Avaliação do desempenho da paligorsquita modificada e do carvão da pirólise do lodo de esgoto no processo de degradação fotocatalítica do fenol

The uncontrolled disposal of wastewaters containing phenolic compounds by the industry has caused irreversible damage to the environment. Because of this, it is now mandatory to develop new methods to treat these effluents before they are disposed of. One of the most promising and low cost approaches is the degradation of phenolic compounds via photocatalysis. This work, in particular, has as the main goal, the customization of a bench scale photoreactor and the preparation of catalysts via utilization of char originated from the fast pyrolysis of sewage sludge. The experiments were carried out at constant temperature (50°C) under oxygen (410, 515, 650 and 750 ml min-1). The reaction took place in the liquid phase (3.4 liters), where the catalyst concentration was 1g L-1 and the initial concentration of phenol was 500 mg L-1 and the reaction time was set to 3 hours. A 400 W lamp was adapted to the reactor. The flow of oxygen was optimized to 650 ml min-1. The pH of the liquid and the nature of the catalyst (acidified and calcined palygorskite, palygorskite impregnated with 3.8% Fe and the pyrolysis char) were investigated. The catalytic materials were characterized by XRD, XRF, and BET. In the process of photocatalytic degradation of phenol, the results showed that the pH has a significant influence on the phenol conversion, with best results for pH equal to 5.5. The phenol conversion ranged from 51.78% for the char sewage sludge to 58.02% (for palygorskite acidified calcined). Liquid samples analyzed by liquid chromatography and the following compounds were identified: hydroquinone, catechol and maleic acid. A mechanism of the reaction was proposed, whereas the phenol is transformed into the homogeneous phase and the others react on the catalyst surface. For the latter, the Langmuir-Hinshelwood model was applied, whose mass balances led to a system of differential equations and these were solved using numerical methods in order to get estimates for the kinetic and adsorption parameters. The model was adjusted satisfactorily to the experimental results. From the proposed mechanism and the operating conditions used in this study, the most favored step, regardless of the catalyst, was the acid group (originated from quinone compounds), being transformed into CO2 and water, whose rate constant k4 presented value of 0.578 mol L-1 min-1 for acidified calcined palygorskite, 0.472 mol L-1 min-1 for Fe2O3/palygorskite and 1.276 mol L-1 min-1 for the sludge to char, the latter being the best catalyst for mineralization of acid to CO2 and water. The quinones were adsorbed to the acidic sites of the calcined palygorskite and Fe2O3/palygorskite whose adsorption constants were similar (~ 4.45 L mol-1) and higher than that of the sewage sludge char (3.77 L mol-1).

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

É preocupante o descontrole por parte das indústrias que produzem insumos relacionados aos compostos fenólicos, promovendo a emissão ou descarte desse poluente no meio ambiente, trazendo danos irreversíveis à natureza bem como ao ser humano. Diante disso, é imprescindível a realização de um tratamento desses efluentes antes de serem descartados no meio ambiente, reduzindo a concentração do contaminante à valores determinados pela legislação. Procura-se, portanto, o tratamento desses efluentes utilizando novos materiais catalíticos que viabilizem o processo como um todo. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo o tratamento, caracterização e avaliação de novos catalisadores na reação de degradação fotocatalítica do fenol. Os ensaios foram realizados em um reator fotocatalítico, em condições constantes de temperatura (50 ºC), potência da lâmpada (400 W), volume da fase líquida (3,4 L), concentração do catalisador (1 g L-1), concentração inicial do fenol (500 ppm) e tempo de reação 3 horas. Preliminarmente à reação foi realizado um estudo com a vazão de oxigênio (410, 515, 650 e 750 mL min-1) a fim de identificar o valor ótimo (650 ml min-1) a ser utilizado no processo de degradação do fenol. Os demais parâmetros foram variados: pH do meio reacional (3, 5,5 e 10) e a natureza do catalisador (paligorsquita acidificada calcinada, paligorsquita impregnada com 3,8% de ferro e carvão originado da pirólise do lodo de esgoto doméstico). Os materiais catalíticos foram caracterizados por DRX, FRX, BET e distribuição granulométrica. No processo de degradação fotocatalítica do fenol, os resultados mostraram que o pH tem influência significativa na conversão do fenol, apresentando melhores resultados para o pH igual a 5,5. Os valores da conversão do fenol variaram entre 58% (para a paligorsquita acidificada calcinada) e 52% para o carvão do lodo de esgoto. As amostras líquidas analisadas por cromatografia líquida identificaram e quantificaram os seguintes produtos da degradação: hidroquinona, catecol e o ácido maléico. Por fim, foi proposto um mecanismo do processo reacional, considerando que o fenol é transformado em fase homogênea e os demais reagem na superfície do catalisador. Para este último, foi aplicado o modelo Langmuir-Hinshelwood, cujos balanços de massas conduziram a um sistema de equações diferenciais que foram resolvidas utilizando o método numérico associado a uma minimização da função objetivo para obtenção e otimização dos parâmetros cinéticos e de adsorção. O modelo se ajustou satisfatoriamente aos resultados experimentais. A partir do mecanismo proposto e com as condições operatórias utilizadas no presente trabalho, a etapa mais favorecida, independente do catalisador, foi a do grupo ácidos (originada dos compostos quinônicos), sendo transformado em CO2 e água, cuja constante de velocidade k4 apresentou valor 0,578 mol L-1 min-1 para a paligorsquita acidificada calcinada, 0,472 mol L-1 min-1 para o Fe2O3/paligorsquita e 1,276 mol L-1 min-1 para o carvão do lodo, sendo este último o melhor catalisador para mineralização dos ácidos em CO2 e água. Os quinônicos foram mais fortemente adsorvidos nos sítios dos catalisadores paligorsquita acidificada calcinada e Fe2O3/paligorsquita, cujas constantes de adsorção foram semelhantes (~4,45 L mol-1) e superior ao carvão do lodo (3,77 L mol-1).