Estudo da degradação de azul de metileno por eletrólise sob plasma elétrico de alta tensão e baixa corrente, com sistema multieletrodos

Resumo

Propõe-se o desenvolvimento de nova tecnologia para degradação de compostos orgânicos em efluentes aquosos, baseada em eletrólise não convencional, utilizando plasma de alta tensão e baixa corrente. Este processo leva à formação de espécies fortemente oxidantes. O sistema é constituído por uma fonte de corrente contínua, uma célula eletroquímica termostatizada e eletrodos para geração do plasma e degradação do azul de metileno. O cátodo utilizado é um eletrodo de Pt e os ânodos, são eletrodos de Pt selados em tubos de cerâmica. Avaliou-se a capacidade de degradação, variando-se o número de ânodos incorporados. O acompanhamento da degradação foi feito de 0 a 60 min entre 400 e 700 nm, e a redução da banda de absorção máxima em 663 nm após 60 min, mostrou uma taxa de degradação de 93,1%.

Palavras chaves

Plasma elétrico; Degradação; Azul de metileno

Introdução

Existem variados processos de tratamentos convencionais para o tratamento de efluentes, porém, nenhum totalmente eficaz, devido ao caráter recalcitrante dos efluentes. Uma importante alternativa ao tratamento de efluentes com elevada carga orgânica são os Processos Oxidativos Avançados (POA), que vêm sendo intensamente estudados e utilizados na destruição da estrutura química de compostos recalcitrantes que não podem ser tratados por outras tecnologias (BRITTO & RANGEL, 2008). Dentre estes processos, a eletrólise sob plasma é um procedimento não convencional onde um plasma luminoso é sustentado por descargas entre um eletrodo (ânodo) e o eletrólito líquido no seu entorno, em que a energia elétrica de entrada provoca reações químicas por processos adicionais à transferência de elétrons normais entre um íon e o eletrodo, levando a fortes efeitos químicos não-faradáicos (GAI, 2007). Em solução aquosa a diferença de potencial aplicada entre os ânodos e o cátodo gera um campo elétrico elevado que produz elétrons de alta energia, com valores que ultrapassam as energias de ionização e dissociação da água, de forma que o plasma gerado produz radicais hidroxila, peróxido de hidrogênio, dentre outras espécies, que iniciam efeitos químicos e físicos variados, como exemplo, a degradação de corantes orgânicos (WÜTHRICH & MANDIN, 2009). Os corantes têm atraído a atenção pelo alto potencial poluidor, a presença nos efluentes é preocupante devido à variedade e complexidade química destes produtos, enquadrando-se na categoria de poluentes emergentes. O corante azul de metileno, usado como composto modelo neste trabalho, é um composto orgânico aromático, heterocíclico, de fórmula molecular C16H18ClN3S.3H2O, empregado nas indústrias têxtil e de papel.

Material e métodos

Foi utilizada uma célula eletroquímica de vidro de parede dupla, para termostatização com volume de 250 mL, com adaptação para até seis eletrodos de platina (ânodos) e um cátodo central de platina. Os ânodos foram construídos com fios de platina de 0,5 mm de diâmetro com exposição de 1,5 mm na solução. O cátodo de platina com um diâmetro de 0,5 mm de diâmetro e 10 cm de comprimento é envolvido por um tubo de plástico com furos laterais para escape de hidrogênio produzido na eletrólise sob plasma. O sistema eletroquímico é constituído pela célula eletroquímica, uma fonte de corrente contínua que fornece uma diferença de potencial de até 1000 volts e corrente máxima de 2,0 ampères, agitador magnético para garantir a homogeneização da solução, um banho para termostatização, uma bomba peristáltica para amostragem e um espectrofotômetro para as análises. Para garantir a condutância da solução, foi adicionado sulfato de sódio como eletrólito. O procedimento consistiu em adicionar uma alíquota de 10 mL de azul de metileno à célula eletroquímica contendo 190 mL de solução de sulfato de sódio. Com a fonte ligada na tensão e corrente previamente estabelecidas para geração do plasma, foram bombeadas alíquotas da solução entre 0 e 60 minutos, em intervalos de 10 minutos, que foram submetidas a varreduras espectrais em cubetas de quartzo entre 400 a 700 nm. Após as varreduras as alíquotas das amostras eram bombeadas de retorno para a célula. Durante os experimentos, a temperatura do banho termostatizado era mantida em 10 °C de forma a evitar aquecimento da solução sob degradação.

Resultado e discussão

Inicialmente foi feito um estudo da diferença de potencial versus corrente, para estabelecer os valores em que ocorre a formação do plasma. No início a corrente cresce de forma linear com a diferença de potencial, na sequência a corrente decai, pela formação do envelope de vapor e logo surge o plasma em 400 volts. Aparentemente o padrão de comportamento foge da eletrólise tradicional durante o plasma. Na sequência verificou-se a produção de peróxido de hidrogênio em função do tempo e do número de eletrodos sempre crescente. Foram realizadas degradações empregando até três ânodos no processo de eletrólise sob plasma. A diferença de potencial para geração do plasma foi de 400 V sob uma corrente máxima de 400 mA. Os espectros de absorção na faixa de 500 a 700 nm para o azul de metileno mostram absorção máxima no comprimento de onda de 663 nm. As absorções em toda a extensão dos espectros reduzem-se gradualmente entre 0 e 60 minutos de aplicação do plasma. Utilizou-se o comprimento de onda de máxima absorção (663 nm) para estudar a cinética de degradação do corante. O decaimento da banda de absorção máxima em 663 nm pode ser atribuído a N-desmetilação do azul de metileno, promovendo a clivagem do grupo cromóforo do corante, justificando assim a redução de cor da solução. A taxa de degradação do azul de metileno pode ser calculada através dos valores de absorvância obtidos nos intervalos de tempo em 663 nm. Observa-se que o aumento no número de ânodos incorporados leva a um aumento da taxa de degradação, por outro isso implica em aumento da corrente elétrica.

Figura 1

Espectros de absorção do azul de metileno após eletrólise sob plasma.

Figura 2

Taxas de degradação do azul de metileno após eletrólise sob plasma.

Conclusões

Verificou-se que a produção de peróxido de hidrogênio é efetiva e que o número de ânodos aumenta a produção deste composto. O processo é eficiente na remoção de cor e degradação do azul de metileno. Observou-se que taxas de degradação superiores a 80% foram alcançadas para as diferentes condições de operação estudadas, possibilitando obter uma taxa de 93,1% com 3 ânodos. O processo de eletrólise sob plasma é uma técnica útil na degradação de compostos orgânicos, mostrando-se com alternativa para degradação de corantes, permitindo estabelecer um possível tratamento de efluentes.

Agradecimentos

Os autores agradecem a CAPES pela bolsa de mestrado a um dos autores (R. M. F.), a FAPEMIG e ao CRQ-MG pelo apoio financeiro e a UFV pelas facilidades.

Referências

BRITTO, J. M.; RANGEL, M. D. C. Processos avançados de oxidação de compostos fenólicos em efluentes industriais. Quimica Nova, 31, 1, 114–122, 2008.

GAI, K. Plasma-induced degradation of diphenylamine in aqueous solution. Journal of Hazardous Materials, 146, 1–2, 249–254, 2007.

WÜTHRICH, R.; MANDIN, P. Electrochemical discharges-Discovery and early applications. Electrochimica Acta, 54, 16, 4031–4035, 2009.