SÍNTESE DE ESPUMA VÍTREA COM PROPRIEDADES FOTODEGRADATIVAS

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Ambiental

Autores

Arsand, D.R. (IFSUL) ; Rangel, E.M. (UFPEL) ; Carvalho, C.O. (UFPEL)

Resumo

Este trabalho teve como objetivo sintetizar espuma vítrea com propriedades fotodegradativas (EVF) a partir de resíduos de vidro de lâmpadas fluorescentes e dióxido de titânio (TiO2) suportado como espécie fotoativa. A fotodegradação ocupa lugar de destaque nas Técnicas Avançadas de Oxidação (TAOs), entretanto, a separação/recuperação dos fotocatalisadores em suspensão é laboriosa e de alto custo. A eficiência da EVF foi avaliada através da fotodegradação do corante Vermelho Congo em solução aquosa. Os resultados permitem concluir que a EVF mostra grande potencial no tratamento de efluentes contendo corantes por técnicas fotodegradativas, eliminando etapas de filtração normalmente necessárias, e como destinação para vidro de lâmpadas fluorescentes descartadas.

Palavras chaves

Espuma vitrea; Fotocatálise; Vermelho congo

Introdução

O Brasil gera mais de 208.000 toneladas de resíduos sólidos urbanos (RSU)/dia (LUZ et al., 2015). Entre os resíduos gerados, estão aqueles advindos de lâmpadas fluorescentes, podendo resultar na contaminação do ambiente com mercúrio (VIERERBL et al., 2015). Resíduos desta natureza podem ser utilizados como agregado para cimento Portland e concreto asfáltico (POKORNY, 2008), bem como na produção de espumas vítreas (LOW, 1981) - material poroso, isolante térmico e acústico com paredes finas de células individuais preenchidas com fase gasosa (WANG et al., 2014; POKORNY, 2010). As águas residuais geradas em indústrias também são de grande preocupação ambiental. Indústrias têxteis são caracterizadas pelo consumo intenso de água e de corantes, cuja presença traz como consequência a geração de efluentes com elevado nível de coloração (KILIÇ et al., 2007). Dentre os corantes mais difundidos estão os do tipo azo. O Vermelho Congo - sal sódico do ácido benzidinodiazo-bis-1naftilamina-4-sulfônico (C32H22N6Na2O6S2) - apresenta estrutura molecular bastante complexa e contém anéis aromáticos que dificultam sua degradação e apresenta dois grupos de ligações estáveis azo (-N=N-) (QUEIROZ et al., 2011); potencialmente tóxico e suspeito de ser carcinogênico e mutagênico (AXELSON et al., 2008). A fotocatálise, técnica avançada de oxidação (TAO), se mostra como opção para o tratamento de efluentes têxteis (RIBEIRO, 2016). Uma das formas de aplicação de catalisadores é seu uso em suspensão. Entretanto, o uso nesta forma traz a necessidade de uma etapa de separação, geralmente usando processos caros e morosos. Entre os fotocatalisadores mais difundidos está o dióxido de titânio (TiO2). Vários estudos e meios suportes para fotocalisadores vem sendo propostos como zeólitas (KARIMI-SHAMSABADI & NEZAMZADEH-EJHIEH, 2016), polímeros (ZHANG et al., 2009), sílica (SHEN et al., 2011), nitreto de carbono grafítico (ZHENG et al., 2016), fibra de vidro (PHAM & LEE, 2015), entre outros. Neste contexto o objetivo deste trabalho foi sintetizar espuma vítrea com propriedades fotodegradativas contendo dióxido de titânio (TiO2) como agente catalisador; reutilizar resíduo de vidro de lâmpadas fluorescente; e eliminar a filtração em fotocatálise heterogênea com catalisador em suspensão.

Material e métodos

Síntese da Espuma Vítrea e Impregnação por TiO2 As espumas vítreas foram sintetizadas a partir de vidro de resíduos de lâmpadas fluorescentes - moído em um moinho de bolas e peneirado em peneiras #100; carbonato de cálcio (DINÂMICA, 99% de pureza) como agente espumante; e TiO2 P.A. como espécie fotoativa através de impregnação. A composição química dos resíduos de vidro foi determinada por fluorescência de raios-X com auxílio de equipamento Shimatzu, modelo XRF1800. A distribuição granulométrica do vidro e do carbonato de cálcio sintético foi avaliada por granulometria a laser em por granulômetro CILAS, modelo CILAS 1064. Os corpos de prova (CPs) foram confeccionados com 5% em peso de agente espumante (CaCO3). A formulação foi homogeneizada e umidificada utilizando água destilada e deionizada e, como ligante, álcool polivinílico (PVA); as massas foram granuladas em peneira 20 ABNT (abertura 850 μm) para serem então conformadas. As massas foram conformadas em prensa uniaxial manual marca RIBEIRO, modelo RP0003, com pressão de 40 MPa, em matriz de aço de dimensões 23 x 12 mm2. Após a conformação, as peças foram secas em duas etapas: a primeira ao ar a temperatura ambiente por, pelo menos, 24h; e a segunda em estufa com temperatura controlada de 100±5ºC por, pelo menos, 24h. Após secagem, as peças foram queimadas a 850°C com taxa de aquecimento de 150 K/h e tempo de patamar de 30 minutos em forno mufla, tipo Pechini. As espumas vítreas foram, então, impregnadas de TiO2 por imersão em suspensão do dióxido de titânio a 0,02 mg/L durante 1h com leve agitação. Após impregnação, os CPs foram secos em estufa a 40°C por 1h. Avaliação da propriedade fotodegradativa Os experimentos foram feitos em reator fotocatalítico homemade com capacidade volumétrica de 600 mL, de vidro transparente, revestido externamente com alumínio, assistido com fonte de radiação UV-C 6W de potência. A substância Vermelho Congo (VETEC) na concentração de 1 mg/L foi usada como referência para avaliação da eficiência fotodegradativa. O pH do meio foi ajustado a 4 com ácido nítrico 0,1 mol/L, conforme (COSTA & PRADO, 2009; ALVER et al., 2017). A eficiência das EVF foi mensurada através de comparações entre experimentos de fotólise, fotodegradação heterogênea (catalisador em suspensão) e com EVF para a degradação de Vermelho Congo em solução. A concentração de TiO2 nos experimentos usando o dióxido de titânio em suspensão foi de 0,02 mg/L. As amostras foram coletadas em 0; 7,5; 15; 30; 60; e 120 minutos e a concentração do corante foi determinada através de espectrofotometria com auxílio de espectrofotômetro UV-VIS, marca BIOESPECTRO modelo 220B. As eficiências foram medidas em termos de degradação do corante (Equação 1). Os experimentos foram feitos em triplicata. Eficiência(%)=(Cf-Co)/Co (1) Onde "Cf" é a concentração final e "Co" é a concentração inicial do Vermelho Congo [mg/L].

Resultado e discussão

Caracterização da matéria prima Os resultados da fluorescência de raio-X para o vidro e o carbonato de cálcio sintético apresentam que composição química do vidro é caracterizada pela presença predominante de SiO2, CaO e Na2O, típica de vidro sodo-cálcico. A composição do carbonato de cálcio, pela predominância de CaO, SrO e P2O5, revela menor concentração do que o divulgado pela embalagem (99%). Os resultados mostram que a composição química dos resíduos de vidro é adequada para produção de espuma vítrea: deve possuir quantidade apropriada de agentes vitrificantes (SiO2, Al2O3), fundentes (Na2O, K2O) e estabilizadores (CaO, MgO, ZnO, PbO), que contribuem diferentemente na formação da estrutura vítrea final (BERNARDO et al., 2007). A influência da granulometria do vidro sodo-cálcico no processo de espumação da espuma vítrea pode ocorrer tanto no fenômeno de liberação de CO2 do carbonato de cálcio quanto no processo de formação de fase vítrea. König et al. (2016) afirmam que o tamanho máximo da partícula de vidro e do agente espumante, para uma boa formação da espuma vítrea com baixa densidade, é de 163 µM (D90) e 27 µM (D90), respectivamente. A análise granulométrica mostra que o vidro e o CaCO3 utilizados apresentam as características necessárias para a síntese da espuma vítrea. Experimentos de fotodegradação Os resultados das fotodegradações do Vermelho Congo com TiO2 em suspensão; TiO2 impregnado em espuma vítrea (EVF); e somente radiação UV-C estão apresentadas na Figura 1. Os resultados mostram que utilizando TiO2 em suspensão assistido com UV-C obteve-se aproximadamente 50% de degradação do corante Vermelho Congo. Este valor está em consonância com os obtidos por Bansal et al. (2009) usando corante Laranja II (25 mg/L; TiO2 1 g/L; fonte de radiação UV: 4 lâmpadas de 30W). Estes resultados, apesar de obtidos em condições diferentes, mostram eficiência semelhante usando concentração de TiO2 50 vezes superior a deste trabalho. Para o experimento utilizando o TiO2 imobilizado na espuma vítrea, a eficiência na degradação diminuiu para 40%. Esse valor está próximo ao encontrado por Akerdi et al. (2016) na remoção de Vermelho Ácido 14 em solução aquosa. Nestes experimentos foram usadas nanopartículas de TiO2 imobilizadas em placa de grafeno, onde uma solução de 100 mg/L foi submetida à fonte de radiação UV com 9W de potência durante 120 minutos, e obtiveram a degradação de 49,27%. Atribui-se ao menor rendimento da EVF em relação ao catalisador em suspensão à diminuição da área de contato entre o corante e o catalisador quando o catalisador é imobilizado (LEI et al., 2012). A fonte de radiação UV-C sozinha não apresentou atividade fotolítica na degradação de Vermelho Congo: a diferença entre os resultados obtidos não foram significativos. Apesar dos resultados obtidos serem inferiores aos obtidos usando TiO2 em suspensão, o uso de EVF mostra degradar o Vermelho Congo eliminando a etapa de remoção do catalisador, parte crítica do processo. Ainda, é um material inovador, dando ao resíduos de lâmpadas fluorescente destino para produção de material de tecnologia mais elevada e mitigando possibilidades de contaminação do ambiente.

Resultados obtidos para os experimentos de degradação de Vermelho Congo com UV-C, TiO2/UV-C e EVF/UV-C.

Conclusões

Os resultados mostram que espuma vítrea contendo fotocatalisador impregnado impregnado (EVF) - material de baixo custo e ambientalmente amigável - apresenta propriedades fotodegradativas e potencial para uso no tratamento de efluentes aquosos contendo corantes. As EVFs apresentaram resultados inferiores (40%) aos obtidos usando TiO2 em suspensão (50%), entretanto, eliminaram a etapa de separação/recuperação do fotocatalisador, resultando em grande ganho no processo. Ainda, o uso de resíduos de vidro na produção de EVF além de minimizar impactos negativos no ambiente gerados pela disposição incorreta de lâmpadas fluorescentes, dá melhor destino a este tipo de resíduo.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Instituto Federal Sul-rio-grandesen (IFSul) pelo suporte financeiro e infraestrutural.

Referências

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