Eletrocatálise da reação de oxidação do azo-corante Ponceau 4R utilizando ânodos dimensionalmente estáveis

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Ambiental

Autores

Rodrigues, W.S. (UNIFESSPA) ; Lima Filho, M.M.S. (UNIFESSPA) ; Baltazar, F.H.O. (UNIFESSPA) ; Nascimento, E.D. (UNIFESSPA) ; Carvalho, F.A.O. (UNIFESSPA) ; Oliveira, T.M.B.F. (UNIFESSPA)

Resumo

Neste trabalho, a eletrooxidação do azo-corante Ponceau 4R sobre ânodos ativos (Ti, Ti/TiO2-RuO2 e Ti/TiO2-RuO2-IrO2) foi investigada em termos de atividade eletrocatalítica e eficiência de degradação do conteúdo orgânico. Os ensaios foram realizados em NaCl 0,1 mol L-1 sob convecção e a performance dos processos foi avaliada por espectrofotometria UV-Visível (λmáx = 510 nm) e medidas de carbono orgânico total. A maior porcentagem de remoção foi observada para os ânodos dimensionalmente estáveis (Ti/TiO2-RuO2 e Ti/TiO2-RuO2/IrO2), com destaque para o sistema ternário que, sob condições otimizadas (densidade de corrente de 30 mA cm-2, temperatura de 20ºC e velocidade de convecção de 4000 rpm), possibilitou a completa remoção da cor característica do Ponceau 4R em apenas 60s de eletrólise.

Palavras chaves

Azo-corantes; Eletrooxidação; Ânodos ativos

Introdução

O crescimento industrial não-planejado ao longo dos anos desencadeou vários impactos ambientais em paralelo, dentre os quais está o descarte inadequado de compostos orgânicos recalcitrantes em seus efluentes (DEWIL et al., 2017). Há uma preocupação especial com os azo-corantes, com o Ponceau 4R (P- 4R; Figura 1), por serem largamente empregados em muitos seguimentos industriais, principalmente no ramo alimentar (ALMEIDA, et al., 2010; DEWIL et al., 2017). Dependendo dos teores, os azo-compostos e/ou seus metabólitos também podem ser tóxicos e afetar o metabolismo de muitas espécies em contato com ecossistemas impactados (NAVARRO et al., 2017). Os Processos Eletroquímicos de Oxidação Avançada (PEOAs) vêm ganhando destaque para o tratamento desses compostos, tendo em vista a elevada capacidade de degradação de poluentes orgânicos, baseando-se na geração in situ do radical hidroxila (•OH), o qual possui elevado caráter oxidante e atua na decomposição não-seletiva de substâncias refratárias (MARTIÍNEZ- HUITLE e BRILLAS, 2009). Também são consideradas tecnologias limpas (ambientalmente adequadas), já que utilizam apenas os elétrons como reagentes de degradação dos poluentes. Vários materiais anódicos podem ser utilizados nesses processos, a exemplo dos Ânodos Dimensionalmente Estáveis (ADEs), que possibilitam elevada remoção do conteúdo orgânico por um custo acessível (NAVARRO et al., 2017). O presente trabalho tem por objetivo investigar a performance de diferentes ânodos ativos (Ti, Ti/TiO2-RuO2 e Ti/TiO2-RuO2-IrO2) para a eletrooxidação do azo-corante Ponceau 4R, em termos de atividade eletrocatalítica e remoção do conteúdo orgânico, visando o desenvolvimento de métodos alternativos e mais eficientes para o tratamento de efluentes da indústria de alimentos.

Material e métodos

As eletrólises foram realizadas em um sistema eletroquímico de compartimento único, com capacidade para 250 mL de amostra, conectado a dois eletrodos metálicos (8 cm2), que atuaram como cátodo e ânodo. Como ânodos de trabalho, foram testados três diferentes materiais: um eletrodo de Ti puro e dois (ADEs), Ti/ TiO2-RuO2 (ânodo de titânio modificado óxido de titânio e óxido de rutênio) e Ti/TiO2-RuO2-IrO2 (ânodo de titânio modificado com óxido de titânio, óxido de rutênio e óxido de irídio). Em todos os casos, utilizou-se uma placa de Ti como cátodo. Os eletrodos estavam conectados a uma fonte externa de energia (SI 202 AC & DC POWER SUPPLY), cujas correntes aplicadas no processo eram monitoradas por um multímetro (Iminipa). A eficiência na eletrooxidação da molécula foi avaliada pelo decaimento da banda de máxima absorção da molécula de trabalho (510 nm), registrada por espectroscopia UV- visível (Bioespectro SP-220), bem como por medidas de carbono orgânico total, obtidas por titulação redox. As eletrólises foram conduzidas em solução eletrolítica de NaCl 0,1 mol/L, utilizando Ponceau 4R a 100 µmol L-1. O sistema foi estudado em repouso e em diferentes velocidades de convecção (100, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 6000 e 8000 rpm), a fim de avaliar possíveis influências do tempo de contato entre o analito e as superfícies de trabalho. Na tentativa de obter o melhor desempenho de degradação, outros parâmetros também foram investigados, como temperatura (20, 30 e 40 ºC), tempo de eletrólise (1, 3, 5, 10, 20, 30, 60, 90 e 120 min) e intensidade de corrente (5, 10, 20, 30 e 40 mA). Todos os experimentos foram realizados em triplicata e os resultados foram apresentados como a média aritmética obtida entre as três medidas.

Resultado e discussão

Realizando-se uma varredura espectral da solução do corante (1,0×10-3 mol L- 1) entre 300 e 800 nm, verificou-se a presença de uma banda de absorção de alta intensidade em 510 nm (λmáx), que está associado à presença do grupo cromóforo azo (-N=N-) presente na estrutura da molécula. Utilizando-se este comprimento de onda, foi possível construir uma curva analítica para o P-4R, com faixa linear entre 0,1 e 500 µmol L-1 (r = 0,9998), que foi utilizada para estimar a concentração do corante ao longo do processo de eletrodegradação. Neste trabalho, o desempenho dos ADEs (Ti, Ti/TiO2-RuO2 e Ti/TiO2-RuO2-IrO2) foi comparado ao de ânodos de Ti puro, usando P-4R a 100 µmol L-1 e aplicando correntes de 20 mA por um período de 5 min. A eletrocatálise da reação de oxidação do azo-corante obtido pelos ADEs foi superior ([P-4R] ≤ 0,1 µmol L-1 a partir de 60 s), devido a elevada reatividade dos óxidos metálicos para a eletrogeração de radicais •OH (catálise da reação de evolução de oxigênio), favorecendo o aumento de sítios ativos para a eletrooxidação (MARTIÍNEZ-HUITLE e BRILLAS, 2009). A seguinte ordem de desempenho foi observada com base na diminuição da concentração do composto: Ti/RuO2-TiO2-IrO2 > Ti/RuO2-TiO2 > Ti puro, conforme pode ser observado na Figura 2. Na verdade, ambos os ADEs proporcionaram a completa remoção da cor característica do azo-corante em apenas 60s de eletrólise. A fim de melhorar o desempenho da eletrodegradação, a intensidade de corrente, tempo de eletrólise, convecção e temperatura também foram avaliados. Utilizando Ti/RuO2-TiO2-IrO2, a completa remoção da matéria orgânica foi observada quando aplicou-se 30 mA (densidade de corrente ≈ 4 mA cm-2) por um período de 2 min de eletrólise, com convecção de 4000 rpm e temperatura de 20 ºC, atestando a eficiência do método eletrolítico proposto.

Estrutura química do azo-corante Ponceau 4R.


Variação da concentração do P-4R durante o processo de eletrooxidação sobre diferentes ânodos ativos, aplicando-se correntes de 20 mA por 5 min.

Conclusões

De um modo geral, os ânodos ativos investigados neste trabalho foram eficientes para a eletrocatálise da reação de oxidação do P-4R, com destaque para os ADEs. A eficiência obtida com estes materiais, medida em termos de remoção da matéria orgânica, apresentou a seguinte ordem: Ti/RuO2-TiO2-IrO2 > Ti/RuO2-TiO2 > Ti puro. O desempenho superior dos ADEs está associado à atividade eletrocatalítica dos oxidados metálicos em relação à reação de evolução de oxigênio, que proporciona maior quantidade de radicais •OH e, consequentemente, favorece a degradação da matéria orgânica recalcitrante. Utilizando Ti/RuO2-TiO2-IrO2 como ânodo de trabalho e sob condições otimizadas (30 mA de corrente, temperatura de 20ºC e convecção de 4000 rpm), a completa eletrodegradação do P-4R foi obtida em 2 min de eletrólise, mostrando a eficiência do processo de tratamento eletroquímico proposto.

Agradecimentos

À CAPES e ao CNPq pelo financiamento do projeto.

Referências

ALMEIDA, M. R., STEPHANI, R., DOS SANTOS, H. F., OLIVEIRA, L. F. C. Spectroscopic and theoretical study of the "azo"- Dye E-124 in condesate phase: evidence of adnominant hydrazo. Jornal of Physical Chemistry and Photobiology A: Chemistry, 114 (2010) 526-534.
DEWIL, R.; MANTZAVINOS, D.; POULIOS, I.; RODRIGO, M.A. New perspectives for advanced oxidation processes. Journal of Environmental Management, 195 (2017) 93-99.
MARTIÍNEZ-HUITLE, C. A., BRILLAS, E. Decontamination of wastewaters containing synthetic organic dyes by electrochemical methods: A general review. Applied Catalysis B: Environmental, 87 (2009) 105-145
NAVARRO, P.; GABALDÓN, J.A.; GÓMEZ-LÓPEZ, V.M. Degradation of an azo dye by a fast and innovative pulsed light/H2O2 advanced oxidation process. Dyes and Pigments, 136 (2017) 887-892.