tratamento de efluentes por ozonização: ensaio sobre a...
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Grupo 102A: Cátia Correia; Luciana Silva; Maria Potes; Ricardo Ramos; Rita Lima; Rui Maio; Sofia Dias
Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente
Ano lectivo 2013/2014
1º Semestre
Tratamento de efluentes por ozonização:
Ensaio sobre a utilização de um catalisador
numa reação de ozonização
2 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto – MIEA 2013/2014
Agradecimentos
Por fim, não podemos deixar de declarar o nosso sincero
reconhecimento às pessoas que, direta ou indiretamente, contribuíram para a
realização deste trabalho. Assim, as nossas palavras de apreço e gratidão vão para:
- as nossas monitoras, Sofia Lourenço e Ana Silva, pela sua dedicação, total
disponibilidade e pelas suas sugestões sempre pertinentes;
- o coordenador do Projeto FEUP do MIEA, Prof. J. J. Melo Orfão, pelas
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Sumário
Ao longo deste trabalho, serão abordados diversos conceitos, provenientes do
tema principal “Tratamento de Efluentes”. Será especificado o processo de ozonização,
que consiste na utilização do ozono para realizar a degradação de compostos
poluentes em soluções aquosas, neste caso o corante.
Em simultâneo, será estudado o impacto da utilização de um catalisador numa
reacção de ozonização através da medição do tempo de reacção, distinguível pela
descoloração progressiva da solução.
No final da actividade, terá sido possível estudar aprofundadamente um dos
processos mais inovadores e mais utilizados na purificação de águas/efluentes.
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Índice
Agradecimentos ............................................................................................................................ 2
Sumário ......................................................................................................................................... 3
Índice ............................................................................................................................................. 4
Índice de ilustrações ................................................................................................................. 5
Introdução ..................................................................................................................................... 6
Ozono ........................................................................................................................................ 7
Ozonização no tratamento de efluentes ................................................................................. 8
O processo de ozonização na experiência ........................................................................ 9
Método Experimental ................................................................................................................. 10
Resultados e Discussão ............................................................................................................... 12
Conclusão .................................................................................................................................... 18
Bibliografia .................................................................................................................................. 19
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Índice de ilustrações
Figura 1 - Logotipo da AdP ................................................................................................ 6
Figura 2 - Repartição percentual de água no mundo ....................................................... 6
Figura 3 - Estrutura da molécula de ozono ...................................................................... 7
Figura 4 - Funcionamento do reator .............................................................................. 10
Figura 5 - Reator com concentração de corante inicial .................................................. 11
Figura 6 - Reator após a degradação .............................................................................. 11
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Figura 1 - Logotipo da AdP
Figura 2 - Repartição percentual de água no mundo
Introdução
A água é o bem fundamental à vida, e nós, seres humanos, vivemos rodeados
dela- no chamado: “planeta azul”. Seria de esperar que tal facto nos mantivesse
seguros e despreocupados. Contudo, por mais abundante que os recursos hídricos
pareçam, apenas cerca de 0,8% do total (incluindo as águas superficiais e
subterrâneas) é adequado ao consumo humano.
O tema da escassez de recursos, juntamente com a problemática da poluição,
tem sido frequentemente debatido nos últimos anos.
Assim, perante estes dados, têm-se vindo a desenvolver uma série de medidas
que têm em conta o desenvolvimento sustentável e que permitem garantir a
qualidade das águas e os seus múltiplos usos.
Um dos maiores grupos empresarias na área ambiental, a nível nacional, é a
AdP: “Águas de Portugal”, que intervém no domínio do abastecimento de água e de
saneamento de águas residuais.
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Figura 3 - Estrutura da molécula de ozono (1)
Existem diferentes técnicas de tratamento de efluentes, a ozonização é uma
delas. Na realização desta experiência estudámos o processo de ozonização sobre uma
solução com corante, na presença de um catalisador.
Numa fase inicial e introdutória da experiencia, foi importante conhecer a
molécula do ozono, para seguidamente sermos capazes de melhor compreender o
processo principal da ozonização.
Ozono
A estrutura da molécula do ozono foi conhecida entre 1840 e 1924. Apresenta
uma geometria triangular, com um angulo obtuso de 116,45° e as duas ligações
oxigénio-oxigénio (uma covalente simples e outra covalente dupla), com comprimento
de 128pm. A molécula contém um átomo de oxigénio com seis electrões na camada de
valência, o que explica a característica electrofílica do ozono, demonstrada na maioria
das reacções químicas.
O ozono é um gás azul, instável e de odor característico. Pode ser detectado em
concentrações muito baixas, aproximadamente de 0,02 a 0,05 ppm em volume. A
contínua exposição a este gás em concentrações moderadas causa irritação das vias
respiratórias e mucosas oculares e, em concentrações maiores, pode causar dores de
cabeça e náuseas.
Podemos obter ozono puro através de liquefacção fraccionada de misturas de
oxigénio com ozono, da electrólise de ácido sulfúrico e pela acção de luz ultravioleta
em moléculas de O2.
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Ozonização no tratamento de efluentes
As aplicações da ozonização têm vindo a crescer nos últimos anos,
particularmente na descoloração e tratamento de efluentes. Neste processo, o ozono
diminui a cor devido à sua acção degradante sobre a ligação covalente dupla entre dois
átomos de azoto ou outros grupos cromóforos, responsáveis pela coloração. No
entanto, no processo de ozonização, os corantes são desdobrados em moléculas
orgânicas menores que não outorgam cor.
Segundo Gähr, et al., (1994), os processos de oxidação removem a cor de
efluentes industriais pela quebra das ligações dos compostos orgânicos policíclicos que
alternam ligações simples e duplas1. Deste modo, o processo de oxidação
provavelmente não mineraliza as complexas moléculas dos corantes. Da parcela que
foi oxidada, há formação de moléculas de menor massa molar que não são degradadas
eficientemente pela ozonização simples.
O ozono inibe/destrói as propriedades espumantes de surfactantes residuais e
oxida uma porção significativa da matéria orgânica presente. Melhora a
biodegradabilidade dos efluentes, que contêm uma alta fração de componentes não-
biodegradáveis e tóxicos pela transformação dos corantes em intermediários mais
facilmente biodegradáveis.
O tratamento de efluentes domésticos ou industriais por ozono é usualmente
conduzido em reactores. O conhecimento dos parâmetros cinéticos da reacção entre
ozono e os corantes em solução é essencial para o projecto do sistema de tratamento
do efluente.
É também de destacar que no processo de ozonização o pH das soluções
diminui com a degradação de corantes azotados.
A principal desvantagem da ozonização está relacionada com a produção de
subprodutos que podem ter propriedades cancerígenas e tóxicas e, portanto, devem
ser mais estudados.
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O processo de ozonização na experiência
Na solução estudada é utilizado o corante Cibracron Blue BR. Um corante é uma
substância que, quando adicionada a uma solução, altera a sua cor inicial. Pode ser um
pigmento, tinta ou composto químico. Dentro de um conjunto de requerimentos
ideais, estas substâncias devem ser estáveis à luz, especialmente à ultravioleta.
Também é usado um catalisador. A velocidade de todo este processo aumenta
com a utilização de um catalisador químico. O catalisador é definido como uma
substância que, quando adicionado a uma dada reação, vai interatuar com os
reagentes proporcionando um novo percurso energeticamente mais favorável para a
formação dos produtos, tornando deste modo a reação mais rápida. Este novo
percurso é constituído por uma sequência de etapas elementares com baixas energias
de ativação, que se repetem continuamente, sendo o catalisador regenerado no final
da reação. Esta substancia, para além de acelerar o processo químico, também o
permite efectuar com o máximo de rendimento possível, tornando a reação mais
vantajosa económica e ambientalmente.
Assim, após o esclarecimento de alguns conceitos básicos e fundamentais para
a realização da experiência, somos capazes de melhor compreender um processo que
tem tomado a dianteira no tratamento de águas e outros componentes, essenciais à
boa coordenação da sociedade moderna.
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Método Experimental
Iniciamos a nossa atividade experimental retirando 700 ml de uma solução já
preparada de água destilada com o corante reativo (Cibacron Blue BR) com uma
concentração 100ml/g. Colocamos esta solução no reator e adicionamos 0,350g do
catalisador óxido de cério, de seguida ligamos o gerador para formar ozono partir do
oxigénio. Pretendia-se passar um caudal de 50g/min, no entanto devido a erros do
analisador acertamos para um valor próximo. No seguimento do trabalho
experimental recolhemos com o auxílio das seringas amostras para a medição do TOC
e da absorvância no espectrofotómetro, respeitando os intervalos de tempo indicados no
protocolo. No espectrofotómetro realizamos as medições de absorvância das amostras
recolhidas ao longo do tempo com a finalidade de estudarmos a evolução da
concentração do corante. Após este processo, o ozono que não reagiu na solução
converteu-se em oxigénio por ação da solução KI e foi lançado novamente para a
atmosfera (figura 4). No inicio e no final da experiencia medimos também o pH.
Figura 4 - Funcionamento do reator (2)
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Figura 5 - Reator com concentração de corante inicial
Figura 6 - Reator após a degradação
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y = 135,41x + 1,436 R² = 0,9975
0
20
40
60
80
100
120
0 0,2 0,4 0,6 0,8
con
c (m
g/l)
Abs
Resultados e Discussão
Após a conclusão do trabalho experimental, verificou-se maior percentagem de
mineralização bem como de remoção de carbono orgânico total (TOC) aquando da
presença de catalisador após a comparação realizada com os resultados obtidos na
ausência de catalisador.
A determinação da reta de calibração foi bem-sucedida pois obteve-se um
coeficiente de determinação de 0.9975 numa escala de 0 a 1, que indica a força e a
direção do relacionamento linear entre duas variáveis, neste caso a absorvância e a
concentração, conferindo viabilidade às medições efetuadas.
A determinação da reta de calibração teve como base os valores da seguinte
tabela:
Tabela 1: Concentração vs Absorvância.
Conc (mg/l) Abs 1 Abs 2 Abs
0 0 0 0
10 0,0714 0,0716 0,0715
25 0,1459 0,1463 0,1461
50 0,3665 0,3659 0,3662
75 0,5457 0,5450 0,5454
100 0,7273 0,7274 0,7274
Gráfico 1: Reta de calibração.
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A equação da reta de calibração obtida foi:
Os resultados da tabela 2 obtiveram-se, através da observação dos valores da
absorvância em função do tempo. A concentração calculada em partes por milhão
(ppm) foi calculada com o auxílio da reta de calibração:
Tabela 2: Degradação da Concentração de Corante
t(min) Abs 1 Abs 2 Abs C(ppm) C/C0 C/C0 sem catalisador
0 0,7261 0,7255 0,7258 99,72 1,00 1,00
2 0,5757 0,5741 0,5749 79,28 0,80 0,85
5 0,4513 0,4519 0,4516 62,59 0,63 0,69
10 0,3056 0,3057 0,3057 42,82 0,43 0,43
15 0,1270 0,1262 0,1266 18,58 0,19 0,21
30 0,0206 0,0220 0,0213 4,32 0,04 0,06
60 0,0043 0,0041 0,0042 2,00 0,02 0,01
90 0,0091 0,0092 0,0092 2,68 0,03 0,01
120 0,0105 0,0097 0,0101 2,80 0,03 0,01
Gráfico 2: Diminuição da Concentração de Corante.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 50 100 150
C/C
o
t(min)
Ensaio sem catalisador
Ensaio com catalisador
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De acordo com a tabela e o gráfico apresentados em cima, verifica-se que a
velocidade de degradação do corante é independente da presença de catalisador. De
facto, na visualização do gráfico, é quase imperceptível a diferença entre o ensaio
padrão e o ensaio com catalisador. Portanto, podemos afirmar obter-se a
transformação mais rápida de corante, a utilização de catalisador não apresenta
grandes efeitos práticos.
A medição de TOC em água envolve medir o CO₂ inicial (carbono inorgânico, ou
IC), oxidar completamente todos os orgânicos para a forma de CO₂ e, então, medir a
concentração total de CO₂ após a oxidação (carbono total, ou TC). Portanto, o carbono
orgânico total é calculado usando a expressão: TC-IC=TOC.
A tabela 3 demonstra a relação entre os valores observados e calculados nos ensaios
sem catalisador (Padrão) e nos ensais com catalisador.
Tabela 3: Variação do Carbono Orgânico Total (TOC).
t(min) TOC/TOCo TOC/TOCo
Sem
catalisador
%Remoção de
TOC
%Remoção de TOC
Sem catalisador
0 1 1 0 0
15 0,972 0,963 2,8 3,7
60 0,708 0,763 29,2 23,7
120 0,330 0,670 67,0 33,3
Atendendo aos valores da Tabela 3, conclui-se que os valores relativos à
presença de catalisador manifestam maior variação de TOC. Ou seja, verifica-se que a
quantidade de carbono orgânico ao fim de 120 minutos é bastante menor
comparativamente aos dados recolhidos na ausência de catalisador. Este facto aplica-
se provavelmente às características do catalisador que ao estimularem a aceleração
das reações por diminuição da energia de ativação, provocando uma maior colheita de
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carbono inorgânico durante os processos oxidativos dado que vai haver
mais tendência a quebrar moléculas orgânicas até gerar moléculas inorgânicas (ou
minerais) como se pode comprovar pelo gráfico 3, no qual é estudada a mineralização.
Gráfico 3: Mineralização
Como podemos conferir pela observação do gráfico 3, relativamente ao ensaio
padrão, houve uma maior mineralização na presença de catalisador.
A partir dos valores de TOC, foi possível calcular a sua percentagem de remoção
e apresentar o seguinte gráfico:
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 15 60 120
TOC
/TO
C0
Tempo (min)
TOC/TOC0 com catalisador
TOC/TOC0 sem catalisador
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.
Gráfico 4: Percentagem de remoção de TOC
O Gráfico 4 permite uma vez mais, reforçar a ideia de que há uma maior remoção de
carbono orgânico na presença de catalisador pois, como podemos observar na reta
que estuda os valores obtidos nos ensaios sem catalisador, a percentagem de remoção
situa-se aproximadamente nos 30% após duas horas. Por outro lado, os valores
relativos à presença de catalisador apresentam valores na faixa dos 70% de remoção.
Foi, ainda, medido o pH da solução utilizada nos ensaios. Esta medição
procedeu-se no início e no final do trabalho laboratorial com o objetivo de estudar a
sua variação. Obtiveram-se os seguintes valores destacados na tabela 4.
Tabela 4: Medição do pH
Momento da Medição pH
Inicio 5,33
Fim 3,24
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 15 60 120
%R
em
oçã
o d
o T
OC
Tempo (min)
%Remoção de TOC sem catalisador
%Remoção do TOC com catalisador
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Através dos dados observados na tabela 4, pode-se concluir que houve um
decréscimo do valor do pH da solução entre o princípio e o fim, ou seja, durante o
processo a acidez aumentou. Esta variação do pH é explicada pela formação de
compostos com características ácidas durante a ozonização. Contudo, não só o CO2 é
formado durante as reações, existem também outros compostos formados que
contribuem para a diminuição do pH.
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Conclusão
As indústrias têxteis possuem grande potencial poluidor dos corpos hídricos
naturais devido à diversidade de processos envolvidos onde são consumidas grandes
quantidades de água e consequentemente levam a geração de elevados volumes de
efluentes líquidos. Além disso, a existência de cor intensa nos efluentes têxteis devido
à presença de corantes é um dos principais problemas encontrados nas estações de
tratamento de efluentes. Como tal, é uma área de extrema importância para o estudo
da Engenharia Ambiental e por isso, é de salientar a relevância deste trabalho
experimental para o futuro. Por outro lado, também permitiu a familiarização com o
laboratório, com algum do equipamento de trabalho e de algumas técnicas utilizadas
durante todo o processo.
Tal como foi referido anteriormente na discussão dos resultados, concluiu-se
que a eficácia da reacção na remoção de TOC aumenta com a utilização do catalisador
óxido de cério.
Por outro lado, através dos gráficos e tabelas elaboradas a propósito da
concentração de corante no reator por unidade de tempo, concluiu-se que
independentemente da presença de catalisador, a velocidade de transformação do
corante é semelhante à observada nos ensaios sem catalisador. Os resultados obtidos
da mineralização e da remoção do TOC demonstram que o catalisador proporcionou
um aumento da mineralização da solução. A remoção de TOC foi maior pois a
quantidade de carbono orgânico diminuiu.
Todas as etapas deste trabalho laboratorial foram executadas com sucesso e
os resultados do estudo da ozonização de um corante reactivo com a presença de
catalisador foram satisfatórios.
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Bibliografia
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422007000100032
http://profs.ccems.pt/PauloPortugal/CHYMICA/Hidrocarbonetos/Hidrocarbonetos.ht
m - imagem1
http://www.friorganic.pt/produtos/categories/produtores_de_ozono/propriedades_d
o_ozono.pdf
http://www.ciencia20.up.pt/index.php?option=com_content&view=article&id=103
https://webmail.fe.up.pt/rc/?_task=mail&_framed=1&_action=get&_mbox=INBOX&_uid=266
&_part=2&_frame=1 (2)
1teses.ufrj.br/COPPE_D/AlessandraCristinaSilva.pd
http://profs.ccems.pt/PauloPortugal/CHYMICA/Hidrocarbonetos/Hidrocarbonetos.ht
m (1)
http://www.ciencia20.up.pt/index.php?option=com_content&view=article&id=103
http://www.friorganic.pt/produtos/categories/produtores_de_ozono/propriedades_d
o_ozono.pdf
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422007000100032