PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL E OTIMIZAÇÃO DA FOTODESCOLORAÇÃO DE CORANTE ALIMENTÍCIO UTILIZANDO CATALISADORES DE Zn/Fe/TiO2

Área

Catálise

Autores

Castro, L.E.N. (UFPR) ; Almeida, L.N.B. (UTFPR) ; Arantes, M.K. (UFPR) ; Lenzi, G.G. (UTFPR) ; Colpini, L.M.S. (UFPR)

Resumo

Neste trabalho foi realizado o estudo da descoloração fotocatalítica do corante amarelo tartrazina utilizando catalisadores de Zn/Fe/TiO2, além do estudo da otimização dos dados. Os catalisadores foram sintetizados de acordo com um planejamento fatorial 22 pelo método de impregnação por excesso de solvente. Os testes fotocatalíticos foram realizados em presença de luz solar e os dados foram ajustado usando três modelos cinéticos, além de análise estatística com α = 0,05. Notou-se que o modelo cinético BMG apresentou o melhor ajuste para os dados da cinética. Através da análise estatística foi possível determinar que a temperatura de calcinação teve forte influência sobre a porcentagem de descoloração, sendo a temperatura de 200 ºC a que apresentou o maior valor de descoloração.

Palavras chaves

Amarelo tartrazina; Fotocatálise; Efluente alimentício

Introdução

O descarte dos efluentes coloridos no ecossistema é uma fonte dramática de poluição estética, de eutrofização e de perturbações na vida aquática. A necessidade por tratamentos eficazes desses efluentes vem-se tornando uma preocupação crescente (Gogate et al., 2004; Augugliaro et al., 2006). Neste sentido, 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, que pode ser uma forma eficiente e versátil de controle da poluição aquosa causada por efluentes coloridos (Cervantes et al., 2009). Nela é utilizada radiação proveniente de luz solar para ativar um semicondutor, que dará início a reações de oxirredução, degradando ou mineralizando compostos orgânicos (Mills et al., 1993; Catanho et al., 2006). Com a ideia de se aumentar cada vez mais a eficiência e baratear os custos do processo, muitas vezes as etapas de síntese desses semicondutores são submetidas a ferramentas de planejamento de experimentos e modelagem de dados de descoloração, com o intuito de se encontrar os melhores parâmetros e condições experimentais, otimizando o número de experimentos e consequentemente diminuindo o gasto com matéria prima e maximizando os valores de descoloração obtidos (Khan et al, 2010). Assim, o objetivo deste trabalho foi o de avaliar o processo de descoloração do corante alimentício amarelo tartrazina através de reações fotocatalíticas assistidas por luz solar, utilizando catalisadores de Zn/Fe/TiO2 e posterior otimização e modelagem dos dados obtidos.

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%) e cloreto de ferro III (FeCl3) (Synth teor mínimo 97%), de acordo com COLPINI et al., 2014. Os testes fotocatalíticos foram realizados sob luz solar, utilizando solução do corante amarelo tartrazina a 10 mg L-1, onde 50 mg do catalisador foi adicionado a 150 mL da solução. A porcentagem de descoloração das soluções em função do tempo foi determinada através de medidas espectrofotométricas, realizadas no comprimento de onda de absorção máxima, λ = 427 nm. Os dados de descoloração foram modelados cineticamente, através dos modelos de pseu-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e BMG e avaliados através de análise estatística com α = 0,05, onde o efeito da carga metálica de Zn e a temperatura sob a porcentagem de descoloração foi estudado.

Resultado e discussão

A Figura 1 apresenta os dados de descoloração para as soluções do corante amarelo tartrazina. De maneira geral os catalisadores calcinados a temperatura mais baixas apresentaram os maiores valores de descoloração. Na Figura 1 a) os catalisadores obtiveram descoloração de aproximadamente 35%, enquanto que na Figura 1 c) foi possível observar que a porcentagem de descoloração cai drasticamente alcançando valores próximos a 14%. Essa baixa descoloração pode ser explicada pela possível sinterização que o material pode ter sofrido a temperatura de 400 ºC, fazendo com que sua estrutura fosse modificada de maneira que dificultasse a atividade catalítica. Foi possível observar que o ajuste para os modelos cinéticos de pseudo- primeira e pseudo-segunda ordem não foram bons, uma vez que os coeficientes de correlação (R2) foram baixos. No entanto, os maiores valores para R2 foram obtidos com o modelo BMG, indicando que ele ajustou os dados da melhor maneira (R2 > 0,921). Na Figura 2 está apresentado o modelo de superfície de resposta de primeira ordem obtido com os dados. A partir da Figura 2, foi possível observar que o ajuste ótimo que maximiza a porcentagem de descoloração foi obtido quando fixamos o valor da temperatura de calcinação em 200 ºC, o que nos entregou uma descoloração de aproximadamente 35%.

Descoloração das soluções do corante para os materiais Zn/Fe/TiO2: a) calcinados a 200 ºC, b) calcinados a 300 ºC e c) calcinados a 400 ºC.


Gráficos do modelo de superfície de resposta de primeira ordem: a) Curvas de nível e b) Superfície de resposta.

Conclusões

Neste trabalho foi demonstrado que os catalisadores Zn/Fe/TiO2 foram obtidos pelo método de impregnação por excesso de solvente e a variação dos fatores, temperatura de calcinação e carga metálica de Zn tiveram efeito significativo sobre a porcentagem de descoloração de soluções aquosas do corante alimentício amarelo tartrazina. Através da análise estatística foi possível concluir que a temperatura de calcinação teve forte efeito estatístico sobre a porcentagem de descoloração.

Agradecimentos

Referências

AUGUGLIARO, V.; LITTER, M., PALMISANO, L.; SORIA, J.; J. The combination of heterogeneous photocatalysis with chemical and physical operations: A tool for improving the photoprocess performance. Photochem. Photobiol., C, 7, 127, 2006.

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.

CERVANTES, Thiago N. M.; ZAIA, Dimas A. M. e SANTANA, Henrique de. Estudo da fotocatálise heterogênea sobre Ti/TiO2 na descoloração de corantes sintéticos. Quím. Nova [online]. 2009, vol.32, n.9, pp.2423-2428. ISSN 0100-4042.

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.

GOGATE, P. R.; PANDIT, A. B. A review of imperative technologies for wastewater treatment I: oxidation technologies at ambient conditions. Adv. Environ. Res. 8, 501, 2004.

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.

KHAN H, AHMAD N, YASAR A, SHAHID R, POL. J. ENVIRON. STUD., 19(1), 83, 2010

MILLS, A.; DAVIES, R. H.; WORSLEY, D. Chem. Soc. Rev., 22, 417, 1993.