09 MAY 2008FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR
APLICAÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES INDUSTRIAIS
R&D
TiO2
FOTOCATÁLISE
BIODEGRADABILIDADETOXICIDADE
FOTO-FENTONBIOTRATAMENTO
OPTIMIZAÇÃO
DE COMPOSTOSFOTOCATÁLISE
SOLAR
RECALCITRANTES
INVESTIGADORES: VÍTOR JORGE PAIS VILAR RUI ALFREDO DA ROCHA BOAVENTURA
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 2
CONTEÚDOS
RADIAÇÃO SOLAR PROCESSOS E APLICAÇÕES DA RADIAÇÃO SOLAR FOTOCATÁLISE SOLAR– HETEROGÉNEA (TiO2)– HOMOGÉNEA (FOTO-FENTON)
COLECTORES SOLARES– COLECTORES CONCENTRADORES PARABÓLICOS– COLECTORES NÃO-CONCENTRADORES– COLECTORES PARABÓLICOS COMPOSTOS
PROJECTOS– PROJECTO SOLÁGUA– PROJECTO FOTOSOLAR
CONCLUSÕES
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 3
RADIAÇÃO SOLAR EM PORTUGAL
INSOLAÇÃO MÉDIA ANUAL RADIAÇÃO GLOBAL MÉDIA ANUAL
PORTO – 2458 h; 14.7 MJ/m2 LISBOA – 2581; 16.3 MJ/m2
ÉVORA – 2732; 16.8 MJ/m2 FARO – 2974; 17.0 MJ/m2
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 4
RADIAÇÃO SOLAR NA EUROPA
PORTUGAL, A PAR DA GRÉCIA E ESPANHA, É DOS PAÍSES COM MAIOR POTENCIAL DE
APROVEITAMENTO DE ENERGIA SOLAR NA EUROPA
COM MAIS DE 2300 HORAS/ANO DE INSOLAÇÃO NA REGIÃO
NORTE E 3000 NO ALGARVE, PORTUGAL DISPÕE DE UMA
SITUAÇÃO PRIVILEGIADA PARA O APROVEITAMENTO DA
ENERGIA SOLAR
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 5
PROCESSOS E APLICAÇÕES DA RADIAÇÃO SOLAR
DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
RECURSOS RENOVÁVEIS
PRODUÇÃO DE ENERGIA RADIAÇÃO UV
DESTOXIFICAÇÃODE EFLUENTES
DESINFECÇÃO DE ÁGUA
DESSALINIZAÇÃO DE ÁGUA DO MAR
DESTOXIFICAÇÃODE AR
RADIAÇÃO SOLAR
3.5% - 8%
DESINFECÇÃO SOLAR DE ÁGUA
DESSALINIZAÇÃO DE ÁGUA DO MAR
FOTOCATÁLISE SOLAR
ÁGUAAR
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 6
PROCESSOS DE OXIDAÇÃO AVANÇADOS
H2O2/UV
H2O2/O3PROCESSOS
FOTOCATALÍTICOS
O3/UV
H2O2/O3/UV
OHTiO2/UV
Fe3+/H2O2/UV
FOTOCATÁLISE SOLAR
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 7
FOTOCATÁLISE SOLAR
UV/TiO2
heTiOhTiO 22
ad2ad2 OHTiOOHhTiO
Material Gradiente
Energético (eV) para a Formação
de e-/h+ (nm) SnO2 3.9 318 ZnS 3.7 336 ZnO 3.2 380 TiO2 3.0 390 WO3 2.8 443 CdS 2.5 497 GaP 2.3 540
Fe2O3 2.2 565 CdO 2.1 590
RESISTÊNCIA QUÍMICA
RESISTÊNCIA À FOTOCORROSÃO
SEGURANÇA NO MANUSEAMENTO
BAIXO CUSTO
< 390 nm (RADIAÇÃO SOLAR)
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 8
FOTOCATÁLISE SOLAR
HOMOGÉNEA (FOTO-FENTON)
VANTAGENS
VELOCIDADE DE REACÇÃO ELEVADA
BARATO, REAGENTES NÃO TÓXICOS
(Fe, H2O2, ÁCIDO, BASE)
< 580 nm (RADIAÇÃO SOLAR)
DESVANTAGENS
AJUSTE DO pH (2.6-2.8)
REMOÇÃO DO FERRO
COMPLEXOS PERSISTENTES COM O
FERRO LEVAM À PARAGEM DA REACÇÃO
UV/Fe3+/H2O2
OHOHFeOHFe 322
2
OHHFeOHFe 2h2
3 FOTO-FENTON
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 9
COLECTORES SOLARES
COLECTOR CONCENTRADOR
PARABÓLICO
COLECTOR NÃO-CONCENTRADOR
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 10
COLECTOR PARABÓLICO COMPOSTO
FACTOR DE CONCENTRAÇÃO = 1 (1 SOL CPC)
CONDIÇÕES DE ESCOAMENTO TURBULENTO
NENHUM SISTEMA DE PROCURA SOLAR
RADIAÇÃO DIRECTA E DIFUSA
BAIXO CUSTO
INEXISTÊNCIA DE CONTAMINAÇÃO
CATALISADORES SUPORTADOS
RESISTÊNCIA ÀS CONDIÇÕES ATMOSFÉRICAS
INEXISTÊNCIA DE SUPERAQUECIMENTO
EFICIÊNCIA ÓPTICA ELEVADA
REDIMENTO QUÂNTICO ELEVADO
VANTAGENS PRINCIPAIS:
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 11
COLECTORES PARABÓLICOS COMPOSTOS
FOTOREACTOR
RADIAÇÃO DIRECTA E DIFUSA
SUPERFÍCIE REFLECTORA
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 12
COLECTOR PARABÓLICO COMPOSTO
SUPERFÍCIE REFLECTORA
ELEVADA REFLECTIVIDADE NA GAMA UV
DURABILIDADE ACEITÁVEL AO AR LIVRE
CUSTO RAZOÁVEL
REACTOR FOTOCATALÍTICO
DEVE CONTER O CATALISADOR
CONFIGURAÇÃO TUBULAR
TRANSPARENTE À RADIAÇÃO UV
RESISTENTE À RADIAÇÃO UV
RESISTENTE A TEMPERATURAS MODERADAS E pH ÁCIDO
QUEDA DE PRESSÃO MÍNIMA AO LONGO DO SISTEMA
CUSTOS RAZOÁVEIS E DURABILIDADE
ALUMÍNIO ANODIZADO ELECTROPOLIDO
FILMES DE PLÁSTICO COM REVESTIMENTO DE ALUMÍNIO
FLUOROPOLÍMEROS
POLÍMEROS ACRÍLICOS
VIDRO DE BOROSSILICATO
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 13
PROJECTOS
PROJECTO SOLÁGUA– DESINFECÇÃO SOLAR DE ÁGUA POR FOTOCATÁLISE SOLAR USANDO COLECTORES PARABÓLICOS COMPOSTOS– PROJECTO FINANCIADO PELA EMPRESA ÁGUAS DO DOURO E PAIVA
PROJECTO FOTOSOLAR– DESTOXIFICAÇÃO DE EFLUENTES E PRÉ-TRATAMENTO DE ÁGUAS POR FOTOCATÁLISE SOLAR– PROJECTO FINANCIADO PELA EMPRESA EFACEC AMBIENTE
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 14
Desinfecção de Água por Fotocatálise SolarPROJECTO SOLÁGUA
INSTALAÇÃO PILOTO SOLÁGUA
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 15
ÁGUA LIMPA
TANQUE DE RECIRCULAÇÃO
COLECTOR PARABÓLICO COMPOSTO
CÉLULA FOTOVOLTAICA
RADIÓMETRO
TIO2 SUSPENSO
TIO2 IMOBILIZADOMATRIZ DE PAPEL NW10
PROJECTO SOLÁGUA
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 16
TIO2 EM SUSPENSÃO BASTANTE EFICAZ
1 kJUV/L ( 10 MIN) REDUÇÃO 4 LOG PARA
E. coli
TIO2 EM SUSPENSÃO BASTANTE EFICAZ
1 kJUV/L ( 10 MIN) REDUÇÃO 4 LOG PARA
E. coli
Desinfecção de Água por Fotocatálise Solar
E. coli • [Ci] = 103 UFC/mL 2 kJ/L• [Ci] = 104 UFC/mL 4 kJ/L• [Ci] = 105 UFC/mL 7 kJ/L
Enterococcus• [Ci] = 103 UFC/mL 15 kJ/L• [Ci] = 104 UFC/mL 30 kJ/L• [Ci] = 105 UFC/mL 35 kJ/L
E. coli • [Ci] = 103 UFC/mL 2 kJ/L• [Ci] = 104 UFC/mL 4 kJ/L• [Ci] = 105 UFC/mL 7 kJ/L
Enterococcus• [Ci] = 103 UFC/mL 15 kJ/L• [Ci] = 104 UFC/mL 30 kJ/L• [Ci] = 105 UFC/mL 35 kJ/L
PROJECTO SOLÁGUAFOTÓLISE
FOTOCATÁLISE
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 17
PROJECTO FOTOSOLAR
INSTALAÇÃO PILOTO
FOTOSOLAR
RADIÓMETRO UV
COLECTORES PARABÓLICOS COMPOSTOS (4.4 m2)
QUADRO ELÉCTRICO
TANQUES DE RECIRCULAÇÃO
TANQUE DE SEDIMENTAÇÃO
REACTOR DE BIOMASSA
IMOBILIZADA
TANQUE DE CONDICIONAMENTO
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 18
PROJECTO FOTOSOLAR
AJUSTE DO pH
Fe < 0.5 mg/L
SUSPENSÃO DE Fe
ADIÇÃO DE Fe
TANQUE DE SEDIMENTAÇÃOTANQUE DE
RECIRCULAÇÃO
COLECTORES PARABÓLICOS COMPOSTOS
ÁGUA RESIDUAL
MINERALIZAÇÃO DA ÁGUA
CONTAMINADA
ÁGUA LIMPA
ADIÇÃO DE H2O2
ADIÇÃO DE H2SO4
pH ~ 2.8
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 19
PROJECTO FOTOSOLAR
AJUSTE DO pH
Fe < 0.5 mg/L
SUSPENSÃO DE Fe
INJECÇÃO DE AR
ENTRADA DE Fe
TANQUE DE SEDIMENTAÇÃOTANQUE DE
RECIRCULAÇÃO
COLECTORES PARABÓLICOS COMPOSTOS
TANQUE DE ARMAZENAMENTO
ÁGUA LIMPA
ENTRADA DE H2O2
FOTOTRATAMENTO
EFLUENTE BIODEGRADÁVEL
TANQUE DE CONDICIONAMENTO
CONTROLO DO pH
ÁCIDO
BASE
CONTROLO DE OD
REACTOR DE BIOMASSA IMOBILIZADA
ENTRADA DE H2SO4
pH ~ 2.8
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 20
COMBINAÇÃO DA FOTOCATÁLISE SOLAR COM TRATAMENTO BIOLÓGICO
O TEMPO DE FOTOTRATAMENTO DEVE SER O SUFICIENTE PARA OBTER UMA ELEVADA EFICIÊNCIA NO TRATAMENTO BIOLÓGICO
DIMINUIÇÃO DO TEMPO DE FOTOTRATAMENTO
REDUÇÃO DA ÁREA DA INSTALAÇÃO
REDUÇÃO DOS CUSTOS
AUMENTO DA EFICIÊNCIA GLOBAL DO PROCESSO
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 21
TRATAMENTO DE LIXIVIADOS DE UM ATERRO SANITÁRIO PELA REACÇÃO FOTO-FENTON
LIXIVIADO BRUTO
LIXIVIADO BRUTO
LIXIVIADO APÓS UM DIA DE EXPOSIÇÃO SOLAR
LIXIVIADO APÓS MEIO DIA DE EXPOSIÇÃO SOLAR
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 22
TRATAMENTO DE LIXIVIADOS DE UM ATERRO SANITÁRIO PELA REACÇÃO FOTO-FENTON
0 40 80 120 160 200 240 2800
400
800
1200
1600
2000
2400
2800
3200
3600
DOC COD
DO
C, C
OD
(m
g/L
)
H2O
2 consumed (mM)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
AOS
AO
SRAD-ON
0 40 80 120 160 200 240 2800
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000 DOC
DO
C (
mg
/L)
H2O
2 consumed (mM)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Polyphenols
Po
lyp
he
no
ls (
mg
ca
ffe
ic a
cid
/L)
RAD-ON
4
6
8
10
12
14
OUR
OU
R (
mo
l O2/(
mo
l C x
h))
x 1
0-3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Abs. 254 nm
Ab
so
rba
nc
e 2
54
nm
(d
il. 1
:25
)
CONDIÇÕES ÓPTIMAS DE FOTOTRATAMENTO
• 70 kJUV/L
• 120 mM H2O2 CONSUMIDO
• CODFINAL = 333 mg/L
• 56% MINERALIZAÇÃO DOS LIXIVIADOS
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 23
TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS DA COZEDURA DA CORTIÇA PELA REACÇÃO FOTO-FENTON
EFLUENTE BRUTO
EFLUENTE APÓS 1 DIA DE EXPOSIÇÃO SOLAR
EVOLUÇÃO DA COR AO LONGO DO
FOTOTRATAMENTO
EFLUENTE APÓS 2 DIAS DE EXPOSIÇÃO SOLAR
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 24
TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS DA COZEDURA DA CORTIÇA PELA REACÇÃO FOTO-FENTON
EFLUENTE BRUTO
EFLUENTE APÓS 2 DIAS DE EXPOSIÇÃO SOLAR
1 TANQUE DE RECIRCULAÇÃO (300 L); 1 BOMBA DE RECIRCULAÇÃO (20 L/min)7 UNIDADES DE CPCs; 16 TUBOS DE VIDRO DE BOROSSILICATOÁREA DOS CPCs = 15.0 m2; Vt = 300 L; Vi = 110 L; Vi/Vt = 0.37; di = 30 mm
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 25
TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS DA INDÚSTRIA DA CORTIÇA PELA REACÇÃO FOTO-FENTON
0 10 20 30 400
100
200
300
400
500
600
DOCDO
C (
mg
/L)
QUV
(kJ/L)
0
20
40
60
80
100
H2O
2 cons. H
2O
2 c
on
su
me
d (
mM
)
RAD-ON
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Abs 254 nm
Ab
so
rba
nc
e 2
54
nm
(d
il. 1
:25
)
0
5
10
15
20
25
30
Fe
Fe
(m
g/L
)
0 50 100 150 200 2500
400
800
1200
1600
2000
2200
3
DOC
DO
C (
mg
/L)
QUV
(kJ/L)
1
2
0
50
100
150
200
250
300
350
400 H
2O
2 cons.
H2O
2 c
on
su
me
d (
mM
)
RAD-ON
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
Abs 254 nm
Ab
so
rba
nc
e 2
54
nm
(d
il. 1
:25
)
0
4
8
12
16
20
24 Fe
Fe
(m
g/L
)
CONDIÇÕES ÓPTIMAS DE FOTOTRATAMENTO
• 15 kJUV/L
• 33 mM H2O2 CONSUMIDO
• CODFINAL = 300 mg/L (CODINICIAL = 777 mg/L)
• 49% MINERALIZAÇÃO DA ÁGUA DE LAVAGEM
CONDIÇÕES ÓPTIMAS DE FOTOTRATAMENTO
• 114 kJUV/L
• 151 mM H2O2 CONSUMIDO
• CODFINAL = 1130 mg/L (CODINICIAL = 1748 mg/L)
• 48% MINERALIZAÇÃO DA ÁGUA DE
COZEDURA DA CORTIÇA
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 26
CONCLUSÕES
1
O PROCESSO FOTOCATALÍTICO APENAS FAZ SENTIDO PARA O TRATAMENTO DE POLUENTES RECALCITRANTES;
A COMBINAÇÃO DA FOTOCATÁLISE SOLAR COM O BIOTRATAMENTO PERMITE OBTER UM SISTEMA EFICIENTE E BARATO.
A DESTOXIFICAÇÃO SOLAR É UM VERDADEIRO PROCESSO DE TRATAMENTO, ENQUANTO QUE OS OUTROS SÃO APENAS TECNOLOGIAS DE SEPARAÇÃO DA CONTAMINAÇÃO.
A DESTOXIFICAÇÃO SOLAR APRESENTA ALGUMAS VANTAGENS: A UTILIZAÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR COMO FONTE DE FOTÕES, O QUE SIGNIFICA QUE É UMA TECNOLOGIA LIMPA; O PROCESSO PODE SER HETEROGÉNEO (TiO2) OU HOMOGÉNEO (FOTO-FENTON), COM A POSSIBILIDADE DE OBTER DIFERENTES REACÇÕES QUÍMICAS E INTERACÇÕES DE SUPERFÍCIE NÃO DISPONÍVEIS EM OUTROS SISTEMAS DE TRATAMENTO; PODE OPERAR EM FASE LÍQUIDA OU GASOSA EM CONTRASTE COM OUTROS PROCESSOS, COMO A OXIDAÇÃO COM OZONO OU PERÓXIDO DE HIDROGÉNIO, OS QUAIS SÃO APLICADOS GERALMENTE EM FASE LÍQUIDA; A DESTOXIFICAÇÃO SOLAR É UMA TECNOLOGIA MODULADA POSSIBILITANDO A FLEXIBILIDADE DO SISTEMA, O QUE É IMPORTANTE QUANDO SE PRETENDE TRATAR CAUDAIS MODERADOS OU BAIXOS.
FOTOCATÁLISE SOLAR VÍTOR JORGE PAIS VILAR 27
AGRADECIMENTOS
SUPERVISORES− DOUTOR RUI ALFREDO DA ROCHA BOAVENTURA (LSRE-FEUP)− DOUTOR MANUEL IGNACIO MALDONADO (CIEMAT-PSA)
MEIOS DISPONIBILIZADOS E SUPORTE TÉCNICO− FEUP (FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO)− LSRE (LABORATÓRIO DE PROCESSOS DE SEPARAÇÃO E REACÇÃO)− PSA (PLATAFORMA SOLAR DE ALMERIA)− AdDP (ÁGUAS DO DOURO E PAIVA)− EFACEC AMBIENTE– FCT (FUNDAÇÃO PARA A CIÊNCIA E A TECNOLOGIA)– BOLSA DE PÓS-DOC (REF.ª SFRH/BPD/34184/2006)