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Programa de Mestrado em Química dos Recursos Naturais
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
LUZ SOLAR E TiOLUZ SOLAR E TiO22 NA FOTONA FOTO--REMEDIAÇÃO DE REMEDIAÇÃO DE SOLOS DO PARANÁ CONTAMINADOS COM SOLOS DO PARANÁ CONTAMINADOS COM
PETRÓLEOPETRÓLEO
Mestrando: LEANDRO F. MAZZOCHIN Mestrando: LEANDRO F. MAZZOCHIN Orientadora: Profa. Dra. CARMEN L. B. GUEDESOrientadora: Profa. Dra. CARMEN L. B. GUEDES
INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO• Composição de petróleo:
• Variável de acordo com local e tipo de petróleo;
• Frações: alifática (60%), aromática (20-45%), polar (<1%) e
asfalteno (0-40%)
• Intemperismo de petróleo:
• Físico: evaporação, difusão, emulsificação, dissolução e adsorção;• Biológico: consumo microbiológico;• Químico: degradação fotoquímica.
• Interação solo-hidrocarboneto de petróleo:
• Encapsulamento nos poros;• Sorção em minerais: intercalação em camadas de silicato;• Sorção na matéria orgânica (MO); • Dissolução na água do solo: dependente da solubilidade
• A matriz de solo:
• Composta de camadas (perfil do solo);
• Componentes inorgânicos (gerados pelo intemperismo das rochas);
• Matéria orgânica:
• Gerada pela decomposição de resíduos das plantas e animais;
• Alta capacidade de interação com outros componentes;
• Substâncias húmicas:
• Grande reatividade com íons ou moléculas presentes na solução do solo;
• Atuam como ácido de Lewis devido aos grupos funcionais presentes em sua estrutura.
-Maior reatividade que os minerais devido a grande área superficial-
-Compostos hidrofóbicos se adsorvem no carbono orgânico do solo-
Principais grupos funcionais na matéria orgânica do solo.
Capacidade de perder ou receber íons H+ é responsável pela geração de cargas na MOS.
MEURER, 2000.
Distribuição de fases do petróleo no solo:
• Fase livre: ocorre em fase separada no topo do freático e apresenta mobilidade no meio poroso;
• Fase residual: ocorre em fase separada no solo e não apresenta mobilidade;
• Fase dissolvida: ocorre em solução aquosa no solo. É responsável pelo transporte do poluente a grandes distâncias da fonte;
• Fase adsorvida: ocorre retido na fase sólida e não apresenta mobilidade.
Propriedades de partição:
• Pressão de vapor - fases livre e residual para fase vapor;
• Solubilidade - fases livre e residual para fase dissolvida.
Degradação fotossensibilizadaHPAs de petróleo absorvem fortemente na região do UV (HPAs de petróleo absorvem fortemente na região do UV (λλ > 300 > 300 nmnm) e ) e
visível presente na radiação solar.visível presente na radiação solar.
Mecanismo de Mecanismo de fotossensibilizaçãofotossensibilização de HPAs inclui oxigênio singleto na fotode HPAs inclui oxigênio singleto na foto--oxigenação de petróleo.oxigenação de petróleo.
Formação de oxigênio singletoFormação de oxigênio singleto
S = sensibilizadores: porfirinas e S = sensibilizadores: porfirinas e HPAsHPAsISC = cruzamento entre sistemasISC = cruzamento entre sistemas
Formação de intermediários e produtos polaresCH3
CH3
O OO
O
CH3
CH3
O
OH CH2OH
O
O
OH CH3
OH CH3
hν
ou ∆ +
+
+
CH3
CH3
CH3
CH3
O Ohν,O2
CH3
CH3
O OO
O
CH3
CH3
O
OH CH2OH
O
O
OH CH3
OH CH3
hν
ou ∆ +
+
+
CH3
CH3
CH3
CH3
O Ohν,O2
endoperóxido
fotoprodutos oxigenados
LOPES e ANDRADE, 1996.
Adsorção de água na partícula do semicondutor e Adsorção de água na partícula do semicondutor e formação de radical hidroxilaformação de radical hidroxila
TiIV– H2O + h+
BV → TiIV (•OH) + H+
TiIV–OH + h+
BV → TiIV (•OH)
TiIV–•OH + e-
BC → TiIII–OH
TiIV + e-BC→ TiIII
OBJETIVOSOBJETIVOS
•• Utilizar a Utilizar a fotocatálisefotocatálise heterogênea com heterogênea com TiOTiO22(P25 degussa) e aproveitamento de luz solar na tentativa de (P25 degussa) e aproveitamento de luz solar na tentativa de eliminar ou reduzir refratários de petróleo em solo;eliminar ou reduzir refratários de petróleo em solo;
•• Avaliar a contribuição do teor de matéria orgânica do solo Avaliar a contribuição do teor de matéria orgânica do solo durante o processo de degradação natural e fotocatalítico de durante o processo de degradação natural e fotocatalítico de petróleo.petróleo.
PARTE EXPERIMENTALPARTE EXPERIMENTAL
COLETA de solo certificado• Área experimental do IAPAR em Londrina
• Solo Café: coletado em área de plantio de café• Solo Floresta: coletado em área de mata nativa
• seco ao ar, homogeneizado e peneirado.
• 1700 kg de solo em cada amostra.
• secagem a 40 ºC por 24 h;
• adição de 250 mL de petróleo.
PREPARO do solo PREPARO do solo (simulação de (simulação de derramamento de petróleo)derramamento de petróleo)
Determinação do teor de MOS - método Walkley-BlackDeterminação do pH do solo - método do CaCl2
APLICAÇÃO DE TiO2
• Suspensão aquosa: 2 g de TiO2 para 1 L de água
• Borrifada: em torno de 5 mL
EXPOSIÇÃO DAS AMOSTRAS AO SOL
• Período de exposição: entre 9:00 e 15:00 h
• Intervalos de coleta e análise: 1h, 2h, 5h, 10h, 15h, 20h, 30h, 40h, 50h, 60h, 75h e 100h
• 20g de solo coletado em cada intervalo
MONITORAMENTO DE SOLO CONTAMINADO COM PETRÓLEOMONITORAMENTO DE SOLO CONTAMINADO COM PETRÓLEO
• Área de 10 m2 próxima a Refinaria Presidente Getúlio Vargas (REPAR/PETROBRAS) em Araucária no Paraná.
• Aplicação de TiO2 em suspensão aquosa no solo
• Monitoramento do solo superficial
Área de amostragem do solo na REPAR
Local 2 Local 3
Local 4Local 1
Local 5
Solo sem aplicação de TiO2
EXTRAÇÃO ÓLEO/SOLOEXTRAÇÃO ÓLEO/SOLO
Solo da REPAR Escala de Campo
Solo Café e Floresta Escala Laboratorial
Filtradose armazenados (5ºC)
Agitação mecânica200 rpm/ 1h
Adição de250 mL de diclorometano
Secagem a vácuo(1h e 30 min)
30 g do solo contaminado
Filtradose armazenados (5ºC)
Agitação mecânica200 rpm/ 1h
Adição de250 mL de diclorometano
20 g de solo contaminado
ANÁLISE DE SOLOANÁLISE DE SOLO
• Espectroscopia de Fluorescência
- Extratos de solo Café e Floresta
• modo synchronous
• intervalo entre monocromadores - 30 nm
• scan de emissão - 280 a 800nm
- Extratos de solo REPAR
• modo synchronous
• intervalo entre os monocromadores - 20 nm
• scan de emissão - 250 a 800nm
ANÁLISE DE SOLOANÁLISE DE SOLO
• Cromatografia Gasosa / DIC (SHIMADZU GC-17A)
• Filtração em membrana PTFE 0,22 µm (Milipore)
• Condições cromatográficas (solos Café e Floresta)• volume de injeção: 1 µL• coluna HP-1 30 m; 0,25 mm• temperatura injetor: 250oC• temperatura detector: 330oC • rampa de temperatura: 12oC/minTinicial 60oC Tfinal 300oC (10min)• vazão do gás: 1mL/min• modo split 1:5• gás de arraste: nitrogênio
ANÁLISE DE SOLOANÁLISE DE SOLO
• Condições cromatográficas (solo da REPAR)
• volume de injeção: 1 µL• coluna DB-1 30 m; 0,25 mm • temperatura injetor: 200oC• temperatura detector: 300oC • rampa de temperatura: 5oC/minTinicial 100oC Tfinal 300oC (10min) • vazão do gás: 1mL/min • modo split 1:1• gás de arraste: nitrogênio
• Padrão cromatográfico (externo)
• Mistura de 16 HPAs (Supelco EPA 610)
• Diluição em diclorometano 1:10 v/v solos Café e Floresta;1:100 v/v solo da REPAR
Composição da mistura padrão (GC-DIC)Pico HPAs Concentração
(µg/mL) 1 Naftaleno 1000 2 Acenaftileno 2000 3 Acenafteno 100 4 Fluoreno 100 5 Fenantreno 200 6 Antraceno 100 7 Fluoranteno 200 8 Pireno 100 9 Benzo(a)antraceno 100
10 Crizeno 200 11 Benzo(a)fluoranteno 200 12 Benzo(k)fluoranteno 200 13 Benzo(a)pireno 100 14 Benzo(1,2,3-cd)pireno 1000 15 Dibenzo(a,h)antraceno 100 16 Benzo(g,h,i)perileno 100
RESULTADOS E DISCUSSÃORESULTADOS E DISCUSSÃO
Matéria orgânica e pH nos solos Matéria orgânica e pH nos solos
Solos Teor de MOS (g/kg) PH
CAFÉ 15,4 4,4
FLORESTA 20,6 3,9
REPAR 45,0 4,0
ANÁLISE POR FLUORESCÊNCIAANÁLISE POR FLUORESCÊNCIA
FLUORESCÊNCIA NO EXTRATO FLUORESCÊNCIA NO EXTRATO DE SOLO FLORESTA DE SOLO FLORESTA
CONTAMINADO COM PETRÓLEOCONTAMINADO COM PETRÓLEO
Irradiação ao Sol
-5
0
5
10
15
20
280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800
nm
inte
nsid
ade
rela
tiva
0h irr15h irr30h irr50h irr75h irr100h irr
Irradiação ao Sol
FLUORESCÊNCIA NO EXTRATO FLUORESCÊNCIA NO EXTRATO DE SOLO FLORESTA DE SOLO FLORESTA
CONTAMINADO COM PETRÓLEOCONTAMINADO COM PETRÓLEO
Irradiação ao Sol e aplicação de TiOIrradiação ao Sol e aplicação de TiO2
-5
0
5
10
15
20
280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800
nm
inte
nsid
ade
rela
tiva
0h irr/TiO215h irr/TiO230h irr/TiO250h irr/TiO275h irr/TiO2100h irr/TiO2
SOLO FLORESTA E CAFÉSOLO FLORESTA E CAFÉ
2
MECANISMO DE DEGRADAÇÃO NATURAL DE PETRÓLEOMECANISMO DE DEGRADAÇÃO NATURAL DE PETRÓLEO
(λ máx de emissão 364 nm) (λ máx de emissão 310 nm)
hν
1O2
hν
Fenantreno Fluoreno
OH H
Rompimento da conjugação do anel aromáticoRedução e deslocamento na fluorescência
DOWTY et al., 1974
MECANISMO DE DEGRADAÇÃO FOTOCALÍTICA DE PETRÓLEOMECANISMO DE DEGRADAÇÃO FOTOCALÍTICA DE PETRÓLEO
Naftaleno Ácido ftálico
MONACI, 1996
Intensidade relativa de fluorescência das frações de petróleo
Solo Floresta após 20 h de exposição ao Sol.
Solo Café após 20 h de exposição ao Sol.
BTEX
HPAs < massa
HPAs > massa
Polar
Asfalteno
315 335 360 420 480comprimento de onda (nm)
inte
nsid
ade
rela
tiva
de fl
uore
scên
cia
ñ-irrirrirr-TiO2
Asfalteno
Polar
HPAs > massa
HPAs < massa
BTEX
315 335 360 420 480comprimento de onda (nm)
inte
nsid
ade
rela
tiva
de fl
uore
scên
cia ñ-irr
irr
irr-TiO2
Solo Floresta após 100 h de exposição ao Sol.
Solo Café após 100 h de exposição ao Sol.
Asfalteno
Polar
HPAs > massa
HPAs < massa
BTEX
315 335 360 420 480comprimento de onda (nm)
inte
nsid
ade
rela
tiva
de fl
uore
scên
cia ñ-irr
irrirr-TiO2
Asfalteno
Polar
HPAs > massa
HPAs < massa
BTEX
315 335 360 420 480comprimento de onda (nm)
inte
nsid
ade
rela
tiva
de fl
uore
scên
cia ñ-irr
irr
irr-TiO2
Interação de HPAs e derivados de petróleo com substâncias húmicas da MOS
OH
OH
+
R
R
HO
R
HO
HOO C
CO2
OH
OH
O
R
R
HO
O
OH
R
HO
C
O
Ácido Húmico Ácido Húmico
Ácido Húmico
HPA
Substâncias húmicas
fotoproduto
fotoproduto
Teor de matéria orgânica definir o tempo de permanência do poluente no solo, contribuindo no processo de sorção e dessorção.
RICHNOW et al., 1997
FLUORESCÊNCIA DE PETRÓLEO NO SOLO REPARFLUORESCÊNCIA DE PETRÓLEO NO SOLO REPAR
Coleta 1
março/2003
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800comprimento de onda (nm)
inte
nsid
ade
rela
tiva
local 1 local 2 local 3 local 4 local 5
BTEX
HPAs POLAR
ASFALTENO
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
comprimento de onda (nm)
inte
nsid
ade
rela
tiva
local 1 c/ TiO2local 2 c/ TiO2local 3 c/ TiO2local 4 c/ TiO2local 5 c/ TiO2sem catalisador
BTEX
HPAs
POLAR
ASFALTENO
Coleta 2 novembro/2003
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
comprimento de onda (nm)
inte
nsid
ade
rela
tiva
local 1 c/ TiO2local 2 c/ TiO2local 3 c/ TiO2local 4 c/ TiO2local 5 c/ TiO2sem catalisador
BTEX
HPAs
POLAR
ASFALTENO
SUBST. HÚMICAS
Coleta 3
fevereiro/2004
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
comprimento de onda (nm)
inte
nsid
ade
rela
tiva
local 1 c/ TiO2local 2 c/ TiO2local 3 c/ TiO2local 4 c/ TiO2local 5 c/ TiO2sem catalisador
BTEXHPAs
POLAR
ASFALTENOSUBST. HÚMICAS
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
comprimento de onda (nm)
inte
nsid
ade
rela
tiva
local 1 c/ TiO2local 2 c/ TiO2local 3 c/ TiO2local 4 c/ TiO2local 5 c/ TiO2sem catalisador
ASFALTENO
HPAs
BTEX
POLAR
SUBST. HÚMICAS
Coleta 4
abril/2003
Coleta 5
maio/2004
Aplicações diárias e consecutivos de TiO2(29 de março a 02 de abril)
Terça (M) Terça (T) Quarta (M) Quarta (T) Quinta (M) Quinta (T) Sexta (M) Sexta (T)
sem catalisador local 1 local 2 local 3 local 4 local 5
A fluorescência no solo com
aplicação de TiO2foi reduzida
(local 1, 3, 4, 5)
M = manhã T= tarde
Local 2afloramento do lençol freático.
Perfil cromatográficoPerfil cromatográfico n ã o - i r r a d i a d o
- 1 0 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0
5 0 0 0 0 0
8 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0 0
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
t e m p o ( m i n )
inte
nsid
ade
1 5 h i r r a d i a d o
- 1 0 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0
5 0 0 0 0 0
8 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0 0
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
t e m p o ( m i n )
inte
nsid
ade
5 0 h i r r a d i a d o
- 1 0 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0
5 0 0 0 0 0
8 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0 0
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
t e m p o ( m i n )
inte
nsid
ade
- 1 0 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0
5 0 0 0 0 0
8 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0 0
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
t e m p o ( m i n )
inte
nsid
ade
1 0 0 h i r r a d i a d o
- 1 0 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0
5 0 0 0 0 0
8 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0 0
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
t e m p o ( m i n )
inte
nsid
ade
1 0 0 h n ã o - i r r a d i a d o
Não-irradiado (0h)
15h irradiado
50h irradiado
100h irradiado
Não-irradiado (100h de exposição)
Elevação da linha de base a Elevação da linha de base a medida que o óleo sofre medida que o óleo sofre intemperismo.intemperismo.
O intemperismo físico é o O intemperismo físico é o principal responsável pelo principal responsável pelo aumento na complexidade do aumento na complexidade do óleo.óleo.
ANÁLISE POR CG-DIC SOLOS CAFÉ E FLORESTA
Extrato de Solo Café sob intemperismo físico e
fotoquímico.
-100000
200000
500000
800000
1100000
0 5 10 15 20 25 30
tempo de retenção (minutos)
inte
nsid
ade
rela
tiva
100h ñ-irr100h irr100h irr-TiO2
-100000
200000
500000
800000
1100000
0 5 10 15 20 25 30
tempo de retenção(minutos)
inte
nsid
ade
rela
tiva
100h ñ-irr100h irr100h irr-TiO2
UCM
UCM nos cromatogramas do extrato de solo Café contaminado com petróleo.
Irradiado - reduz 35%
Solo irradiado com TiO2 –reduz 50%
UCM
A dessorção do óleo no solo café foi maior do que no solo de mata nativa – teor MOS
UCM nos cromatogramas do extrato de solo Floresta
contaminado com petróleo.
Solo irradiado - reduz 13%
Solo irradiado com TiOSolo irradiado com TiO22 --reduz 20%reduz 20%
-100000
200000
500000
800000
1100000
1400000
1700000
2000000
0 5 10 15 20 25 30
tempo de retenção (min)
inte
nsid
ade
extrato solo Café/petróleo
padrão HPAs
1
2
4
3
5
6
Identificação dos HPAs de petróleo no solo Café e solo Floresta..
Extrato de solo Café contaminado com petróleo
-100000
200000
500000
800000
1100000
1400000
1700000
2000000
0 5 10 15 20 25 30tempo de retenção (min)
inte
nsid
ade
extrato solo Floresta/petróleo
padrão HPAs
1
2
4
5
6
3
Extrato de solo Floresta contaminado com petróleo
HPAs do óleo residual identificados no solo Café e Floresta
Ρico Estruturamolecular Peso molecular Nomenclatura Tempo de retenção
(minutos)
1 128 Naftaleno 6,7
2 152 Acenaftileno 9,8
3 154 Acenafteno 10,2
4 166 Fluoreno 11,3
5 178 Fenantreno 13,3
6 178 Antraceno 13,4
42,348 43,6
53,5 57 57,2
1019,423,4
5252
30,224
6,3
34,338
1716
0
10
20
30
40
5060
70
80
90
100
Naftale
noAce
naftile
no Ace
naften
o
Fluoreno
Fenan
treno
Antrace
no
% re
lativ
a
15h 50h 100h
37,246,5
82,692,3 93,6
75,6
7,5
81,680,1
50,6
36,926,2
0
48,548,7
28,922,7
15,8
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Naftale
noAce
naftile
no Ace
nafteno
Fluoreno
Fenantre
no
Antrace
no
% re
lativ
a
15h 50h 100h
83
104,6 102,692,6
33,1
3,7
97,792,6 92,592,5
61,957,855,4
3,7 8,8
31,8 12,5
13,3
0
1020
3040
5060
7080
90100
110
Naftale
noAce
naftile
no Ace
naften
o
Fluoreno
Fenan
treno
Antrace
no
% re
lativ
a
15h 50h 100h
68,6
101
78,8 82,2 82,184,4
18 22
5
25,6
55,4 54
1,4
20,5
8,5 7,67,4
20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Naftale
noAce
naftile
no Ace
naften
o
Fluoreno
Fenan
treno
Antrace
no
% re
lativ
a
15h 50h 100h
Fotocatálise de HPAs em solo Floresta.
Fotodegradação natural de HPAs em solo Floresta.
Fotocatálise de HPAs em solo Café.
Fotodegradação natural de HPAs em solo Café.
HPAs identificados e quantificados no solo REPAR
local 4 (novembro de 2003 e abril de 2004 - coletas 2 e 4)
156%
77%
277%
17%ndnd
Acenafteno Benzo(a)antraceno Benzo(a)pireno
Amostra sem TiO2Amostra com TiO2
Processo fotocatalítico promoveu a degradação principalmente do acenafteno.
COLETA 3 - local 2 c/ TiO2
0
100000
200000
300000
400000
500000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
tempo (minutos)
inte
nsid
ade
COLETA 5 - local 2 c/ TiO2
0
100000
200000
300000
400000
500000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
tempo (minutos)
inte
nsid
ade
SOLO REPAR
Coleta 3 (fevereiro de 2004) e coleta 5 (maio de 2004)
Cromatogramas dos extratos de solo REPAR submetidos a fotocatálise.
73%80%
59%
31%29%
9% 7% 5%
Acenaftileno Fluoreno Benzo(a)antraceno Benzo(a)pireno
Amostras sem TiO2Amostras com TiO2
HPAs identificados e quantificados no solo REPAR fevereiro e maio de 2004 (coletas 3 e 5)
O processo fotocatalítico promoveu a degradação principalmente do fluoreno
CONCLUSÃOCONCLUSÃO
• As análises por espectroscopia de fluorescência e cromatografia em fase gasosa revelaram variação no grau de contaminação e recuperação do solo na REPAR.
• A degradação de BTEX, HPAs, fração polar e asfalteno do óleo ocorreu mais rapidamente no processo fotocatalítico com TiO2 (P25degussa) quando comparado a remediação natural ou intrínseca.
• O processo fotocatalítico com TiO2 (P25 degussa) foi mais eficiente que o processo de degradação natural na remoção da fração de HPAsde baixa massa molecular (até 3 anéis aromáticos) em solo com elevado teor de matéria orgânica (solo de mata nativa).
• A ação do processo fotocatalítico na degradação de derivados pesados no óleo (por exemplo, asfalteno) foi mais efetiva em solo com menor teor de matéria orgânica (solo de plantio).
• O processo fotocatalítico diminui o tempo de permanência dos derivados de petróleo no solo e ocorre em sinergia com o processo de degradação natural.
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