eletrÓlise aquosa de salmoura: descarga … · foi utilizada agua destilada. todos os volumes...

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

[email protected]

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

22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil

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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- Cl2 + 2e- (C)

Redução (ganho de elétrons) no cátodo:

2H+ +2e- H2 (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

eletrólise convencional com os fenômenos de plasma à pressão atmosférica (2).


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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


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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


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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


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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


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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

6 0,0708


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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.

Convencional 0,0876


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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


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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


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(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.

Key-words: Electrolysis, conventional, GDE.


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