Tecnologias eletroquímica: caracterização de reator, degradação e detecção de norfloxacina
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Autor(a) principal: | |
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| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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| Instituição de defesa: |
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
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| País: |
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/62678 |
Resumo: | Water contamination has become an emerging priority in recent years, consequently, the development of methodologies aimed at treating and monitoring water and effluents has grown significantly, and electrochemical technology stands out both in the development of sensors and in the application of advanced oxidative processes. electrochemicals (POAEs). In this research, electrochemical methodologies were used both in the characterization of a flow reactor with Ti/TiO2RuO2IrO2 plates (anode) and Ti (cathode), and for the degradation and detection of norfloxacin (NOR). The diffusion limit current technique was used to determine the experimental mass transfer coefficients (km) and the dimensionless numbers at different flow rates (25, 75, 250 and 500 L h ̶ 1). Computational fluid dynamics (CFD) was used to evaluate the flow velocity distribution within the reactor. The km values and CFD simulation showed a system totally dependent on flow, the correlation of dimensionless numbers indicated a predominance of turbulent regime. The optimal condition for using the proposed reactor was at a flow rate of 500 L h ̶ 1 (km = 1.9 × 10 ̶ 4 m s ̶ 1) and its efficiency was confirmed by electrochemical oxidation studies of 2.5 × 10−4 mol L−1 of NOR, at different current densities (j). The degradation process was monitored by UV-visible spectroscopy, with decreases of 70%, 92% and 85% in the initial concentration of the drug, and in total organic carbon with mineralization of 28%, 42% and 36%, for the j of 20, 40 and 60 mA cm ̶ 2 , respectively. Ion chromatography indicated the formation of short-chain organic acids (formic and acetic) at the end of electrolysis. The biodegradability index (BOD5/COD ≥ 0.5) showed that after the electrochemical treatment the substrate was converted into a more biodegradable material. An amperometric sensor was developed, using a carbon fiber rod (FC) to monitor online the degradation process of the NOR molecule via POAEs. The electroactivity study of NOR on FC using Britton Robson buffer at pH 2.0 showed an irreversible oxidation peak at 1.13 V vs. Ag/AgCl(sat). The study of pH (2.0 – 9.0) indicated that the determining step of the reaction involved 1 proton and 1 electron in an EC mechanism; potential sweep velocity study indicated a mixed adsorption-diffusion process. In the amperometric analysis, the potential was set at 1.2 V. The calibration curve presented a linear range between 1.6 µmol L ̶ 1 and 30.0 µmol L ̶ 1, with R2 = 0.998 and detection and quantification limits of 0.5 and 1.8 µmol L ̶ 1, respectively. Reproducibility and repeatability presented a relative standard deviation of 2.1% and 2.9%, respectively. The applicability of the proposed sensor was compared with the spectrophotometric method by monitoring the NOR degradation process by POAEs, and the results obtained were in agreement. In this way, electrochemical methodologies can be effectively applied from different perspectives, both in monitoring and mitigating environmental pollutants. |
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Tecnologias eletroquímica: caracterização de reator, degradação e detecção de norfloxacinaEletroquímicaProcessos oxidativos avançados eletroquímicoFluidodinâmica computacionalÍndice de biodegradabilidadeEletroanáliseFármacoCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICAWater contamination has become an emerging priority in recent years, consequently, the development of methodologies aimed at treating and monitoring water and effluents has grown significantly, and electrochemical technology stands out both in the development of sensors and in the application of advanced oxidative processes. electrochemicals (POAEs). In this research, electrochemical methodologies were used both in the characterization of a flow reactor with Ti/TiO2RuO2IrO2 plates (anode) and Ti (cathode), and for the degradation and detection of norfloxacin (NOR). The diffusion limit current technique was used to determine the experimental mass transfer coefficients (km) and the dimensionless numbers at different flow rates (25, 75, 250 and 500 L h ̶ 1). Computational fluid dynamics (CFD) was used to evaluate the flow velocity distribution within the reactor. The km values and CFD simulation showed a system totally dependent on flow, the correlation of dimensionless numbers indicated a predominance of turbulent regime. The optimal condition for using the proposed reactor was at a flow rate of 500 L h ̶ 1 (km = 1.9 × 10 ̶ 4 m s ̶ 1) and its efficiency was confirmed by electrochemical oxidation studies of 2.5 × 10−4 mol L−1 of NOR, at different current densities (j). The degradation process was monitored by UV-visible spectroscopy, with decreases of 70%, 92% and 85% in the initial concentration of the drug, and in total organic carbon with mineralization of 28%, 42% and 36%, for the j of 20, 40 and 60 mA cm ̶ 2 , respectively. Ion chromatography indicated the formation of short-chain organic acids (formic and acetic) at the end of electrolysis. The biodegradability index (BOD5/COD ≥ 0.5) showed that after the electrochemical treatment the substrate was converted into a more biodegradable material. An amperometric sensor was developed, using a carbon fiber rod (FC) to monitor online the degradation process of the NOR molecule via POAEs. The electroactivity study of NOR on FC using Britton Robson buffer at pH 2.0 showed an irreversible oxidation peak at 1.13 V vs. Ag/AgCl(sat). The study of pH (2.0 – 9.0) indicated that the determining step of the reaction involved 1 proton and 1 electron in an EC mechanism; potential sweep velocity study indicated a mixed adsorption-diffusion process. In the amperometric analysis, the potential was set at 1.2 V. The calibration curve presented a linear range between 1.6 µmol L ̶ 1 and 30.0 µmol L ̶ 1, with R2 = 0.998 and detection and quantification limits of 0.5 and 1.8 µmol L ̶ 1, respectively. Reproducibility and repeatability presented a relative standard deviation of 2.1% and 2.9%, respectively. The applicability of the proposed sensor was compared with the spectrophotometric method by monitoring the NOR degradation process by POAEs, and the results obtained were in agreement. In this way, electrochemical methodologies can be effectively applied from different perspectives, both in monitoring and mitigating environmental pollutants.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESA contaminação hídrica tornou-se prioridade emergente nos últimos anos, consequentemente, o desenvolvimento de metodologias destinadas ao tratamento e ao monitoramento de água e efluentes cresceu significativamente, e a tecnologia eletroquímica destaca-se tanto no desenvolvimento de sensores quanto na aplicação dos processos oxidativos avançados eletroquímicos (POAEs). Nesta pesquisa, utilizou-se as metodologias eletroquímicas tanto na caracterização de um reator de fluxo com placas de Ti/TiO2RuO2IrO2 (ânodo) e Ti (cátodo), quanto para degradação e detecção da norfloxacina (NOR). A técnica de corrente limite de difusão foi utilizada para determinar os coeficientes de transferência de massa (km) experimental e os números adimensionais em diferentes vazões (25, 75, 250 e 500 L h ̶ 1). A fluidodinâmica computacional (CFD) foi utilizada para avaliar a distribuição da velocidade de fluxo dentro do reator. Os valores de km e a simulação por CFD mostraram um sistema totalmente dependente da vazão, a correlação dos números adimensionais indicaram uma predominância de regime turbulento. A condição ótima para utilização do reator proposto foi na vazão de 500 L h ̶ 1 (km = 1,9 × 10 ̶ 4 m s ̶ 1) e sua eficiência foi confirmada pelos estudos de oxidação eletroquímica de 2,5 × 10−4 mol L−1 da NOR, em diferentes densidades de corrente (j). O processo de degradação foi acompanhado por espectroscopia UV-visível, com decréscimos de 70%, 92% e 85% da concentração inicial do fármaco, e do carbono orgânico total com mineralização de 28%, 42% e 36%, para as j de 20, 40 e 60 mA cm ̶ 2, respectivamente. A cromatografia de íons indicou a formação de ácidos orgânicos de cadeia curta (fórmico e acético) ao final da eletrólise. O índice de biodegradabilidade (DBO5/DQO ≥ 0,5) mostrou que após o tratamento eletroquímico o substrato converteu-se em um material mais biodegradável. Foi desenvolvido um sensor amperométrico, utilizando uma haste da fibra de carbono (FC) para acompanhar online o processo de degradação da molécula da NOR via POAEs. O estudo de eletroatividade da NOR sobre a FC usando tampão Britton Robson em pH 2,0 mostrou um pico de oxidação irreversível em 1,13 V vs. Ag/AgCl(sat) . O estudo do pH (2,0 – 9,0) indicou que a etapa determinante da reação envolveu 1 próton e 1 elétron em um mecanismo EC; o estudo de velocidade de varredura de potencial indicou um processo misto de adsorção-difusão. Na análise amperométrica fixou-se o potencial de 1,2 V. A curva de calibração apresentou uma faixa linear entre 1,6 µmol L ̶ 1 e 30,0 µmol L ̶ 1, com R2 = 0,998 e limites de detecção e quantificação de em 0,5 µmol L−1 e 1,8 µmol L−1 , respectivamente. A reprodutibilidade e repetibilidade apresentaram um desvio padrão relativos de 2,1% e 2,9%, respectivamente. A aplicabilidade do sensor proposto foi comparada com o método espectrofotométrico por meio do monitoramento do processo de degradação da NOR por POAEs, e os resultados obtidos foram concordantes. Desta forma, as metodologias eletroquímicas podem ser aplicadas eficazmente sob diferentes perspectivas, tanto no monitoramento quanto na mitigação de poluentes ambientais.Universidade Federal do Rio Grande do NorteBrasilUFRNPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICAHuitle, Carlos Alberto Martinezhttp://lattes.cnpq.br/9445791086066173http://lattes.cnpq.br/2485073932883264Castro, Suely Souza Leal dehttps://orcid.org/0000-0002-5299-8592http://lattes.cnpq.br/9860381828526444Castro, Pollyana SouzaSantos, Elisama Vieira dosAraújo, Danyelle Medeiros deSantos, José Eudes LimaMorais, Crislânia Carla de Oliveira2025-02-12T20:12:15Z2025-02-12T20:12:15Z2024-01-31info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfMORAIS, Crislânia Carla de Oliveira. Tecnologias eletroquímica: caracterização de reator, degradação e detecção de norfloxacina. Orientador: Dr. Carlos Alberto Martínez-Huitle. 2024. 140f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2024.https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/62678info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRN2025-02-12T20:12:58Zoai:repositorio.ufrn.br:123456789/62678Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/repositorio@bczm.ufrn.bropendoar:2025-02-12T20:12:58Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false |
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