com radiação uv - paginas.fe.up.ptprojfeup/submit_13_14/uploads/relat_miea... · papel de...

Projeto Feup

2013/2014

Tratamento de efluentes por ozonização com radiação UV

Equipa:

Catarina Santos

Catarina Espregueira

Filipe Francisco

Helena Bernardo

João Costa

Rita Duarte

Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente Ano letivo: 2013/2014

1

Agradecimentos

Concluída a elaboração do trabalho, o grupo e, nomeadamente, cada um dos seus

membros não puderam deixar de prestar um profundo agradecimento, em primeiro lugar, ao

coordenador da disciplina de Projeto FEUP do curso de Mestrado Integrado em Engenharia do

Ambiente, o Professor Doutor José Joaquim de Melo Órfão.

Dirigimos também o nosso profundo agradecimento à Engenheira Liliana Santos e à

Doutora Carla Orge que nos dias da realização da atividade laboratorial se disponibilizaram para

nos esclarecer acerca de todo o procedimento experimental bem como os fundamentos teóricos

associados a este. Também nos compete deixar uma palavra de gratidão à Doutora Carla Orge,

cuja tese sobre o “Desenvolvimento de novos materiais de carbono mesoporosos para a

ozonização de poluentes orgânicos” foi a base de algumas das informações que incluímos no

nosso trabalho.

Por fim, a nossa gratificação é especialmente dirigida às monitoras Sofia Lourenço e

Ana Silva pela paciência, disponibilidade e dedicação que sempre tiveram no decorrer de toda a

elaboração deste projecto, com merecido destaque para a monitora Ana Silva que foi a

responsável pela orientação do nosso grupo de trabalho.


2

Sumário

Há um objectivo principal na realização desta actividade experimental bem como deste

trabalho: perceber se o tratamento de efluentes por ozonização com radiação ultravioleta é

eficaz, relativamente ao processo de ozonização sem este tipo de radiação. Fez-se a observação

laboratorial da ozonização de soluções aquosas (neste caso de um corante), recolha (após

medição num espectrofotómetro), tratamento de dados e discussão dos resultados obtidos que

permitiram que se tirassem conclusões acerca do efeito da aplicação da radiação UV em várias

amostras da solução ozonizada, através das medições duplas da absorvância relativa a cada

amostra de diferente concentração de soluto, e através da medição do TOC - carbono orgânico

total.

Os efluentes provêm das ações antropogénicas, dos meios domésticos, industriais,

agrícolas, pluviais urbanos e dos lixiviados provenientes de depósitos de resíduos sólidos, como

aterros e lixeiras. Ora, o aumento da população mundial e da industrialização, trouxe uma

intensificação da produção de efluentes e do número das suas descargas diretamente no meio

ambiente que trouxeram consigo consequências adversas a nível ambiental, de saúde

pública e da biodiversidade das espécies. Ao aperceber-se do risco associado à poluição que se

gerava continuamente, o ser humano teve necessidade de estabelecer limites na emissão de

efluentes para a Natureza , encontrando soluções que minimizassem os seus efeitos nefastos.

No tratamento dos efluentes, são aplicadas várias técnicas do tratamento, através de processos

físicos, químicos e biológicos. Recentemente, desenvolveu-se o processo de ozonização que tem

por base, como o próprio nome indica, a utilização do ozono para diminuir a poluição que um

efluente pode causar, isto porque o ozono tem um elevado poder oxidante devido às suas

características moleculares, não deixando resíduos indesejáveis. Este processo é aplicado na

descontaminação de águas residuais (a eficácia deste processo chega mesmo a também

possibilitar, por vezes, o reaproveitamento das águas no processo industrial) e até de águas para

consumo.


3

Índice

Índice de figuras ............................................................................................................................ 4

Introdução ..................................................................................................................................... 6

Efluentes .................................................................................................................................... 6

Resultados ................................................................................................................................... 11

Conclusão .................................................................................................................................... 15

Referências bibliográficas ........................................................................................................... 16


4

Índice de figuras

Figura 1 - Exemplo de um efluente doméstico, os esgotos. .......................................................... 6

Figura 2 - Esquema dos tipos de técnicas utilizadas no tratamento de efluentes .......................... 7

Figura 3- Reator com papel de alumínio, antes do início da reacção de ozonização .................... 8

Figura 4 - Reator forrado a papel de alumínio, depois do início da reacção de ozonização ......... 9

Figura 5 - Retiragem de uma amostra de 6mL do reator ............................................................... 9

Figura 6 - Medição do pH da solução padrão após o final da experiência .................................. 10

Figura 7 - Amostras da solução padrão retiradas do reator após 0, 2, 5, 10, 15, 30, 60, 90 e 120

minutos do início da reação de ozonização. ................................................................................ 11


5

Índice de tabelas

Tabela 1 – Absorvância observada ao longo do tempo em amostras submetidas ao processo de

ozonização com radiação UV ...................................................................................................... 11

Tabela 2– Absorvância observada ao longo do tempo em amostras submetidas ao processo de

ozonização sem radiação UV ...................................................................................................... 12

Tabela 3– Carbono orgânico total (TOC) observado ao longo do tempo em amostras submetidas

ao processo de ozonização sem radiação UV .............................................................................. 13


ao processo de ozonização sem radiação UV .............................................................................. 14


6

Introdução

A realização desta atividade experimental, no âmbito da disciplina de Projeto FEUP, tem

por objetivo a observação laboratorial da ozonização de soluções aquosas (neste caso uma

soluçãodo corante cibacron Blue Br), recolha e tratamento de dados e discussão dos resultados

obtidos. Através da medição num aparelho apropriado – espectrofotómetro - e da recolha dos

dados medidos, pretende-se tirar conclusões acerca do efeito da aplicação da radiação UV em

várias amostras da solução ozonizada, através das medições duplas da absorvância relativa a

cada amostra de diferente concentração de soluto, e através da medição do TOC - carbono

orgânico total - dando assim resposta à pergunta que consiste em perceber se o tratamento de

efluentes por ozonização com radiação ultravioleta é eficaz, relativamente ao processo de

ozonização sem radiação ultravioleta.

Efluentes

Os efluentes podem ser encarados como “lixo” sob a forma líquida ou gasosa. Estes

resultam das ações antropogénicas e são provenientes dos meios domésticos, industriais,

agrícolas, pluviais urbanos e dos lixiviados provenientes de depósitos de resíduos sólidos, como

aterros e lixeiras.(Fig.1)

Figura 1 - Exemplo de um efluente doméstico, os esgotos.

Dado o aumento da população mundial e da industrialização, houve uma intensificação da

produção de efluentes e, consequentemente um aumento do número de descargas destes

diretamente no meio ambiente. Estas descargas causam consequências adversas tanto a nível

ambiental e de saúde pública como também a nível da biodiversidade das espécies. A poluição

das linhas de água superficiais, do ar, dos solos, das reservas freáticas profundas, a formação de

chuvas ácidas, o aumento do aquecimento global e do buraco da camada do ozono, são apenas

alguns exemplos dos problemas causados. Face a todas estas adversidades o ser humano


7

apercebeu-se que colocaria a sua vida em risco se continuasse a proceder de igual forma. Assim,

foi necessário establecer limites na emissão de efluentes para a Natureza e foi também

necessário encontrar soluções que minimizassem os seus efeitos nefastos. Começaram então a

surgir como opções métodos que que têm por objetivo reduzir o carater tóxico e perigoso dos

efluentes de forma a, depois de tratados, estes serem enviados para a Natureza, sem a danificar.

São aplicadas várias técnicas do tratamento de efluentes, através de processos fícicos, químicos

e biológicos.(fig. 2)

Figura 2 - Esquema dos tipos de técnicas utilizadas no tratamento de efluentes

Recentemente, foi desenvolvido o processo de ozonização. Este consiste na utilização

de ozono para diminuir o efeito poluidor de um dado efluente. Dadas as suas características

moleculares, o ozono tem um elevado poder oxidante, pois é quimicamente instável,

decompondo-se com facilidade em oxigénio, não deixando resíduos indesejáveis. Este gás é

utilizado na descontaminação de águas e residuais e até de águas para consumo, pois é

facilmente solúvel em água e que aumenta a biodegradibilidade dos efluentes e, os produtos

formados não possuem carácter tóxico para o ambiente. (Carla Orge Fonseca, 2008)

O ozono é também eficaz na remoção de sulfuretos, que deixam na atmosfera um odor

desagradável e na precipitação de metais pesados. A eficácia deste processo é de tal ordem que

chega mesmo a possibilitar, por vezes, o reaproveitamento das águas no processo industrial.


8

Procedimento experimental

A atividade experimental realizada tratou então o tratamento de efluentes por ozonização

com radiação ultra violeta.

Na primeira aula laboratorial, procedeu-se à diluição de uma solução-mãe corada

(100mg/l ), preparando se quatro outras soluções, com concentrações de 10, 20, 50 e 75mg/L.

Na segunda aula, inicialmente fez-se passar o oxigénio pelo gerador de ozono para a

produção deste gás. Seguidamente, retirou-se uma amostra da solução mãe, que deu origem às

outas quatro soluções diluídas e a qual não sofreu qualquer diluição, e mediu-se o seu pH, sendo

este de 5,57.

Após a medição pH, mediu-se 250mL de solução padrão e colocou-se no reator, onde se

encontrava uma barra magnética que se movia a uma velocidade de 400 rotações por minuto e

cuja função era manter a solução em agitação constante. Entretanto, procedeu-se à rotulação de

frascos de pequenas dimensões com o tempo em minutos em que as amostras iriam ser

retiradas.

Após a solução padrão se encontrar no interior do reator, colocou-se o difusor, onde

ocorria a entrada do ozono vindo do gerador para o reator, ainda com a válvula fechada.

Colocou-se também outro tubo por onde saía o ozono excedente, que passava por frascos

lavadores. Estes transformam o ozono novamente em oxigénio, e encaminham o gás para

chaminés a fim de o libertarem para a atmosfera. A utilização destes frascos lavadores é de

extrema importância porque permite que o ozono não seja libertado para a atmosfera o que

traria consequências adversas para a qualidade do ar e para o meio

ambiente.

Antes de ligar a lâmpada de raios ultra violeta, cobrimos

toda a superfície do reator, incluindo as suas entradas e saídas, com

papel de alumínio (Fig.3) de forma a minimizar o contacto visual

com este tipo de luz, pois esta pode trazer consequências

fisiológicas nefastas para a retina do olho e, concomitantemente,

para a visão. Assim, após este procedimento, ligou-se a lâmpada,

abriu-se a válvula, permitindo o ozono chegar até ao reator, e

iniciou-se a experiência.(Fig.4)

Figura 3- Reator com papel de

alumínio, antes do início da

reacção de ozonização


9

A abertura da válvula fez com que houvesse uma quebra de pressão no gerador de ozono sendo,

por isso, necessário proceder a um acerto de pressão para o valor inicial de 0,5ppm.

Figura 4 -Reator forrado a papel de alumínio, depois do início da reacção de ozonização

No interior do reator, o ozono reagiu com o corante (molécula orgânica). O ozono vai

quebrar cada molécula de corante em duas, que podem ser mais perigosas do que a inicial.

Ocorre também uma oxidação avançada onde se formam radicais livres de hidroxilo que vão

quebrar as restantes moléculas até que estas se mineralizem.

Após 2 minutos do início da experiência, retirou-se uma amostra de 6mL do reator,

(Fig.5) através de uma seringa com o mesmo volume, e colocou-se no recipiente rotulado com

os respectivos instantes da recolha. Repetiu-se este procedimento para os tempos 5, 10, 15, 30,

60, 90 e 120 minutos. Foi necessário cuidado ao retirar todas as amostras do reator para evitar

inalar ozono.

Figura 5 - Retiragem de uma amostra de 6mL do reator


10

Paralelamente, mediu-se a absorvância de cada uma das soluções diluídas e da solução-

mãe no espectrofotómetro. Para proceder a esta medição utilizou-se uma cuvete. Após a sua

lavagem com água destilada, encheu-se com a solução padrão, e depois de bem secas as paredes

da cuvete, colocou-se no interior do espectrofotómetro. Após o registo da absorvância da

solução padrão, retirou-se a cuvete do interior do aparelho, voltou-se a lavar com água destilada,

a encher-se com a solução mãe, a secar-se as paredes da cuvete e a medir-se a absorvância da

solução. A repetição desta medição é importante para evitar erros. No final faz-se a média dos

dois valores dados e têm-se um valor mais fiável da absorvância de uma dada solução. Repetiu-

se este processo para as quatro restantes soluções diluídas.

Por vezes foi necessário repetir mais de duas vezes a medição da absorvância de uma

solução, pois os dois primeiros valores registados diferiram bastante um em relação ao outro.

Assim, ao fazer uma terceira ou até uma quarta medição, são escolhidos os dois valores mais

aproximados, os quais ao fazer a sua média darão a absorvância da solução.

No espectrofotómetro, utilizou-se um comprimento de onda de 597nm, dado que é o

valor ótimo para que ocorra o máximo de absorvância. O zero da absorvância é correspondente

à água destilada.

À medida que se retiravam as amostras do reator, mediu-se também a sua absorvância,

repetindo o processo utilizado nas soluções diluídas e na solução mãe.

Após os 120 minutos de experiência, mediu-se o pH da solução padrão que se

encontrava no reator, sendo o seu valor de 3,1. (Fig. 6)

Figura 6 - Medição do pH da solução padrão após o final da experiência


11

Resultados

Ao retirar as amostras do reator verificou-se, que ao longo do tempo, a cor azulada da

solução padrão foi desaparecendo. (Fig.7) Esta gradação de cores verifica-se mais

acentuadamente, comparando as duas primeiras amostras retiradas do reator, uma após dois e

outra após cinco minutos do início da reação de ozonização, com a solução mãe. Verificou-se

então que à medida que a solução mãe ia sofrendo o processo de ozonização, no interior do

reator, esta ia perdendo a sua cor azulada.

Figura 7 - Amostras da solução padrão retiradas do reator após 0, 2, 5, 10, 15, 30, 60, 90 e 120

minutos do início da reação de ozonização.

Depois de ter todas as medições da absorvância das amostras de solução padrão, sujeitas

ao processo de ozonização com raios UV, construiu-se a Tabela 1. A Tabela 2, trata-se das

medições da absorvância das amostras de solução padrão, sujeitas ao processo de ozonização

sem raios UV, elaborada pelas monitoras.

Tabela 1 – Absorvância observada ao longo do tempo em amostras submetidas ao processo de

ozonização com radiação UV

t(min) Abs(média) C(ppm) C/C0

0 0,7275 100,08 1,00

2 0,3246 44,66 0,45

5 0,0815 11,20 0,11

10 0,0064 0,88 0,01

15 0,0025 0,34 0

30 0,0017 0,23 0

60 0 0 0

90 0 0 0

120 0 0 0


12

Tabela 2– Absorvância observada ao longo do tempo em amostras submetidas ao processo de

ozonização sem radiação UV

t(min) Abs(média) C(ppm) C/C0

0 0,7278 101,83 1,00

2 0,6147 86,09 0,85

5 0,5023 70,45 0,69

10 0,3121 43,98 0,43

15 0,1516 21,64 0,21

30 0,0383 5,87 0,06

60 0,0023 0,87 0,01

90 0,0015 0,75 0,01

120 0,0022 0,85 0,01

Nas Tabelas 1 e 2, temos os valores da absorvância das amostras retiradas do reator em

diferentes instantes. O conceito de absorvância consiste na quantidade de luz que é absorvida

por uma amostra. Este processo é baseado na propriedade dos diferentes compostos de absorver

radiações, medindo assim, a concentração do corante existente numa determinada amostra. Esta

concentração é directamente proporcional à quantidade de radiação absorvida. Em suma,

podemos concluir quanto maior for a radiação absorvida maior é a quantidade de corante

presente na solução.

Em ambas as tabelas podemos verificar que a absorvância média inicial da solução

padrão é muito semelhante. Ao longo da tabela, observamos que a absorvância da solução que

foi submetida ao processo de ozonização com radiação ultravioleta diminui mais rapidamente

do que a solução que não foi submetida a esta radiação. Por exemplo, a primeira, após dez

minutos têm uma absorvância de 0,0064, enquanto que a segunda tem uma absorvância de

0,3121. Além disso a solução submetida a raios UV atinge o zero de absorvância passado uma

hora de reação, enquanto que a solução não submetida a raios UV, após duas horas de reação

não atinge o zero de absorvância. Assim, para poder observar de forma mais clara esta variação

da absorvância das soluções ao longo do tempo, construiu-se o Gráfico 1, a partir das Ta

dasTabelas 1 e 2.


13

Gráfico 1 - Comparação dos valores da absorvância ao longo do tempo das amostras submetidas

ao processo de ozonização com e sem radiação UV

Apesar das diferenças encontradas entre as absorvâncias, ambas tendem para zero.

Observamos que tanto as amostras submetidas ao processo de ozonização com raios UV como

as amostras submetidas ao processo de ozonização sem raios UV, vêem reduzida a quantidade

de corante nelas presente. Isto significa que a aplicação da radiação ultravioleta não tem um

papel fundamental na remoção do corante de soluções.

Mediu-se também o TOC - carbono orgânico total - das soluções ao longo do tempo. O

TOC é a quantidade de carbono orgânico total e com a sua medição, conseguimos perceber se

na solução existem grandes ou pequenas quantidades de compostos orgânicos. Construíram-se

duas tabelas, Tabela 3 e Tabela 4, cada uma delas com uma coluna com a percentagem de

remoção de TOC e outra com a razão entre a quantidade de TOC de uma amostra num dado

instante e o TOC inicial. A Tabela 3, é referente ao processo de ozonização com radiação

ultravioleta e a Tabela 4, é referente ao processo de ozonização sem radiação ultravioleta.


ao processo de ozonização com radiação UV

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 20 40 60 80 100 120

C/C

0

t(min)

Com UV

Sem UV

t(min) TOC/TOC0 %Remoção de TOC

0 1,000 0

15 0,810 19,000

60 0,469 53,100

120 0,347 65,300


14


ao processo de ozonização sem radiação UV

Nestas duas tabelas, verificamos que existe uma discrepância significativa entre a

percentagem de remoção de TOC entre os dois processos. No reator onde se utilizou raios

ultravioleta, a percentagem de TOC removido, após 120 minutos, foi de 65,3%, enquanto que

no reator onde não foram utilizados raios UV, a percentagem de remoção de TOC foi de 26,4%.

Com os valores da % de remoção de TOC foi elaborada o Gráfico 2, de forma a sintetizar a

informação.

Gráfico 2 - Comparação dos valores da remoção do TOC observados ao longo do tempo em

amostras submetidas ao processo de ozonização com e sem radiação UV

Com a observação do Gráfico 2, podemos concluir que a aplicação de raios ultravioleta

no processo de ozonização de efluentes é uma mais valia, visto que permite que ocorra uma

maior remoção de compostos orgânicos e permite a descoloração de corantes, tornando a

solução menos poluente, reduzindo assim o seu impacte no meio ambiente.

0

20

40

60

80

100

15 60 120% R

em

oçã

o d

e T

OC

Tempo (min)

Com UV

Sem UV

t(min) TOC/TOC0 %Remoção de TOC

0 1 0

15 0,807 19,272

60 0,737 26,254

120 0,736 26,401


15

Conclusão

Feita a experiência laboratorial, a recolha dos resultados e a análise dos mesmos, é-nos possível

obter algumas conclusões acerca da situação experimental em causa.

Ao longo do processo experimental, verificámos com acentuada curiosidade que a solução mãe,

com o decorrer processo de ozonização, ia perdendo a sua cor azulada. Não seria arriscado

concluir a priori que a eficácia do processo de ozonização na atenuação dos efeitos nefastos dos

efluentes é extremamente elevada. Contudo, a observação feita a olho nu e isenta de uma análise

detalhada aos picos de absorvância da solução e aos níveis do carbono orgânico total em cada

estádio da recolha da mistura não seria suficiente para concluirmos uma série de informações

importantes a reter.

Sabendo que a absorvância consiste na quantidade de luz que é absorvida por uma

amostra e que concentração de espécies químicas existentes numa determinada amostra é

directamente proporcional à quantidade de radiação absorvida, podemos também inferir que

quanto maior for a radiação absorvida maior é a quantidade de corante presente na solução.

Uma análise sumária dos dados obtidos e registados em ambas as tabelas permite verificar que a

absorvância média inicial da solução padrão é muito semelhante e que ao longo da tabela, a

absorvância da solução que foi submetida ao processo de ozonização com radiação ultravioleta

diminui mais rapidamente do que a solução que não foi submetida à mesma radiação.

Apesar das diferenças encontradas entre as absorvâncias, dado que ambas tendem para

zero foi necessário medir-se também o TOC das soluções ao longo do tempo, que corresponde à

quantidade de carbono orgânico total, medição esta que nos fez perceber se na solução existem

grandes ou pequenas quantidades de compostos orgânicos. Analisando os dados obtidos

verificamos que existe uma diferença significativa entre a percentagem de remoção de TOC

entre os dois processos (no reator onde se utilizaram raios ultravioleta, a percentagem de TOC

removido, após 120 minutos, foi de 65,3%, enquanto que no reator onde não foram utilizados

raios UV, a percentagem de remoção de TOC foi de 26,4%). Isto permite-nos concluir, sem

margem para dúvida, que a aplicação de raios ultravioleta no processo de ozonização de

efluentes é de extrema vantagem, dado que ocorre uma maior eliminação de compostos

orgânicos, tornando os efluentes menos poluentes e atenuando o seu impacto no meio ambiente.


16

Referências bibliográficas

Foram consultados os seguintes endereços:

http://www.google.pt/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CFwQFjAH&url

=http%3A%2F%2Fwww.hvacmercosul.com.br%2Fuploads%2Fartigos%2F2013_01_15_16_17

_13_1_trabalho%2520final%2520%2520oz%25202003%2520congresso%2520ar%2520v3.pdf

&ei=P7tiUpK-

NuWw7Qbb54D4CQ&usg=AFQjCNHsAaAoVsd4qtHcFwJ3bQ6DRcxhzQ&bvm=bv.5493425

4,d.Yms , em 19/10/2013

http://greenpedia.greenvana.com/termos/efluentes/185, em 19/10/2013

http://www.infoescola.com/ecologia/efluentes/, em 19/10/2013

http://www.infoescola.com/quimica/centrifugacao-e-flotacao/, em 19/10/2013

http://o3max.com.br/index_arquivos/Page864.htm, em 19/10/2013

Orge, Carla, 2008. Desenvolvimento de novos materiais de carbono mesoporosos para a

ozonização de poluentes orgânicos.

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAXWAAK/espectrofotometro, em 25/10/2013

http://www.ufrgs.br/leo/site_espec/componentes.html, em 25/10/2013

com radiação uv - paginas.fe.up.ptprojfeup/submit_13_14/uploads/relat_miea... · papel de...

Documents