DEGRADAÇÃO DA CAFEÍNA ATRAVÉS DA FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA UTILIZANDO UM CATALISADOR DE TIO2 DOPADO COM CÉRIO

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Ambiental

Autores

Soares, B.E.C.F. (UFMA) ; Abrahão, A.P.E. (IFMA) ; Araújo, A.B. (IFMA) ; Alcântara, A.C.S. (UFMA)

Resumo

O presente trabalho mostra a atividade fotocatalítica dos catalisadores de TiO2 dopados com Ce na degradação da cafeína. A fotodegradação ocorreu utilizando um fotorreator de bancada e as análises foram realizadas através da técnica de espectroscopia de UV-Vis. Um estudo comparativo sobre a temperatura de calcinação, o qual os catalisadores foram obtidos, e o efeito do pH na degradação do contaminante também foi realizado. Os testes demonstraram que o catalisador calcinado a 450 ºC e dopado com 0,1% de Ce obteve melhores resultados. Para os testes em diferentes pH, a maior taxa de degradação foi de aproximadamente 92% da cafeína em 5 horas no fotorreator e em pH=7. É possível concluir que o catalisador empregado e o fotorreator utilizado é uma alternativa para a degradação da cafeína.

Palavras chaves

CAFEÍNA; POA; TIO2

Introdução

A constante presença de fármacos residuais em estações de tratamento de água, esgoto e águas superficiais surge como uma nova preocupação devido à bioacumulação destas nos organismos vivos causando efeitos crônicos ou agudos que vão desde intoxicações até desregulação endócrina (SANTOS, 2016). Chamados de poluentes emergentes, dentro dessa classe encontra-se a cafeína, que está entre as substâncias mais consumidas em todo o mundo e, quando presente em águas superficiais, sinaliza a existência de outros contaminantes, sendo considerada um indicador de poluição ambiental (SILVA, 2016). Uma alternativa para tratar este problema são os processos oxidativos avançados (POA), tecnologia que se baseia na formação de radicais hidroxila (OH˙) capazes de oxidar os poluentes presentes na amostra. Estes processos caracterizam-se por ter a possibilidade de mineralizar o poluente por meio da ativação de um fotocatalisador, a partir de irradiação ultravioleta ou visível (JARDIM; TEIXEIRA, 2004). Dentre os POA, destaca-se a fotocatálise heterogênea, que utiliza como principal semicondutor o TiO2 na fase anatase. Para melhorar a eficiência no processo fotocatalítico, modificações são feitas na superfície do catalisador, a fim de se obter maior área superficial (ROCHETTO, 2012; MORO et. al, 2012). O CeO2 é conhecido por inibir a transição da fase anatase (fase ativa) para a fase rutilo (menos ativa) com o aumento da temperatura de calcinação, além disso, o CeO2 adicionado à matriz de TiO2 apresenta um efeito promotor nas reações de oxidação (VALENTE et al., 2005). Portanto, o objetivo deste trabalho é apresentar resultados de testes de fotodegradação da cafeína utilizando catalisadores de TiO2 dopados com Ce obtidos através do método sol- gel.

Material e métodos

Para o mecanismo de degradação da cafeína foi utilizado um fotorreator no qual continha 250 mL de solução contendo 11,5 mgL^-1 de cafeína, que permaneceu em constante agitação, saturada com oxigênio do ar com o auxílio de uma bomba de aquário, à temperatura ambiente e irradiado com 4 lâmpadas UV, cujo comprimento de onda é de 360 nm e irradiação de 0,760 mW cm^-2. Dois catalisadores foram utilizados, CeO2/TiO2 0,05% com maior presença da fase rutilo e CeO2/TiO2 0,01% com predominância da fase anatase, calcinados até 600°C e 450°C respectivamente, sintetizados pelo método sol-gel (VALENTE et al., 2005). Os catalisadores foram dispersos na solução sob agitação magnética (0,125g) e alíquotas de 3 mL foram retiradas em diferentes intervalos de tempo com o auxílio de uma seringa de vidro. As alíquotas foram filtradas utilizando filtros de PVDF de 0,22 µm de porosidade, acoplado à seringa, e posteriormente, analisadas através da técnica de espectroscopia de UV-VIS. Um estudo comparativo entre os dois catalisadores foi realizado, a fim de propor qual apresentaria maior atividade fotocatalítica frente à degradação da cafeína. Após essa etapa, o catalisador com melhor resultado foi escolhido para avaliar o efeito do pH. Foram realizados testes fotocatalíticos em pH=9 e pH=7, com concentração do catalisador igual a 0,250g.

Resultado e discussão

Os resultados dos ensaios mostrados na Fig. 1 comprovam o que é encontrado na literatura sobre a fase mais ativa do dióxido de titânio. É sabido que em 450°C maior parte do semicondutor está na fase anatase, e à medida que aumenta a temperatura aumenta a presença da fase rutilo. VALENTE et al., 2005, afirma que a presença do óxido de cério na estrutura não produz resultados diretos em relação a atividade fotocatalítica do semicondutor, no entanto, aumenta a área superficial e com isso maior tempo de contato entre a molécula do poluente e semicondutor. Para os estudos com a cafeína, foi observado que o catalisador na fase anatase degradou 50% da cafeína em três horas, enquanto na fase rutilo o mesmo percentual de degradação foi obtido em cinco horas. Portanto o catalisador escolhido para dar continuidade aos experimentos foi o CeO2/TiO2 0,01% a 450°C. O pH é um fator determinante sobre a taxa de degradação de um processo, segundo HOFSTADLER et al., 1994, isso ocorre pois há modificações dos potenciais redox e das propriedades de adsorção e dessorção do semicondutor. Foi possível observar esta influência do pH na reação, uma vez que os resultados demonstraram melhor eficiência com o pH=7, em que houve degradação da cafeína de 92,25% em 5 horas, enquanto que no pH=9, a degradação foi somente de 54% para o mesmo tempo de reação (Fig. 2). Como esperado, a fotólise não obteve resultado satisfatório, degradando pouco mais de 2% da cafeína.

Gráfico C/Co em função do tempo de degradação da cafeína utilizando catalisadores de CeO2/TiO2 em diferentes fases.


Gráfico C/Co em função do tempo de degradação da cafeína para estudo da influência do pH da solução utilizando CeO2/TiO2 calcinado a 450°C

Conclusões

O presente estudo permitiu verificar que o catalisador CeO2∕TiO2, com maior porcentagem da fase anatase, se mostrou como uma alternativa para a degradação da cafeína. Na melhor condição obtida, isto é, o catalisador com concentração igual a 0,250 g e pH=7, foi possível obter uma taxa de 92% de remoção do poluente, em 5 horas no fotorreator, empregando radiação UV.

Agradecimentos

Referências

HOFSTADLER, K.; BAUER, R.; NOVALIC, S.; HELSLER, G. New Reactor Design for Photocatalytic Wastewater Treatment with TiO2 Immobilized on Fused-Silica Glass Fibers: Photomineralization of 4-Chlorophenol. Environmental Science And Technology, v. 28, p. 670-674, 1994.
JARDIM, W.F.; TEIXEIRA, C.P.A.B. Caderno Temático: Processos Oxadativos Avançados. Instituto de Química – Campinas, SP. Apostila, v. 03, p. 16, 2004.
MORO, C. C.; LANSARIN, M. A.; BAGNARA, M. Nanotubos de TiO2 dopados com nitrogênio: comparação das atividades fotocatalíticas de materiais obtidos através de diferentes técnicas. Quim. Nova, Vol. 35, No. 8, 1560-1565, 2012.
ROCHETTO, U. L. Degradação de compostos orgânicos voláteis em fase gasosa por fotocatálise heterogênea com TiO2/UV. Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual de Campinas, Campinas 2012.
SANTOS, R. M. M. Materiais derivados de hidróxidos duplos lamelares: síntese, caracterização e aplicação em adsorção e processos avançados de oxidação. Dissertação de Mestrado, Instituto de química de Araraquara, Araraquara 2016.
SILVA, Juliana Aparecida da. Determinação de cafeína em águas superficiais como indicador de contaminação por esgoto doméstico. 2016. 98 f. Dissertação (Mestrado em Química) - UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA, Ponta Grossa, 2016.
VALENTE, J. P. S.; ARAÚJO, A. B.; BOZANO, D. F.; PADILHA, P. M.; FLORENTINO, A. O. Síntese e caracterização textural do catalisador CeO2/TiO2 obtido via sol-gel: fotocatálise do composto modelo hidrogenoftalato de potássio. Eclet. Quím. V. 30, n.4, São Paulo, 2005.