Concepção, construção e avaliação de fotorreatores catalisados na degradação de carga poluente e amoxicilina em efluente hospitalar

The focus of this study was the application of advanced oxidation photoprocesses, heterogeneous photocatalysis and photo-Fenton, in the degradation of pollutant load and amoxicillin in wastewater from the University Hospital of Santa Maria (HUSM), evaluating the photoreactors performance in the degr...

Nível de Acesso:openAccess
Publication Date:2008
Main Author: Frank, Carla da Silveira lattes
Orientador/a: Martins, Ayrton Figueiredo lattes
Banca: Silveira, Djalma Dias da lattes, Paniz, José Neri Gottfried lattes, Mortari, Sergio Roberto lattes, Machado, ênio Leandro lattes
Format: Tese
Language:por
Published: Universidade Federal de Santa Maria
Programa: Programa de Pós-Graduação em Química
Department: Química
Assuntos em Português:
Áreas de Conhecimento:
Online Access:http://repositorio.ufsm.br/handle/1/4168
Citação:FRANK, Carla da Silveira. Concepção, construção e avaliação de fotorreatores catalisados na degradação de carga poluente e amoxicilina em efluente hospitalar. 2008. 87 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2008.
Resumo Português:No presente estudo o enfoque foi a aplicação dos fotoprocessos avançados de oxidação, fotocatálise heterogênea e foto-Fenton, na degradação de carga poluente e amoxicilina em efluente do Hospital Universitário de Santa Maria (HUSM), avaliando o desempenho dos fotorreatores na eficiência de degradação. No efluente hospitalar existe uma grande variedade de fármacos nocivos ao meio ambiente, sendo necessário o emprego de um tratamento capaz de degradá-los. Uma alternativa para o tratamento desses compostos tóxicos e recalcitrantes é a aplicação de processos avançados de oxidação (PAOs), os quais baseiam-se na geração de espécies radicalares, como o radical hidroxila (HO·) que oxida de forma não seletiva, termodinâmica e cineticamente favorável uma ampla gama de compostos, incluindo os xenobióticos fármacos. O efluente do HUSM foi tratado por processos de fotocatálise heterogênea e foto-Fenton, aplicando metodologia de superfície de resposta (RSM, do inglês response surface methodology ) para adequação da eficiência de redução da demanda química de oxigênio (DQO). Para o tratamento das amostras foram usados o fotorreator frasco de Dewar, com recirculação, e o fotorreator de discos rotativos, tipo batelada e com TiO2 suportado. Os dois reatores possuem capacidade para 1800 mL e a radiação ultravioleta (UV) é emitida por lâmpada de vapor de mercúrio de média pressão (125 W e intensidade de 401 W m-2). A fim de quantificar a energia luminosa emitida pela lâmpada que é convertida em energia química foi usado o actinômetro ferrioxalato de potássio, medindo o fluxo de fótons (1,71⋅10-5 ± 1,25⋅10-7 mol s-1 no fotorreator frasco de Dewar e 9,25⋅10-6 ± 1,86⋅10-7 mol s-1 no fotorreator de discos rotativos). No fotorreator frasco de Dewar o abatimento da DQO do efluente hospitalar atingiu 44% no tratamento por fotocatálise heterogênea e 65% por foto-Fenton; no tratamento do efluente hospitalar por fotocatálise heterogênea em fotorreator de discos rotativos foi obtido 36% de redução da DQO. A toxicidade aguda (LC50) do efluente hospitalar foi avaliada por meio do bioindicador Artemia salina. A evolução da toxicidade aguda no tratamento do efluente hospitalar por fotocatálise heterogênea (pH 3, 800 mg/L de TiO2 e 30 °C) atingiu inibição da toxicidade de 46% e, 44%, quando tratado por processo foto-Fenton (pH 3, 528 mg L-1 de H2O2 e 255 mg L-1 de Fe2+). A eficiência de degradação da amoxicilina foi avaliada com auxílio de HPLC (cromatografia líquida de alta eficiência, do inglês high performance liquid chromatography ), λmáx = 238 nm, a fase móvel usada foi MeOH:H2O:0,01 mol L-1 KH2PO4 (20:70:10, v/v) em pH 4. A amoxicilina adicionada ao efluente hospitalar (0,1 mg L-1), quando tratada em fotorreator frasco de Dewar, atingiu 100% de degradação depois de 30 min de tratamento por processo de fotocatálise heterogênea e 85% de degradação em 60 min tratamento por processo foto-Fenton. E, quando usado o fotorreator de discos rotativos, 100% da amoxicilina foi degradada depois de 60 min de tratamento. A eficiência fotônica foi menor no fotorreator de discos rotativos (3,77 ± 0,19%) que no fotorreator frasco de Dewar (30,00 ± 0,67% para o processo foto-Fenton e para o processo de fotocatálise heterogênea 19,02 ± 0,88%). O desenho do fotorreator frasco de Dewar tornou possível a obtenção de bons resultados; o formato cilíndrico e a parede espelhada diminuem as perdas da radiação, raios paralelos quando incidem à parede côncava espelhada do reator retornam de forma convergente sobre as partículas de TiO2 ou de reagente Fenton, permitindo que a radiação emitida atinja outros pontos do reator. Quando o TiO2 está imobilizado, ocorre um pouco de resistência à transferência de massa entre radicais hidroxila e os compostos orgânicos em solução. No entanto, existem vantagens em se trabalhar com o catalisador na forma imobilizada, em vez de em suspensão, porque evita a etapa de separação posterior ao tratamento, o que torna possível seu reaproveitamento; além disso, permite operação contínua. O desempenho dos fotorreatores de discos rotativos e frasco de Dewar no tratamento do efluente hospitalar e da solução de amoxicilina por processos de fotocatálise heterogênea e foto-Fenton foram satisfatórios.
Resumo inglês:The focus of this study was the application of advanced oxidation photoprocesses, heterogeneous photocatalysis and photo-Fenton, in the degradation of pollutant load and amoxicillin in wastewater from the University Hospital of Santa Maria (HUSM), evaluating the photoreactors performance in the degradation efficiency. In the hospital wastewater there is a wide variety of harmful pharmaceuticals to the environment, consequently, it is necessary to use efficient treatment to degrade them. An alternative for the treatment of these toxic compounds and recalcitrant is the application of advanced oxidation processes (AOPs), which are based on the generation of radical species, such as the hydroxyl radical (HO·), which act as strong oxidizing agents, which have emerged as a promising technology for the degradation a wide range of compounds, including xenobiotic pharmaceuticals, pollutants to convert them in to innocuous end products such as CO2 and H2O. The wastewater from the University Hospital of Santa Maria (HUSM) was treated by heterogeneous photocatalytic process and photo-Fenton process using the Response Surface Methodology (RSM) for the optimization of the removal efficiency of the chemical oxygen demand (COD). For the sample treatment, the photoreactor type Dewar-like, with recirculation, and rotating disc photoreactor, type batch and with TiO2 supported, were used. The two reactors have capacity for 1800 mL and the ultraviolet (UV) radiation is emitted by medium pressure mercury vapor lamp (125 W and intensity of 401 W m-2). In order to quantify the luminous energy emitted by the lamps that is converted in chemical energy a potassium ferrioxalate actinometry solutions was used, measuring the photon flux (q = 1.71⋅10-5 ± 1.25⋅10-7 in Dewar-like photoreactor and q = 9.25⋅10-6 ± 1.86⋅10-7 mol s-1 in rotating disc photoreactor). In the Dewar-like photoreactor, the abatement COD of hospital wastewater has reached 44% in the treatment by heterogeneous photocatalysis and 65% by photo-Fenton; in the hospital wastewater treatment by heterogeneous photocatalysis in rotating disc photoreactor, a COD reduction of 36% was obtained. The toxicity (LC50 values, median lethal concentration) of the hospital wastewater pre- and post-treatment was determined by means of the bioassay Artemia salina. The evolution of acute toxicity in the hospital wastewater treatment attained a 46% toxicity inhibition by heterogeneous photocatalysis (pH 3, 800 mg L-1 of TiO2 and 30 °C) and 44% by photo-Fenton process (pH 3, 528 mg L-1 of H2O2 e 255 mg L-1 of Fe2+). The amoxicillin degradation efficiency was evaluated through HPLC-UV (high performance liquid chromatography), λmax = 238 nm, using the mobile phase methanol: water:0.01 mol L-1 KH2PO4 (20:70:10, v/v) at pH 4. Employing the Dewar-like photoreactor, a 100% of amoxicillin degradation in hospital wastewater was attained after 30 min by heterogeneous photocatalysis treatment and 85% of amoxicillin degradation was attained after 60 min by photo-Fenton treatment. When the rotating disc photoreactor was used, 100% of amoxicillin degradation in hospital wastewater was attained after 60 min of treatment. The photonic efficiency was lower in the rotating disc photoreactor (3.77 ± 0.19%) than in the Dewar-like photoreactor (30.00 ± 0.67% for the photo-Fenton process and 19.02 ± 0.88% for the heterogeneous photocatalysis process). The Dewar-like photoreactor design has made it possible to achieve good results; the cylindrical shape and the wall mirror decrease the radiation losses, when the parallel rays focus the concave mirror on the reactor wall, they in return converged on the particles of TiO2 or Fenton reagent, allowing the radiation to reach other reactor parts. When the TiO2 is immobilized, there is a little resistance to the mass transfer between hydroxyl radicals and organic compounds in solution. However, there are advantages in working with the catalyst in the immobilized form, instead of in suspension, because it avoids the separation stage after the treatment, what makes their reuse possible; in addition, it allows continuous operation. The rotating disc and Dewar-like photoreactors performance in the treatment of hospital wastewater and of amoxicillin solution by heterogeneous photocatalysis and photo-Fenton processes were satisfactory.