Efeito do pH no meio reacional sob a eficiência fotocatalítica de catalisadores de Zn/Fe/TiO2

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Ambiental

Autores

Castro, L.E.N. (UFPR) ; Pires, L.T. (UFPR) ; Colpini, L.M.S. (UFPR)

Resumo

O objetivo do trabalho foi o estudo da influência do pH no meio reacional em processos de descontaminação ambiental através de reações de fotodescoloração do corante alimentício Vermelho 40, usando catalisadores Zn/Fe/TiO2. Para estudar o efeito do pH sob os catalisadores foi realizado análise de ponto de carga zero. Os ensaios fotocatalíticos foram efetuados em batelada na presença de luz solar por 2 h, onde alíquotas foram coletadas entre 0 a 120 minutos. Para os catalisadores dopados com 6 e 10% de zinco, o valor da descoloração obtida para as soluções do corante alimentício Vermelho 40, foram de aproximadamente 100% quando o pH do meio foi reduzido para pH = 4, mostrando que o pH de fato influência na atividade fotocatalítica dos catalisadores em estudo.

Palavras chaves

processos oxidativos ; descoloração; corantes azo

Introdução

Os efluentes líquidos gerados nas indústrias alimentícias são compostos por altas concentrações de matéria orgânica e se caracterizam como fontes significativas de poluição dos corpos hídricos (BENINCÁ, 2012). Dentre esses efluentes, os corantes são a classe de poluentes que podem apresentar produtos de degradação altamente carcinogênicos contendo grupos cromóforos azo, caracterizados pela ligação -N=N-, cuja classe pertence a maior parte dos corantes reativos (KUNZ et al., 2002; ZOLLINGER, 1991). Sabe-se que a indústria de alimentos lança altos volumes de efluentes e que os sistemas de tratamento convencionais não são apropriados para remover ou eliminar as substâncias como corantes, causando diversos problemas aos corpos aquáticos (UNICAMP, 2003). Neste contexto, o desenvolvimento de tratamentos químicos tem mostrado que os processos de oxidação avançados (POAs) representam alternativas para redução de subprodutos e cor desses efluentes (HOFFMANN et al., 1995). Dentro dessa classe temos a fotocatálise, uma tecnologia que propociona a degradação de compostos orgânicos, através do uso de semicondutores (CATANHO et al., 2006; MILLS et al., 1993). Dentre os óxidos metálicos semicondutores temos TiO2, ZnO e Fe2O3, onde o TiO2 é o mais utilizado devido, principalmente, à sua não toxidade, alta atividade fotoquímica, baixo custo, estabilidade em sistemas aquosos e estabilidade química em uma ampla faixa de pH (MAILLARD-DUPUY et al., 1994; NOGUEIRA et al., 1998). Assim, o objetivo do trabalho foi o estudo da influência do pH no meio reacional em processos de descontaminação ambiental através de reações de fotodescoloração do corante alimentício Vermelho 40, usando catalisadores Fe/Zn/TiO2 obtidos pelo método de impregnação por excesso de solvente.

Material e métodos

Para todas as sínteses foram usados reagentes de grau analítico e água ultrapura Milli-Q® (resistividade 18 MΩcm). Os catalisadores Zn/Fe/TiO2 foram sintetizados de acordo com um planejamento fatorial 2² onde variou-se a carga metálica de zinco em 2, 6 e 10% (m.m-1) e a temperatura de calcinação em 200, 300 e 400 ºC. Eles foram preparados usando dióxido de titânia (TiO2) comercial (Synth teor mínimo 91%), cloreto de zinco II (ZnCl2) (Reatec com teor mínimo 97%), de acordo com COLPINI et al., 2014. O corante alimentício Vermelho 40 foi obtido da Duas Rodas Ltda, localizada em Jaraguá do Sul, Santa Catarina. Os experimentos de descoloração fotocatalítica do efluente alimentício foram realizados na Universidade Federal do Paraná, Campus Avançado de Jandaia do Sul, com soluções preparadas na concentração de 10 ppm. O sistema experimental consiste de um reator do tipo tanque (sistema batelada), constituído de um vaso cilíndrico (Béquer) com capacidade de 250 mL e um agitador magnético para garantir a homogeneização das amostras durante o período de realização do experimento (2 h). Após tempos de reação de 0, 30, 60, 90 e 120 minutos, foram recolhidas alíquotas para análise de descoloração. A porcentagem de descoloração das soluções em função do tempo foi determinada com espectrofotômetro UV, modelo EEQ9011I.UV-B da marca Drawell, no comprimento de onda de 504 nm. O efeito do pH do meio reacional sob a eficiência fotocatalítica dos materiais foi avaliado utilizando análise de ponto de carga zero (PCZ), por meio do método denominado como “experimento dos 11 pontos”. O procedimento consiste na mistura de 50 mg do catalisador em 50 mL de solução aquosa em 11 diferentes condições de pH inicial (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12).

Resultado e discussão

Na Tabela 1, estão representados os resultados da análise de PCZ dos catalisadores. O pHPCZ para a solução de 10 ppm para o corante alimentício Vermelho 40 foi de 6,81. Além disso, foi possível observar pela Tabela 1 que os catalisadores dopados com 2% e 10% de zinco e calcinados a 400 ºC obtiveram pH menor que o pHPCZ, logo suas superfícies estão carregadas positivamente. Enquanto que para os demais catalisadores, o pH foi maior ao pHPCZ, logo suas superfícies estão carregadas negativamente. Na Figura 1, são expostos os resultados da descoloração da solução do corante Vermelho 40 quando assistidos por luz solar em tempo reacional de 2 horas. Pela Figura 1, foi possível observar que o pH do meio reacional teve influência sob a porcentagem de descoloração de uma maneira geral. Para os catalisadores calcinados a temperatura de 400 ºC, a diminuição do pH teve efeito negativo sob a porcentagem de descoloração. Já para os catalisadores calcinados a temperatura de 200 e 300 ºC, a diminuição no pH do meio reacional, proporcionou um aumento na porcentagem de descoloração, em que os catalisadores dopados com 6 e 10% de zinco atingiram valores de aproximadamente 100% de descoloração. Esse comportamento pode ser explicado com base nos resultados obtidos na Tabela 1. Em menor pH, o meio reacional conta com maior concentração de íons H+, ou seja, com uma tendência a carga positiva. Logo, os catalisadores com superfície carregadas positivamente, como os calcinados a 400 ºC, tendem a sofrer com forças de repulsão dentro do meio reacional, o que pode ocasionar uma diminuição na atividade catalítica.

Resultado dos ensaios da determinação do PCZ.


Figura 1. Descolorações dos catalisadores para o corante Vermelho 40: a) 2% Zn/2% Fe/TiO2, b) 6% Zn/2% Fe/TiO2 e c) 10% Zn/2% Fe/TiO2.

Conclusões

Com base nos resultados obtidos foi possível concluir que o pH do meio reacional de fato, influencia na atividade fotocatalítica de catalisadores do tipo Zn/Fe/TiO2. Para os catalisadores dopados com 6 e 10% de zinco, o valor da descoloração obtida para soluções do corante alimentício Vermelho 40, foram de aproximadamente 100% quando o pH do meio foi reduzido para pH = 4.

Agradecimentos

UFPR - Campus Avançado de Jandaia do Sul e ao CNPq pelo apoio financeiro.

Referências

BENINCÁ, C. Degradação do corante alimentício ponceau 4r e tratamento de efluente de uma indústria de alimentos utilizando processos oxidativos avançados. Tese de doutorado. Universidade Federal do Paraná, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Curitiba. 2012.
CATANHO, M.; MALPASS, G. R. P.; MOTHEO, A. J. Avaliação Dos Tratamentos Eletroquímico e Fotoeletroquímico Na Degradação De Corantes Têxteis. Quim. Nova, Vol. 29, No. 5, 983-989, 2006.

COLPINI, L.M.S.; LENZI, G.G.; URIO, M.B.; KOCHEPKA, D.M.; ALVES, H.A. Photodiscoloration of textile reactive dyes on Ni/TiO2 prepared by the impregnation method: Effect of calcination temperature. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2, 2365, 2014.
HOFFMANN, M. R.; MARTIN, S. T.; CHOI, W.; BAHNEMANN, D. W. Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis. Chem. Rev. (Washington, DC, U.S.), 95, 69, 1995.
KUNZ, A.; PERALTA-ZAMORA, P. Novas tendências no tratamento de efluentes têxteis. Química Nova, vol. 25, n. 1, 78-82, 2002.
MAILLARD-DUPUY, C.; GUILLARD, C.; PICHAT, P. New J. Chem. 18, 941. 10, 1994.
MILLS, A.; DAVIES, R. H.; WORSLEY, D. Chem. Soc. Rev., 22, 417, 1993.

NOGUEIRA, R. F. P.; JARDIM, W. F. A fotocatálise heterogênea e sua aplicação ambiental. Química Nova, vol. 21, n.1, 69-72, 1998.
UNICAMP. Disponível em: <http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/novembro2003/ ju238pag04.html>, acessada em março 2018.
ZOLLINGER, H., Color Chemistry: synthesis, properties and applications of organic dyes and pigments, 2a edição, V. C. H., New York, 1991.