MODELAGEM E OTIMIZAÇÃO DE DADOS DE FOTODESCOLORAÇÃO DE CORANTE ALIMENTÍCIO UTILIZANDO CATALISADORES DE Fe/Zn/TiO2

Área

Catálise

Autores

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

Resumo

Neste trabalho foi realizado o estudo da descoloração fotocatalítica do corante Vermelho 40 utilizando catalisadores de Zn/Fe/TiO2, além do estudo da otimização dos dados. Os catalisadores foram sintetizados de acordo com um planejamento fatorial 23 pelo método sol gel. 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 todos os parâmetros analisados tiveram forte influência sobre a porcentagem de descoloração, sendo a temperatura de 400 ºC e as porcentagens de Zn e Fe em 10%, as que apresentaram o maior valor de descoloração.

Palavras chaves

vermelho 40; fotocatalise; efluente alimenticio

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 vermelho 40 através de reações fotocatalíticas assistidas por luz solar, utilizando catalisadores de Fe/Zn/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 Fe/Zn/TiO2 foram sintetizados de acordo com um planejamento fatorial 2³ onde variou-se a carga metálica de zinco e ferro 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., 2008. Os testes fotocatalíticos foram realizados sob luz solar, utilizando solução do corante vermelho 40 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 = 504 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 Fe 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 vermelho 40. De maneira geral os catalisadores calcinados a temperatura mais altas e com as maiores cargas metálicas apresentaram os maiores valores de descoloração. Na Figura 1 a) e b) os catalisadores obtiveram descoloração de no máximo 60%, enquanto que na Figura 1 c) foi possível observar que a porcentagem de descoloração aumenta alcançando valores próximos a 100%. Essa baixa descoloração pode ser explicada pela baixa área superficial dos materiais calcinados a temperatura baixa, fazendo com que sua estrutura dos materiais dificultassem 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 > 0,980). Na Figura 2 está apresentado o modelo de superfície de resposta de segunda 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 400 ºC e com as cargas metálias de Zn e Fe em 10%, o que nos entregou uma descoloração de aproximadamente 100%.

Descoloração das soluções do corante para os materiais Fe/Zn/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 segunda ordem: a) Curvas de nível e b) Superfície de resposta.

Conclusões

Neste trabalho foi demonstrado que os catalisadores Fe/Zn/TiO2 foram obtidos pelo método solgel e a variação dos fatores, temperatura de calcinação e carga metálica de Zn e Fe tiveram efeito significativo sobre a porcentagem de descoloração de soluções aquosas do corante alimentício vermelho 40. Através da análise estatística foi possível concluir que todos os parâmetros variados tiveram forte efeito estatístico sobre a porcentagem de descoloração, sendo os níveis mais altos os que obtiveram as maiores porcentagens de descoloração.

Agradecimentos

Referências

UGUGLIARO, 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.

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COLPINI, L.M.S.; ALVES, H.J.; SANTOS, O.A.A.; COSTA, C.M.M. Discoloration and degradation of textile dye aqueous solutions with titanium oxide catalysts obtained by the sol–gel method, Dyes Pigm. 2008; 76, 525-529.

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