FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADA NA DEGRADAÇÃO

FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADA NA DEGRADAÇÃO DE
SOLUÇÃO RESIDUAL DE FORMALDEÍDO COM O USO DE CHAPA DE TITÂNIO
ANODIZADA.
OBJETIVO:
O objetivo principal deste trabalho é verificar a eficiência do processo de fotodegradação de
soluções residuais de formaldeído, utilizando como catalisador uma chapa de titânio anodizada.
METODOLOGIA:
Este trabalho será dividido em 3 etapas principais:
A primeira etapa é destinada à preparação do fotocatalisador, ou seja, a anodização do
titânio metálico seguido da análise e caracterização da superfície obtida.
A segunda etapa consiste em montar um sistema teste em escala de bancada, de forma
simples, para verificar se o dióxido de titânio formado é eficaz na degradação do formaldeído.
Nesta etapa os procedimentos e parâmetros de processo serão levantados e as condições de
operação serão otimizadas. Este processo será monitorado por meio de análises de carbono orgânico
total (TOC), que serão determinantes para verificar a quantidade de formaldeído degradado.
Na terceira etapa, será construído o fotorreator, em escala piloto, para ampliar a escala do
processo de fotodegradação, utilizando os parâmetros definidos na escala de bancada. Este processo
também será monitorado por análises de TOC.
1- Primeira etapa:
Inicialmente foi utilizada uma barra de titânio de dimensões de 5,5 mm de diâmetro por 25,8
cm de comprimento com o grau de pureza 3 que recebeu um tratamento superficial, via oxidação
anódica. Este processo foi realizado através dos seguintes potenciais DC 90 à 180V utilizando
H2SO4 de concentração 0,5 mol/L à 1 mol/L como eletrólito, durante o período de 10 minutos.
Em seguida, o óxido formado foi caracterizado pelas análises de microscopia eletrônica de
varredura (MEV) e espectroscopia Raman.
2 – Segunda etapa:
O teste será realizado em um reator tipo encamisado contendo uma solução de formaldeído
de concentração conhecida (1 mol/L). Nesta solução, será colocada uma lâmpada de luz negra de 25
W de modo que o bulbo da lâmpada fique submerso, e a barra de titânio oxidada fique em paralelo,
como mostra a Figura 1. Durante a degradação, o sistema deve estar sob agitação mecânica, e
isolado da interferência de radiação externa, como por exemplo, tampado por uma caixa de
madeira.
Figura 1: Representação do sistema de teste utilizado.
Fonte: Elaborada pelo autor
Assim que o processo for iniciado, será cronometrado o tempo de três horas, e a cada 30
minutos será removida uma alíquota para análise de TOC a fim de acompanhar o processo de
degradação. As alíquotas retiradas serão guardadas em frasco âmbar e colocadas em uma geladeira,
até o momento da análise de TOC. Além disso, durante a fotodegradação, serão monitorados
temperatura e pH da solução periodicamente.
A lâmpada de luz negra é similar a uma lâmpada de vapor de mercúrio, porém seu bulbo
externo possui óxido de níquel, sendo conhecido por vidro de Wood. Este por sua vez, retém os
raios UV-B e UV-C, deixando passar a radiação UV-A, que é o ultravioleta próximo, cujo
comprimento de onda vai de 315 à 400 nm.1
Assim, com a incidência desta faixa de radiação no dióxido de titânio, que é um
semicondutor, haverá a formação do par elétron-buraco, possibilitando, principalmente, a formação
do radical hidroxila por meio de moléculas de água adsorvidas na superfície do TiO2. Ou seja, nesta
faixa de comprimentos de onda, os fótons que incidirem no semicondutor terão energia igual ou
maior que a energia de band gap.2,3
Desta forma, tanto os buracos gerados na banda de valência quanto os radicais formados que
possuem alto poder oxidativo, serão fundamentais para realizar a degradação do composto orgânico,
por meio de um processo oxidativo avançado via reação fotoquímica.3
O sistema teste utilizado para realizar a fotodegradação, nesta etapa, simula um reator em
batelada, sendo o mais simples possível, visando verificar o quão eficiente é o processo quando
comparado, com o uso outros tipos de catalisadores de dióxido de titânio que possuem maiores
áreas superficiais.
O uso do reator tipo encamisado permite manter o controle da temperatura sem haver
grandes variações durante o processo reacional.
Além disso, o teste da fotodegradação é feito antes da construção do próprio fotorreator para
que sejam atendidas, eventuais necessidades do processo, como por exemplo, o fator da
proximidade da fonte de radiação eletromagnética com o sítio catalítico; o controle da temperatura;
entre outros.
3- Terceira etapa
Após os testes necessários será construído o fotorreator como está ilustrado na Figura 2.
Figura 2: O projeto do fotorreator, no qual a primeira figura mostra a visão interna e
a segunda contém a parte externa do sistema.
Fonte: Elaborada pelo autor
O sistema do fotorreator será composto por: 8 lâmpadas UV-A de 45 cm, 350 nm e 15 W
cada, a chapa de titânio de 15 cm de largura por 45 cm de altura, o reservatório, a bomba centrífuga
e o sistema de refrigeração. A chapa ficará no centro, seguida por uma camada de solução que
passará nos dois lados, e as lâmpadas ficarão em contato com o líquido, sendo dispostas 4 de cada
um dos lados.
Para circular a solução pelo sistema será utilizada uma bomba centrífuga de vazão
aproximada de 0,3 L/ min. A temperatura será mantida constante durante o processo utilizando um
sistema de refrigeração. O pH e a temperatura serão controlados e a retirada das alíquotas para
análise de TOC serão realizadas de acordo com o procedimento descrito na etapa anterior.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Até o momento, a primeira etapa foi concluída e já apresenta os seus resultados, sendo que
as outras etapas estão em andamento.
1- Análise de microscopia eletrônica de varredura
Com a análise de microscopia eletrônica de varredura pode-se notar que a superfície do
dióxido de titânio está rugosa e apresenta grande área superficial, como é mostrado na Figura 3. A
sua grande área superficial tende a facilitar o processo de fotocatálise, e consequentemente auxiliará
na eficiência do processo de degradação do composto orgânico.
Figura 3: Análise do óxido por meio da microscopia eletrônica de varredura.
2- Análise do espectro Raman
A Figura 4 representa o espectro Raman do óxido obtido, que possui as principais bandas
em 152, 404, 519, 641 cm-1 o que é condizente com outro espectro de TiO2 na fase anatase retratado
na Figura 5.
Figura 4: Espectro Raman do óxido de titânio formado.
Intensitdade / u.a.
152,528
641,496
519,589
404,363
800
600
400
200
-1
Raman Shift / cm
0
Figura 5: Espectro Raman do dióxido de titânio na forma
anatase.
Fonte: Modern Microscopy a
Além disto, por meio da teoria de grupo pode-se obter 6 modos vibracionais distintos da
forma anatase, que são condizentes com as seguintes bandas: 144, 197, 399, 513, 519 e 639 cm-1,
confirmando assim a estrutura e composição do óxido obtido.4
CONCLUSÃO
Baseando-se em tudo o que foi apresentado até o momento, podemos concluir que o projeto
em questão tem grande possibilidade de apresentar-se eficaz na degradação de formaldeído residual,
visto que o dióxido de titânio possui propriedade fotocatalítica e, como vantagem, é gerado de
modo a não precisar ser imobilizado em outra superfície ou da formação de gel. Em caso de
envenenamento da superfície do fotocatalisador, pode ser facilmente removido com uma nova
anodização da chapa, gerando uma nova camada de óxido de titânio.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1- LUZ, M, J. Luminotécnica.
Disponível em: http://www.iar.unicamp.br/lab/luz/ld/Livros/Luminotecnica.pdf
Acesso em: 7 de ago. de 2014.
2- BAUER, R. et al. The photo-fenton reaction and the TiO2/UV process for waste water treatment
− novel developments. Catalysis Today, v. 53, p. 131-144, 1999.
3- SOARES, B. G. Estudos sobre a fotodegradação de poluentes catalisada por semicondutores:
avaliação do papel dopante do nitrogênio na atividade do TiO2. 2013. 114f. Tese (Doutorado em
Química) – Departamento de Química, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos. 2013.
4- REUNIÃO ANUAL DA SOCIEDADE BRASILEIRA DE QUÍMICA, 37., 2014. Natal.
Resumo: Estudo das Propriedades estruturais de TiO2:Eu3+ através da espectroscopia
Raman.Natal: SBQ, 2014.1
a
Disponível em: http://www.modernmicroscopy.com/main.asp?article=27&page=2.
Acesso em: 7 de ago. de 2014.