Uso do fotocatalisador óxido de zinco para a degradação de corante alimentício

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Ambiental

Autores

Santos, D.M. (UFPE) ; Silva, M.G.N. (UFPE) ; Barbosa, A.A. (UFPE) ; Aquino, R.V.S. (UFPE) ; Carvalho, R.F. (UFPE) ; Irineu, M.D. (UFPE) ; Neves, N.S.C.S. (UFPE) ; Rocha, O.R.S. (UFPE)

Resumo

Os corantes presentes nos efluentes provenientes das indústrias, geram grande preocupação devido a poluição causada nos corpos hídricos. Muitos desses compostos possuem caráter carcinogênico, natureza genotóxica e são de difícil remoção e decomposição. O objetivo desse trabalho é estudar a degradação de corante verde rápido por meio dos Processos Oxidativos Avançados utilizando a radiação UV-C e ZnO como fotocatalisador. Foram realizados estudos para avaliar a influência da concentração inicial do corante e do pH do meio na degradação. O melhor resultado, 99,5%, foi obtido com concentração de 10mg.L-1 e pH 6. Foi realizado um estudo cinético da degradação do corante e a toxicidade dos compostos intermediários, obtendo uma diminuição da toxicidade do sistema após o tratamen

Palavras chaves

Corantes; Degradação; POA

Introdução

Dentre as formas de poluição, uma das mais preocupantes é a poluição dos corpos hídricos, causada pelo descarte de efluentes industriais, devido à presença de uma enorme variedade de compostos químicos em diversas concentrações, como os corantes (YOUSSEF et al, p.49, 2018). Na indústria têxtil, cerca de 10 a 15% do total dos corantes produzidos anualmente são descartados no meio ambiente, consequência da baixa fixação desses compostos nos tecidos, gerando sérios problemas ambientais. Além das indústrias de tecidos, os aditivos de cor também são utilizados em outros tipos de indústria, como papel e celulose, alimentos, cosméticos e farmacêuticos, mas em proporções diferentes (BILAL et al, p.647, 2017). Muitos corantes possuem caráter carcinogênico, natureza genotóxica e/ou mutagênica, e são de difícil remoção e decomposição, devido às suas estruturas moleculares que os tornam mais resistentes à luz e à biodegradação. (BILAL et al, p.647, 2017; NATARAJAN; BALAJ; TAYADE, p.202, 2018). Os corantes presentes nas águas residuais absorvem o oxigênio da água, ameaçando a vida humana e o meio ambiente; logo, sua descarga pode causar sérios danos ao ecossistema ambiental (PIRKARAMI; OLYA, p. 179, 2017). Desta forma, existe uma grande necessidade de um eficiente tratamento das águas residuais contendo corantes, para a preservação ambiental (BILAL et al, p.647, 2017). Os métodos convencionais para o tratamento de águas residuais, como adsorção, coagulação, floculação, precipitação, técnicas de separação por membranas e tratamento biológico aeróbico, apresentam baixa eficiência para a degradação completa dos contaminantes orgânicos. Uma alternativa promissora para o tratamento de efluentes são os Processos avançados de oxidação (POA), por seu baixo custo, simplicidade e elevada eficiência (RAIZADA et al, p. 689, 2016). Nos POA, um dos tipos é a fotocatálise heterogênea, na qual o principal agente oxidante é o radical hidroxila (•OH), que é produzido pela aplicação de radiação UV com semicondutores sólidos, como o óxido de zinco (ZnO). O ZnO é um tipo de semicondutor que possui uma ampla largura de banda direta (3,37 eV) e elevada energia de ligação de excitação (60 meV). Além disso, o ZnO apresenta ótimas propriedades elétricas, mecânicas e ópticas e uma boa atividade fotocatalítica (ONG; NG; MOHAMMADA, p.537, 2018). Os POA, apesar de possuírem alta eficiência no tratamento de contaminantes orgânicos, podem ocasionar uma elevação da toxicidade do meio devido à formação de compostos intermediários, se não ocorrer a mineralização completa do composto inicial. Assim, torna-se importante realizar a avaliação da toxicidade antes e após o tratamento dos efluentes utilizando os Processos Oxidativos Avançados, podendo-se realizar testes fitotóxicos de efeito agudo em organismos vivos (AQUINO et al, p.2502, 2019). O trabalho atual tem como objetivo geral estudar a degradação de corante verde rápido a partir dos POA usando a luz UV-C e ZnO como fotocatalisador. Avaliou-se a influência da variação da concentração inicial e do pH do meio, na degradação do corante. Além disso, avaliou-se a cinética de remoção do corante e foi realizada a toxicidade, antes e após o melhor tratamento.

Material e métodos

EXPERIMENTOS DE FOTODEGRADAÇÃO- Nos ensaios de degradação foram utilizadas soluções aquosas do corante Verde Rápido (Dinâmica Química Contemporânea Ltda), e o fotocatalisador oxido de zinco (ZnO) (Biodinâmica Química e Farmacêutica Ltda). Os experimentos foram executados com radiação UV-C utilizando lâmpada germicida UV-C (ILUMISAMPA, 20 W, irradiação de 0,830 mW.cm-2), volume fixo de 350 mL da solução aquosa e 0.08 g de ZnO, em reatores cilíndricos fotocatalíticos e sob agitação magnética (FISATOM, 751). Antes da fotodegradação, os sistemas ficaram 30 minutos no escuro (CHEN et al, p.3, 2018). Em seguida, foram medidas as absorbâncias das amostras em espectrômetro UV-Visível (SPECTROQUANT PHARO, 300) no comprimento de onda (λ) de 623 nm. ESTUDO DO EFEITO DA CONCENTRAÇÃO INICIAL DO CORANTE E DO PH- Foram realizados os estudos da influência da concentração inicial do corante e do pH, com o objetivo de determinar as condições nas quais ocorreu o melhor desempenho do processo fotocatalítico. Desta forma, no estudo da concentração inicial, foram analisadas as concentrações 10, 20, 30 e 40 mg.L-1. E no estudo do pH, os valores avaliados, foram 4, 6, 8 e 10. Esses ensaios foram realizados com o auxílio de um pHmetro digital (CATEL, RS232). ESTUDO CINÉTICO DE DEGRADAÇÃO DO CORANTE - A partir das melhores condições obtidas nos estudos do efeito da concentração inicial do corante e do pH, foi realizado um estudo cinético. Efetuou-se um ajuste dos dados ao modelo cinético de pseudo-primeira ordem (CHAKRABARTI; DUTTA, p.277, 2004) (Equação 1). Foi definido o coeficiente de regressão linear (R²) e a constante de velocidade (k) da reação. Na Equação 1, C representa a concentração do corante variando com o tempo t e C0 a concentração inicial do corante (t=0). Ln ([C]/[C0]) = -kt (1) ENSAIOS DE TOXICIDADE- Os ensaios de toxicidade foram efetuados conforme o método adotado por Priac et al (2017). As sementes utilizadas nos testes foram das espécies Lactuva Sativa (alface mônica), Brassica juncea (mostarda lisa da Flórida) e Eruca sativa ( rúcula Apreciatta folha larga). Os ensaios foram realizados em quintuplicata, por meio da exposição das sementes à solução do corante antes e após o tratamento utilizando a melhor condição de degradação obtida no estudo cinético. Além disso, a água mineral e o ácido bórico foram utilizados como controle negativo e positivo, respectivamente. Foram utilizadas nesses ensaios placas de Petri contendo papel de filtro, 15 sementes da espécie e 4 mL da amostra de solução avaliada. As sementes foram expostas às soluções por 120 horas, a uma temperatura de 22 ± 2°C, sem a presença de luz. Foram realizados os cálculos dos índices de crescimento relativo (ICR) e de germinação (IG), após os experimentos. O valor do ICR é diferenciado em três grupos: a) 0 < ICR < 0,8: Inibição do crescimento; b) 0,8 < ICR < 1,2: Efeito não significativo e c) ICR > 1,2: Estimulação do crescimento (YOUNG et al, p.183, 2012).

Resultado e discussão

ESTUDO DA CONCENTRAÇÃO INICIAL DO CORANTE E DO EFEITO DO PH- A Figura 1 representa a degradação fotocatalítica em relação a diferentes valores de concentração inicial e pH no tratamento do corante verde rápido. A partir dos sistemas fotocatalíticos estudados, pôde-se observar uma maior degradação em menores valores de concentração inicial do corante. O sistema de concentração de 10 mg.L-1 apresentou 99,9% de taxa de degradação em 90 minutos, enquanto o sistema com 20 mg.L-1 apresentou uma taxa de degradação de 93,7%. Neste mesmo tempo, foram encontradas as seguintes taxas de remoção 66,5% e 43,1%, para os sistemas com 30 mg.L-1 e 40 mg.L-1 respectivamente. As menores taxas de degradação em maiores concentrações de corante são esperadas, devido à menor quantidade de fótons irradiados nesses sistemas. Por conta dessa limitação, a eficiência da degradação diminui (BARIK; KULKARNI; GOGATE, p. 155, 2016). Assim, a concentração de corante escolhida para a continuação dos experimentos foi 10 mg.L-1. Nos sistemas em que foram estudados a influência do pH, foram obtidas taxas de degradação muito próximas ao realizar a avaliação em diferentes pH. O sistema com pH 4 teve 99,09% de corante removido em 60 minutos, já o sistema de pH 6 apresentou uma taxa de degradação de 99,7% neste mesmo tempo. Os sistemas de pH 8 e pH 10, apresentaram os valores de taxa de degradação 98,35% e 98,04%, respectivamente, aos 60 minutos de tratamento. Logo, como os valores das taxas de degradação estavam muito próximos, foi escolhido o pH 6, por ser o valor mais aproximado do pH natural da solução aquosa do corante e assim os custos no processo seriam menores ao ajustar o pH do meio. ESTUDO CINÉTICO DE DEGRADAÇÃO- Foi estudada a cinética de degradação do corante verde rápido no sistema com as melhores condições determinadas nos estudos anteriores: concentração inicial do corante de 10 mg.L-1 e pH 6. Nesse estudo, 84,7% do corante havia sido degradado em 10 minutos de tratamento. Aos 30 minutos, as taxas de remoção excederam 96% e obteve-se uma taxa de remoção de 99,5% em 60 minutos. Foi realizado um estudo cinético para um modelo de pseudo-primeira ordem, no qual foram obtidos os valores 0,01204 min-1 e 0,9928 para a constante cinética e o coeficiente de regressão linear, respectivamente. ENSAIOS DE TOXICIDADE- Na Tabela 1 estão contidos os valores dos índices de crescimento relativo (ICR) e de germinação (IG). Para o controle positivo, os valores de IG calculados para as espécies de Lactuva Sativa, Brassica juncea e Eruca sativa, foram 0,95, 0,53 e 0,93 respectivamente. Para o controle negativo, não houve germinação das sementes. Nas espécies Lactuva Sativa e Brassica juncea pode-se observar que os IG permaneceram com valores bem próximos, na solução pós tratamento em comparação com a solução antes do tratamento, e na espécie Eruca sativa, o valor se manteve constante. Em relação ao ICR, percebe-se que na espécie Lactuva Sativa o valor se manteve sem alteração, e nas espécies Brassica juncea e Eruca sativa, ocorreu um aumento nos valores, indicando que as amostras após o tratamento deixaram de inibir o crescimento das radículas (pois o ICR>0,8).

Degradação fotocatalítica do verde rápido em (a) diferentes concentrações iniciais de corante e (b) diferentes valores de pH do meio.


Valores do ICR e do IG (%) para as sementes testadas nos ensaios de toxicidade.

Conclusões

A degradação do corante verde rápido FCF foi observada utilizando os POA com ZnO em suspensão. Fatores como concentração inicial de corante e pH do meio, foram estudados e ajustados para encontrar as melhores condições experimentais em que ocorreu a degradação do corante com maior eficiência. Para o estudo da cinética, obteve-se um ajuste ao modelo cinético de pseudo-primeira ordem, encontrando coeficiente de regressão linear igual a 0,9928 e constante cinética de 0,01204 min-1. Observou-se uma melhor degradação fotocatalítica no sistema com concentração inicial de 10 mg.L-1 e pH 6. A degradação apresentou resultados favoráveis, pois, além de degradar e descolorir a solução, ainda ocorreu a diminuição da toxicidade, determinada pelo ensaio fitotóxico realizado.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Laboratório de Engenharia de Alimentos por permitir a execução deste trabalho.

Referências

AQUINO, R. V.S.; BARBOSA, A.A.; RIBEIRO, L.B.; OLIVEIRA, A.F.B.; SILVA, J.P.; AZOUBEL, P.M.; ROCHA, O.R.S. Degradation of leaf green food dye by heterogeneous photocatalysis with TiO2 over a polyethylene terephthalate plate. Chemical Papers, v. 73, 2501–2512, 2019.
BARIK, A. J.; KULKARNI, S. V.; GOGATE, P. R. Degradation of 4-chloro 2-aminophenol using combined approaches based on microwave and photocatalysis. Separation and Purification Technology, v. 168, 152–160, 2016.
BILAL, M.; ASGHER, M.; PARRA-SALDIVAR, R.; HU, H.; WANG, W.; ZHANG, X.; IQBAL, H. M. N. Immobilized ligninolytic enzymes: An innovative and environmental responsive technology to tackle dye-based industrial pollutants – A review. Science of The Total Environment, v. 576, 646–659, 2017.
CHAKRABARTI, S.; DUTTA, B. Photocatalytic degradation of model textile dyes in wastewater using ZnO as semiconductor catalyst. Journal of Hazardous Materials, v.112, n° 3, 269–278, 2004.
CHEN, X.; WU, Z.; LIU, D.; GAO, Z. Preparation of ZnO Photocatalyst for the Efficient and Rapid Photocatalytic Degradation of Azo Dyes. Nanoscale Research Letters, v. 12, n° 143, 1-10, 2017.
NATARAJAN, S.; BAJAJ, H. C.; TAYADE, R. J. Recent advances based on the synergetic effect of adsorption for removal of dyes from waste water using photocatalytic process. Journal of Environmental Sciences, v. 65, 201–222, 2018.
PIRKARAMI, A.; OLYA, M. E. Removal of dye from industrial wastewater with an emphasis on improving economic efficiency and degradation mechanism. Journal of Saudi Chemical Society, v. 21, n° 1, 179–186, 2017.
PRIAC, A.; BADOT, P. M.; CRINI, G. Treated wastewater phytotoxicity assessment using Lactuca sativa: Focus on germination and root elongation test parameters. C. R. Biologies, v. 340, n° 3, 188–194, 2017.
ONG, C.B.; NG, L. Y.; MOHAMMADA, A. W. A review of ZnO nanoparticles as solar photocatalysts: Synthesis, mechanisms and applications . Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 81 , n°1, 536-551, 2018.
RAIZADA, P.; SHANDILYA, P.; SINGH, P.; THAKUR, P. Solar light-facilitated oxytetracycline removal from the aqueous phase utilizing a H2O2/ZnWO4/CaO catalytic system. Journal of Taibah University for Science, v. 11, n°5, 689-699, 2016.
YOUNG, B. J.; RIERA, N. I.; BEILY, M. E.; BRES, P. A.; CRESPO, D. C.; RONCO, A. E.
Toxicity of the effluent from an anaerobic bioreactor treating cereal residues on Lactuca
sativa. Ecotoxicology and Environmental Safety, v. 76, p. 182-186, 2012.
YOUSSEF, Z.; COLOMBEAU, L.; YESMURZAYEVA, N.; BAROS, F.; VANDERESSE, R.; HAMIEH, T.; TOUFAILY, J.; FROCHOT,C.; ROQUES-CARMES, T.; ACHERAR, S. Dye-sensitized nanoparticles for heterogeneous photocatalysis: Cases studies with TiO2 , ZnO, fullerene and graphene for water purification. Dyes and Pigments, v. 159, 49–71, 2018.