ELETROOXIDAÇÃO DE BENZENO, TOLUENO E XILENO EM ÁGUA PRODUZIDA SINTÉTICA USANDO Ti/PbO2 E Ti/Pt

ISBN 978-85-85905-10-1

Área

Ambiental

Autores

Nóbrega, D.R.S. (UFRN) ; Almeida, C.C. (UFRN) ; Silva, D.R. (UFRN) ; Martinez-huitle, C.A. (UFRN)

Resumo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a degradação de compostos BTX (benzeno, tolueno e xileno) através da oxidação eletroquímica. O efluente sintético foi produzido com uma concentração de 400 ppm de BTX e com Na2SO4 como eletrólito suporte. A densidade de corrente (J) foi variada entre 10, 20 e 30 mA/cm-2, e o tempo de tratamento foi de 180 min, com coletas a cada 30 min, para análise de Espectrofotometria e Demanda Química de Oxigênio (DQO). Além de registrar os dados de tensão e corrente para avaliação de consumo de energia. Os resultados mostraram que o tratamento com Ti/Pt teve aproximadamente a mesma eficiência de remoção de DQO que tratamento com Ti/PbO2, utilizando cerca de metade da energia consumida e operando com metade da área e 50% a mais de volume.

Palavras chaves

eletrooxidação; remoção de compostos orgâ; água produzida

Introdução

O petróleo e o gás natural tem importância fundamental na civilização. Contudo, como a maioria das atividades produtivas do mundo, os processos de produção de petróleo e gás geram grandes volumes de resíduos com alta toxicidade. Nessa indústria, a água produzida é considerada como sendo um dos maiores volumes produzidos com grande capacidade poluidora, principalmente devido aos metais pesados, às altas concentrações de compostos orgânicos e aos sólidos dissolvidos e/ou em suspensão (ROCHA et al, 2012; SILVA et al, 2013). Dentre os contaminantes orgânicos, o BTEX apresenta o principal risco ao meio ambiente e à saúde da população, conhecidos por provocar problemas sérios como alterações no sistema nervoso central, irritação das membranas mucosas, alterações hematológicas, cancro e diversos outros tipos de câncer, mesmo sob exposição de concentrações da ordem de microgramas/litro. Ao longo dos últimos anos, muitos estudos vêm sendo realizados sob a oxidação de compostos aromáticos (ASGHARI et YOSHIDA, 2008; CESARINO et al, 2013; KORNIENKO et al, 2007; OLOMAN, 1980), mostrando que o tratamento eletroquímico se mostra eficiente na degradação desses compostos, e mais importante ainda, sem a utilização de reagentes ou produção de rejeitos, pois o processo envolve apenas a utilização de elétrons como reagentes. Dentro desse contexto, o tipo de material utilizado como eletrodo de trabalho, bem como condições de operação são de considerável relevância para utilização desse processo. Portanto, este trabalho tem como propósito avaliar o desempenho de dois eletrodos de materiais diferentes no tratamento eletroquímico de efluente sintético de BTX.

Material e métodos

Para os ânodos de óxido de chumbo (Ti/PbO2) e de platina (Ti/Pt), foi utilizado titânio (Ti) como cátodo. O líquido contaminante foi preparado proporcionalmente às solubilidades máximas de BTX em água, isto é, o contaminante foi preparado com composições mássicas de 71% benzeno, 22% tolueno e 7% xileno. O efluente sintético foi produzido a partir de água de osmose reversa, adicionando 0,46 mL de contaminante por litro de água, atingindo as concentração aproximada de 400 ppm, e Na2SO4 como eletrólito suporte. As seguintes condições foram avaliadas: foi variado o volume de tratamento, concentração de eletrólito suporte e área superficial, que para o eletrodo de Ti/PbO2 foi respectivamente 500 mL, 0,1 M e 85 cm2, e para o eletrodo de Ti/Pt foi respectivamente 750 mL, 0,05 M e 37 cm2. Foram escolhidos parâmetros diferentes visando explorar múltiplas condições de tratamento: a primeira, com eletrodo de Ti/PbO2, e outra com o eletrodo de Ti/Pt, objetivando estipular eficiências de tratamento eletroquímico desse tipo de efluente. Para o tratamento, em ambos os casos, foram utilizadas três densidades de corrente (J): 10, 20 e 30 mA/cm2. A eficiência dos processos foi acompanhada através de alíquotas de 5 mL a cada 30 min por 180 minutos, analisando-as por espectrofotometria de UV-Vis (comprimento de onda de 190 a 400 nm, com cubeta de quartzo) e registro de tensão e corrente aplicada (estudo energético). Os processos com maior densidade de corrente tiveram as alíquotas analisadas também por demanda química de oxigênio DQO, através do método padrão internacional para análise de água e efluentes 5220 D (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 2005).

Resultado e discussão

Para analisar as curvas de AO, foi integrada a área sob a curva da absorbância (A) em função do comprimento de onda (λ), resultando na variável Área Relativa de Oxidação (AO), conforme a Figura 1. A Figura 2 mostra os valores referentes às análises realizadas de AO, DQO e Consumo Energético. Analisando as curvas de AO para Ti/PbO2 , há uma rápida formação de intermediários que absorvem radiação eletromagnética e estão ligados a degradação do BTX. O eletrodo de Ti/PbO2 produz concentrações de radicais hidroxila na sua superfície, já que este material é considerado um ânodo não-ativo. Quanto ao eletrodo de Ti/Pt, foi observado curvas suaves na formação desses intermediários, mostrando um aumento gradual, porém de forma acentuada nas maiores densidades de corrente. Isto acontece pois o eletrodo de Ti/Pt é considerado um ânodo ativo, favorecendo a degradação dos compostos orgânicos a baixas densidades de corrente, já que as etapas de adsorção são desenvolvidas na superfície. A analise de DQO para a maior densidade de corrente (J = 30 mA/cm2) para os dois eletrodos, mostrou que ambos os tratamentos conseguiram alcançar desempenhos semelhantes, isto é, remoções globais de 73% para Ti/PbO2 e 62% para Ti/Pt. E considerando apenas Ti/Pt, as densidades de corrente de 20 e 30 mA/cm² se aproximaram bastante pela análise de AO, mas quando se observa a remoção de DQO, essa foi de 36% à 20 mA/cm² e 62% à 30 mA/cm2. Quando avaliado o consumo de energia dos dois eletrodos, Ti/PbO2 teve um consumo muito superior ao de Ti/Pt, onde, respectivamente às três densidades de corrente (10, 20 e 30 mA/cm2), o eletrodo de Ti/PbO2 teve um consumo de 34, 100 e 215 Wh/dm3, e o eletrodo de Ti/Pt teve um consumo de 10, 24 e 49 Wh/dm3.

Descrição: Curvas espectrofotométricas das amostras (à esquerda), equação de cálculo (ao centro) e curva de AO resultante (à direita).


Descrição: Resultado das análises para os tratamentos com Ti/PbO2 (acima) e com Ti/Pt (abaixo), sob J = 10, 20 e 30 mA/cm2.

Conclusões

Os resultados aqui apresentados demonstram que a tecnologia eletroquímica pode ser usada eficientemente na remoção da matéria orgânica dissolvida em efluentes. Quanto ao material utilizado, o tratamento com Ti/Pt teve aproximadamente a mesma eficiência de remoção de DQO que tratamento com Ti/PbO2, utilizando cerca de metade da energia consumida e operando com metade da área e 50% a mais de volume, ou seja, mesmo em condições extremas, o eletrodo Ti/Pt apresentou globalmente um desempenho superior ao do eletrodo Ti/PbO2 para o tratamento deste efluente.

Agradecimentos

Os autores agradecem à CAPES e ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo (PPGCEP).

Referências

ASGHARI, F. S. YOSHIDA, H. Electrodecomposition in Subcritical Water Using o-Xylene as a Model for Benzene, Toluene, Ethylbenzene, and Xylene Pollutants. Journal of Physical Chemistry, vol 112, pags. 7402–7410, 2008.

CESARINO, I. CESARINO, V. MORAES, F. C. FERREIRA, T. C. R. LANZA, M. R. V. MASCARO, L. H. MACHADO, S. A. S. Electrochemical degradation of benzene in natural water using silver nanoparticle-decorated carbon nanotubes. Materials Chemistry and Physics, vol 141, pags. 304-309, 2013.

KORNIENKO, V. L. CHAENKO, N. V. KORNIENKO, G. V. Indirect Electrochemical Destructive Oxidation of Aromatic Compounds with Reactive Oxygen Species. Russian Journal of Electrochemistry, Vol. 43, No. 11, pp. 1243–1248, 2007.

OLOMAN, C. Electro-oxidation of benzene in a fixed bed reactor. JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY, vol 10, pags. 553-565, 1980.

ROCHA, J. H. B.; GOMES, M. M. S.; FERNANDES, N. S.; SILVA, D. R.; MARTINEZ-HUITLE, C. A. Application of electrochemical oxidation as alternative treatment of produced water generated by Brazilian petrochemical industry. Fuel Processing Technology. Vol 96 (2012), pg 80–87. 2012.

SILVA, A. J. C. SANTOS, E. V. MORAIS, C. C. O. MARTINEZ-HUITLE, C. A. CASTRO, S. S. L. Electrochemical treatment of fresh, brine and saline produced water generated by petrochemical industry using Ti/IrO2–Ta2O5 and BDD in flow reactor. Chemical Engineering Journal. Vol. 233 (2013), pg 47-55. 2013.

Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Editado por Eaton, A. D. Franson, M. A. H. Water Environment Federation, American Public Health Association, American Water Works Association, USA. 21 ed., 2005. Method 5220 D, 2005.