácido.

• Os estudos da aplicação do processo foto-eletro-Fenton são muito limitados e a

maioria dos estudos foram relatados para o tratamento de herbicida, 4-cloro-2-metil

fenol e corantes.

Page 36: Apresentação

Exemplo

Composto orgânico utilizado

Condição Experimental

Observações Referencia

Anilina

Reator de vidro provido de ânodo de Pt e de

carbono PTFE cátodo, foi utilizado para a

experimentos de mineralização. Corrente constante fornecida foi de 0.1ª. Lâmpada de

125W de mercúrio com emissão de

comprimento de onda de 360 nm foi utilizada

como fonte de irradiação. Concentração de Fe2+ foi mantida a 1

mM

A mineralização da anilina foi aumentada por irradiação UV. O

processo de foto-eletro-Fenton permite 92% de remoção de TOC após 6 h. Considerando que, em

eletro-Fenton, apenas 68% de mineralização

foi alcançado.

E.Brillas, E.Mur, R.Sauleda, L.Sanchez, J.Peral, X.Domenech,

J.Casado,Aniline mineralization by AOPs:

anodic oxidation, photocatalyst,electro-

Fenton and photoelectro-Fenton processes,

Appl.Catal.B: Environ.16 (1998) 31-42

Page 37: Apresentação

DEGRADAÇÃO MEDIANTE A FERRO NANO-ZERO

• O ferro de valência zero tem atraído grande interesse como ferramenta de

remediação ambiental devido à sua eficiência na degradação de compostos

recalcitrantes, facilidade de obtenção, baixo custo e compatibilidade ambiental pois

o ferro não é um elemento tóxico.

• Fe0 é um agente redutor forte frente a substâncias como íons de hidrogênio,

carbonatos, sulfatos, nitratos e oxigênio.

• Tanto em regime aeróbico como anaeróbico há um aumento de pH se os sistemas

não forem tamponados.

• O aumento de pH favorece a formação de precipitados de hidróxido de ferro, os

quais podem formar uma camada sobre a superfície do metal e inibir sua

reatividade.

Page 38: Apresentação

• Compostos orgânicos como por exemplo os halogenados – RX podem ser reduzidos

por ferro zero. Sofrem um processo de desalogenação redutiva .

• Num sistema aquoso com ferro valência zero, além do Fe0 e do H2, o Fe2+ também

pode atuar como espécie redutiva.

• Vários autores já estudaram a aplicação do processo de ferro zero incluindo o

tratamento de águas subterrâneas contaminadas com compostos poluentes, uma

vez que os POA’s e métodos biológicos não são interessantes para essa situação.

RX + 2e- + H+ RH + X-

Page 39: Apresentação
Page 40: Apresentação

• POA’s e métodos biológicos tem limitação devido a necessidade de adição contínua

de reagentes, controle de pH, temperatura, concentração de oxigênio e o emprego

de reatores específicos.

• O processo de Fe0 não apresenta o risco de formação de subprodutos de degradação

com toxicidades superiores aos produtos originais.

• De modo geral o tratamento com ferro zero restringe-se à redução dos grupos

funcionais dos compostos orgânicos poluentes

• O ferro nano-zero pode ser usado como forma alternativa para induzir a oxidação de

Fenton

Page 41: Apresentação

• Muitos estudos foram realizados e entre eles estão os autores Tang e Chen que

investigaram o efeito do ferro em pó na degradação do corante Azo e compostos

fenólicos.

• Usaram pH abaixo de 2,5 e com a adição de H2O2 a remoção do corante foi maior

que 90%.

• Usado no tratamento de água residual e para o tratamento de solo contaminado.

• Esse processo foi estudado como uma alternativa ao processo Fenton

Page 42: Apresentação

CONCLUSÕES

• Diferentes POA’s foram descritos e com mecanismos similares e por isso podem ser

combinados de diversas maneiras para obter a máxima eficiência.

• Ensaios preliminares são extremamente importantes para determinar qual a

técnica mais apropriada para cada tipo de solução contaminada.

Page 43: Apresentação

FIM