REMOÇÃO DE COR EM EFLUENTE INDUSTRIAL SINTÉTICO POR FOTÓLISE

DO PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO

Frederico Venâncio Martins(1)

Químico Industrial pela Universidade Estadual de Goiás. Responsável Técnico pela UTARP- Unidade de

Tratamento de Água com Resíduos de Petróleo. Pós-graduando do Curso de Especialização em Tratamento de

Resíduos Sólidos e Líquidos pela Escola de Engenharia Civil da Universidade Federal de Goiás.

Francisco Javier Cuba Teran (Orientador)

Engenheiro Civil pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Mestre e Doutor em Engenharia

Civil, na área de Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São

Paulo, com Pós-Doutorado em Engenharia Urbana pela Universidade Federal de São Carlos. Professor

Adjunto da Escola de Engenharia Civil da Universidade Federal de Goiás.

Endereço(1): Rua Itumbiara, Qd-151 Lt-01 - Cidade Jardim - Goiânia - GO - CEP: 74413-120 - Brasil - Tel:

(62)9287-1575 - e-mail: fred.venancio@hotmail.com

RESUMO

Os corantes industriais são compostos, na maioria dos casos, refratários para degradação por processos

biológicos. Diante desta situação, os processos oxidativos avançados surgem como opção viável para remoção

desses poluentes. Neste trabalho é apresentado um estudo de remoção de cor de efluente industrial sintético

composto de corantes, por meio da aplicação de um processo oxidativo avançado (POA) via fotólise do H2O2.

Foram avaliadas a eficiência de remoção de cor, a cinética do processo e a energia elétrica por ordem de

magnitude (remoção de 90%) aplicada na forma de radiação ultravioleta na faixa C do espectro de freqüência

(UV-C). Foram obtidas remoções de cor de 90% e 99% em 30 e 60 minutos, respectivamente. Determinou-se

a cinética de remoção de cor como de pseudo-primeira ordem constante de pseudo-primeira ordem foi de 7,3 x

10-3 min-1 e tempo de meia vida de 9,49 minutos. A energia elétrica por ordem de magnitude (EE/O) aplicada

foi de 1,5 kWh/m³ com Dosagem UV-C de 1,5 kWh/m³ para remoção de 90% da cor e 3,0 kWh/m³ para

remoção de 99% da cor.

PALAVRAS-CHAVE: Processos Oxidativos Avançados, Remoção de Cor, UV/H2O2.

INTRODUÇÃO

Efluentes industriais são correntes líquidas ou suspensões geradas de processos, cujos volumes gerados e sua

composição variam dependendo do tipo de indústria, do porte, da variedade de produtos, tipo de processo,

tipos de matérias primas e práticas de reuso e reciclagem de cada fonte geradora. Devido às suas

características originais, os efluentes e seus constituintes geralmente não podem ser reaproveitadas em termos

técnicos e/ou econômicos na própria fonte geradora, necessitando passar por um tratamento, antes de serem

destinados a um corpo receptor, para adequá-los aos níveis de conformidade com padrões sanitários,

ambientais e legais de lançamento e qualidade (CAVALCANTI, 2012).

Para os autores Teixeira e Jardim (2004) os métodos convencionais de tratamento de efluentes industriais

podem ser divididos em dois grupos, sendo o primeiro grupo de métodos baseado na transferência de fase dos

componentes presentes, no qual reduzem significativamente o volume do meio contaminado, porém sem

degradar o contaminante. O segundo grupo de métodos baseia-se no uso de operações físicas e processos

químicos e biológicos convencionais para degradação dos poluentes por oxidação. No entanto, nem todos os

contaminantes presentes nos efluentes industriais são passíveis de serem degradados pelos métodos

convencionais, uma vez que apresentam componentes com características refratárias, ou seja, que não são

degradados nos tratamentos biológicos convencionais e nos ambientes naturais.

A intensificação das atividades industriais tem como conseqüência o aumento da diversidade de compostos

químicos refratários no ambiente. Estando presentes em diferentes produtos, tais como defensivos agrícolas,

medicamentos, produtos de limpeza, tintas, derivados de petróleo e alimentos, estes compostos levam ao

aumento da contaminação e poluição dos corpos receptores, pois muitas vezes estão presentes nos efluentes

industriais e esgotos sanitários (MIERZWA E HESPANHOL, 2005).

Dentre os compostos químicos refratários, os corantes sintéticos apresentam significativa importância sendo

sua produção mundial estimada entre 750 a 800 mil toneladas anuais, das quais 26 mil são consumidas no

Brasil (MARMITT et. al., 2010). Os corantes orgânicos sintéticos são essenciais para satisfazer as exigências

cada vez maiores, em termos de qualidade, variedade, rapidez e outros requisitos técnicos para a coloração de

um número crescente de produtos têxteis, tintas, medicamentos, cosméticos e saneantes, visando conferir

ampla gama de cores, proporcionando praticamente todas as tonalidades do espectro visível aos produtos

fabricados. Como boa parte dos corantes não é totalmente incorporada aos produtos, volumes consideráveis

são perdidos juntamente com refugos de produção e os efluentes destas indústrias são geralmente coloridos.

Seu descarte descontrolado provoca impacto ambiental do ponto de vista estético, pois são percebidos

visualmente em concentrações menores que 1 mg/L, e também alteram parâmetros como cor verdadeira,

demanda química de oxigênio (DQO), demanda biológica de oxigênio (DBO) e sólidos dissolvidos (COSTA,

2008). Para Silva et. al. (2012), além da interferência estética, quando não tratados adequadamente, os

efluentes coloridos podem interferir na absorção da luz pelos vegetais e animais do ambiente aquático,

modificando a fotossíntese da biota aquática. No que se referem à saúde humana, alguns os corantes são

relatados como carcinogênicos e mutagênicos em indivíduos submetidos à exposição crônica (GUARATINI E

ZANONI, 1999).

De acordo com Amorim et al. (2009), a degradação biológica dos corantes é dificultada pela complexidade da

estrutura molecular e sua origem sintética Em sua maioria, os corantes são xenobióticos e não são degradados

enzimaticamente pelos sistemas naturais de microrganismos em condições aeróbicas, e a degradação é

processada lentamente em condições anaeróbicas, podendo chegar às estações de tratamento de água

municipais (GUARATINI E ZANONI, 1999). Devido à baixa biodegradabilidade destes compostos nos

tempos de detenção hidráulica usuais das unidades de tratamento, o acúmulo destes compostos, muitas das

vezes tóxicos, nos corpos receptores e sua bioacumulção ao logo dos níveis tróficos estes compostos exigem

técnicas avançadas para sua degradação (ALMEIDA et. al., 2004).

Nos casos em que os métodos convencionais são ineficientes na remoção de corantes, ou de outros compostos

refratários, chama a atenção da comunidade científica e industrial o emprego dos processos oxidativos

avançados (POA). Os POAs são muito eficientes na oxidação, descoloração, mineralização e degradação de

poluentes orgânicos, por isso também vêm sendo aplicados no tratamento de águas subterrâneas contaminadas,

águas superficiais e na purificação e desinfecção de água potável (MOHAJERANI et al., 2009).

O princípio de ação destes processos está baseado na produção de radicais hidroxila (∙OH), espécie altamente

oxidante e de elevado potencial padrão de redução (Eº=2,730 V) e que tem caráter não seletivo na oxidação de

uma larga faixa de compostos orgânicos (NOGUEIRA et. al., 2007; TEIXEIRA E JARDIM, 2004). Dentre os

principais POA’s relatados na literatura (MUNTER, 2001; BRITO E SILVA, 2012) destaca-se o processo de

obtenção de radicais ∙OH por meio da fotólise do peróxido de hidrogênio (H2O2) usando uma fonte de radiação

ultravioleta (UV-C).

O estudo do processo UV/H2O2 é importante porque os corantes podem ser degradados em compostos mais

simples facilmente biodegradáveis ou completamente mineralizados a CO2 e H2O, diferentemente das técnicas

convencionais que na maioria dos casos apenas transferem os contaminantes recalcitrantes de fase sem

efetivamente degradá-los. Segundo Kalra et al. (2011) os radicais ∙OH produzidos pela fotólise do H2O2 são

capazes de destruir completamente a estrutura cromófora de corantes com as velocidades de reação diferentes

para os diferentes pigmentos; o processo que emprega H2O2/UV não gera lodo durante qualquer fase de

tratamento; pode ser efetuada sob condições ambientes; e o oxigênio formado pode ser utilizado para processo

de decomposição biológica aeróbica a jusante.

O objetivo principal deste trabalho é estudar a eficiência do processo oxidativo avançado por fotólise do

peróxido de hidrogênio (UV/H2O2) na degradação de corantes presentes em efluente sintético, tendo como

objetivos específicos determinar a remoção de cor, determinar a cinética de remoção de cor e determinar a

eficiência elétrica e a dosagem UV-C.

MATERIAIS E MÉTODOS

Os experimentos foram realizados no Laboratório de Saneamento da Escola de Engenharia Civil da

Universidade Federal de Goiás, na cidade de Goiânia.

Corantes

Foram usados três corantes comerciais, todos com aplicação industrial: Amarelo Cromax AT (Acid Yellow 23

– C.I. 19140), Azul Cromax AT (Acid Blue 9 – C.I. 42090) e Castanho S74A1 (Acid Yellow 36 – C.I. 13065;

Acid Red 14 – C.I. 14720; Direct Blue 86 – C.I. 74180), todos fornecidos pela Idea Química LTDA. As

estruturas moleculares dos corantes são apresentadas na Figura 1.

Reator fotoquímico

O reator fotoquímico utilizado tinha seção anular e operado em batelada sequencial com reciclo. Consistia de

um tubo cilíndrico fechado nas extremidades, com a fonte de radiação UV situada no eixo central. O reator foi

construído com tubulação de PVC de 100 mm de diâmetro, fechado por caps, volume útil de 3,6 L, contendo

uma lâmpada UV (G-LIGHT) de 15 watts de potência, com pico de emissão de 253,7 nm e de 47 cm de

comprimento. Nas extremidades laterais do reator foram conectadas mangueiras para a condução do líquido

entre o reator e o recipiente de recirculação, promovida por bomba submersa, com vazão de 600 L.h-1. Na

Figura 2 é mostrado o esquema do sistema experimental.

Acid Yellow 23 – C.I. 19140 Acid Blue 9 – C.I. 42090

Acid Yellow 36 – C.I. 13065 Acid Red 14 – C.I. 14720

Direct Blue 86 – C.I. 74180

Figura 1: Estruturas moleculares dos corantes usados no efluente sintético.

Figura 2: Representação esquemática do reator fotoquímico.

Experimento

Para o experimento, foi produzido um efluente sintético (ES) no volume de cinco litros, diluindo-se em água

destilada 50 mg, do corante Amarelo Cromax AT, 50 mg do corante Azul Cromax AT e 100 mg do corante

Castanho S74A1, pesados em balança analítica, perfazendo um efluente com concentração de 40 mg/L de

corante, cuja composição se aproxima da concentração típica de efluentes têxteis (SAIEN e SHAHREZAEI,

2007; KHEZRIANJOO e REVANASIDDAPPA, 2013; MANENTI et al., 2009). Em seguida, adicionou-se 25

mL (1865 mg/L) de H2O2 33% (m/m), quantidade em excesso se comparada com a concentração de corante,

porém necessária para produção de radicais ∙OH no meio reacional (USEPA, 1998). O reator foi operado em

batelada, recirculando-se o ES no reator por 90 minutos com a lâmpada UV-C ligada.

Retiraram-se alíquotas do ES, primeiramente no inicio do tratamento (t = 0 min) e posteriormente, em

intervalos de 15 minutos. Depois de retiradas, as amostras foram imediatamente analisadas em

espectrofotômetro UV-Visível (HACH DR 5000) para determinação das absorbâncias por varredura de 190 a

640 nm.

Determinação da eficiência de remoção de cor

A quantificação da eficiência de remoção de cor seguiu a metodologia proposta por Manenti et. al. (2009), na

qual se usam as medidas das absorbâncias nos comprimentos de onda de máxima absorção de cada corante

que compõe o ES em separado: Amarelo Cromax AT (426 nm), Castanho S74A1(486 nm) e Azul Cromax AT

(630 nm). Os percentuais de remoção de cor foram calculados pela Equação 1, onde Absi e Absf são,

respectivamente, os valores de absorção medidos nos comprimentos de onda de máxima absorção de cada

corante no início e no final do tempo exposição.

ΔAbs (%) = 100[Absi−Absf]

Absi (1)

Determinação da cinética de remoção de cor

A cinética de remoção de cor por UV/H2O2 para sistemas em recirculação é dado pela Equação 2, onde K’ é a

constante de pseudo-primeira ordem e t é o tempo de exposição. O tempo de meia-vida (t1/2) é o tempo

necessário para diminuir a concentração de cor à metade do valor inicial e é dada pela Equação 3 (TEIXEIRA

E JARDIM, 2004; ELMOLLA E CHAUDHURI, 2010).

𝐥𝐧 (𝐀𝐛𝐬𝐟

𝐀𝐛𝐬𝐢) = −𝐊′𝐭

(2)

𝐭 𝟏/𝟐 = 𝟎, 𝟔𝟗𝟑

𝐊′

(3)

Determinação da energia elétrica por ordem de magnitude (EE/O) e dosagem UV

A dosagem UV-C mede o consumo de energia elétrica aplicado a um volume fixo do efluente. Essa medida

combina em um valor simplificado a intensidade da luz, vazão, tempo de detenção hidráulica e percentual de

remoção de cor. A dosagem UV-C é dada pela Equação 5, onde EE/O (Equação 4) é consumo de energia

elétrica por ordem de magnitude na remoção da cor e fornece o número de kWh (quilowatt-hora) necessário

para reduzir a concentração de cor em 90 %, ou seja, uma ordem de magnitude, em um metro cúbico. Na

Equação 4 P é a potência nominal da fonte de radiação UV-C em kW, t é o tempo de exposição em horas e V

o volume tratado em m³. (SOLARCHEM, 1994).

𝐄𝐄/𝐎 =𝐏. 𝐭

𝐕

(4)

𝐃𝐨𝐬𝐚𝐠𝐞𝐦 𝐔𝐕 = 𝐄𝐄/𝐎. 𝐥𝐨𝐠 (𝐀𝐛𝐬𝐢

𝐀𝐛𝐬𝐟)

(5)

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O efluente sintético produzido a partir dos três corantes apresentou forte coloração esverdeada, a qual foi

reduzida drasticamente com 30 minutos de tratamento, conforme evidencia a Figura 3. O fenômeno de

remoção de cor acontece porque dentro do reator a radiação UV-C, emite fótons (hν), que promovem a

clivagem das moléculas de H2O2 gerando radicais ∙OH (Equação 6), os quais reagem com os corantes

presentes no ES, atacando diretamente os grupos cromóforos (ligações duplas entre nitrogênio-nitrogênio,

nitrogênio-carbono, carbono-carbono e carbono-oxigênio) presentes nas moléculas (Equação 7), degradando-

as em compostos intermediários mais simples (KALRA et al., 2011). A fonte de radiação UV-C (lâmpada de

mercúrio à baixa pressão) com pico de emissão em 253,7 nm não é a mais eficiente para o processo, visto que

o H2O2 apresenta seu máximo de absorção em 220 nm. No entanto, esta limitação é suprida com uma dosagem

em excesso de H2O2 (USEPA, 1998).

H2O2 + fóton (hν) → 2 ∙OH (6)

R2C═CR2 + ∙OH → R2∙C─CR2OH (7)

A Figura 4 revela a variação da remoção de cor a partir das absorbâncias medidas em cada tempo de

exposição, confirmando a eficiência do processo UV/H2O2. Nota-se que no ES bruto é possível identificar três

picos de absorção máxima na faixa do visível, em 426 nm, 486 nm e 630 nm, correspondendo,

respectivamente, aos picos de absorção dos grupos cromóforos dos corantes Amarelo Cromax AT, Castanho

S74A1e Azul Cromax AT. No mesmo gráfico verifica-se, a partir de 15 minutos de tratamento, a redução da

absorbância das amostras nos comprimentos de onda referentes aos picos dos corantes, o que corrobora com o

ataque dos radicais hidroxilas nos grupos cromóforos.

Figura 3: Descoloração do efluente sintético.

Figura 4: Diminuição da absorbância em cada tempos de exposição.

Também é possível verificar nos primeiros quinze minutos de tratamento o aumento da absorbância em 266

nm, devido à absorbância de anéis aromáticos presentes nas moléculas dos corantes e também nos subprodutos

formados, e posterior decréscimo nos tempos subseqüentes, evidenciando também a destruição parcial desses

compostos aromáticos. Tal fato pode ser decorrente de a reação entre ∙OH e os corantes ocorrer rapidamente,

sem resultar na mineralização direta dos corantes, mas na produção subprodutos orgânicos intermediários que

podem reagir com ∙OH em seguida, dependendo da concentração do subproduto e da sua recalcitrância.

Também é possível que presença de subprodutos da degradação dos corantes seja causada pelo consumo de

radicais ∙OH decorrente do excesso de H2O2 no meio reacional (Equação 8 e 9). Esse problema pode ser

superado com a ajuste da dosagem de H2O2 através da otimização do processo e/ou com a substituição da

lâmpada de mercúrio a baixa pressão por outra de luz mais intensa e com pico de emissão próximo do

comprimento de máxima absorção molar do H2O2 (USEPA, 1998; NOGUEIRA et. al., 2007).

2∙OH → H2O2 (8)

H2O2 + ∙OH → ∙O2H + H2O (9)

Determinação da eficiência de remoção de cor

As eficiências de remoção de cor, calculadas pela Equação 3, em cada pico de máxima absorbância dos três

corantes do ES encontram-se na Tabela 1. Na Figura 5 têm-se os percentuais de remoção de cor em função do

tempo nos comprimento de onda de máxima absorção de cada corante. Em 30 minutos de tratamento, há uma

remoção de cor superior a 90% referentes aos corantes do ES e a partir de 60 minutos o processo se estabiliza

com remoção de cor superior a 99%. Este fato concorda com Kalra et al. (2011) e Al-Kdasi et al. (2004). Para

esses autores, nos processos UV/H2O2 o tempo de contato é muito importante para remoção de cor, e

mencionaram outros pesquisadores que encontraram tempos variando entre 30 a 90 minutos para remoção

completa, sendo que este tempo varia de um corante para outro e que quanto maior o tempo de detenção,

maior a remoção. Diante disso, é possível inferir que uma remoção efetiva da cor, nas condições operacionais

usadas neste experimento, pode ser obtida com tempos de detenção hidráulica de 30 minutos.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

190 240 290 340 390 440 490 540 590 640

Ab

sorb

ân

cia

Comprimento de Onda (nm)

Bruto

15 min

30 min

45 min

60 min

75 min

90 min

Amarelo

Cromax AT

Azul Cromax AT

Castanho

S74A1

Vis

ível

Ult

ravio

leta

Tabela 1: Dados das absorbâncias medidas.

Tempo

(minutos)

Abs Remoção de Cor (%) Abs

média ln (Absf

Absi)

426 nm 486 nm 630 nm 426 nm 486 nm 630 nm

0 1,684 1,897 2,242 0,00% 0,00% 0,00% 1,941 0,000

15 0,477 0,354 0,395 71,67% 81,34% 82,38% 0,409 -1,558

30 0,126 0,080 0,054 92,52% 95,78% 97,59% 0,087 -3,109

45 0,032 0,020 0,007 98,10% 98,95% 99,69% 0,020 -4,592

60 0,012 0,009 0,004 99,29% 99,53% 99,82% 0,008 -5,451

75 0,006 0,004 0,003 99,64% 99,79% 99,87% 0,004 -6,105

90 0,003 0,004 0,002 99,82% 99,79% 99,91% 0,003 -6,472

Figura 5: Percentual de remoção de cor em cada pico de máxima absorbância no efluente sintético.

Determinação da cinética de remoção de cor

Das informações da Tabela 1 também é possível extrair informações sobre a cinética do POA de remoção de

cor por UV/H2O2. Na Figura 6, o gráfico da média das absorbâncias dos corantes (Abs média) em função do

tempo apresenta comportamento não linear, o que é um indício que o processo de remoção de cor é de pseudo-

primeira ordem, sendo confirmado pela linearidade do gráfico ln (Absf/Absi) em função do tempo (Figura 7).

Embora a reação entre as moléculas dos corantes e o radical ∙OH ser bimolecular, este último é produzido a

uma taxa constante, e, portanto, os corantes tornam-se os reagentes limitantes (SOLARCHEM, 1994). A

inclinação da reta obtida pela regressão linear fornece a constante de pseudo-primeira ordem K’ = 7,3 x 10-2

min-1. Quanto mais inclinada, ou seja, maior o valor de K’, mais rápida é a remoção de cor. O tempo de meia

vida nesse processo UV/H2O2 de remoção de cor é dado por t1/2 = 9,49 minutos.

Determinação da energia elétrica por ordem de magnitude (EE/O) e dosagem UV-C

O valor de EE/O descreve completamente as características da remoção de cor e aumento de escala neste

tratamento, fazendo com que a comparação de resultados sistemas diferentes seja feita comparando-se os

valores de EE/O, nos quais, quanto menor for este valor mais eficiente é o tratamento. Considerando o fato

que em 30 minutos de processo UV/H2O2 mais de 90% da cor do efluente sintético foi removida, verifica-se

que o valor constante de EE/O = 1,5 kWh/m³ e que a dosagem UV-C = 1,5 kWh/m³. Se for requerida mais

uma ordem de remoção de cor, ou seja, remoção de outros 90% da cor, a partir da cor remanescente, o que é

equivalente a remover 99% da cor inicial, a dosagem UV-C requerida deve ser dobrada até 3,0 kWh/m³. Isto

significa dizer que a mesma quantidade de energia para remover os primeiros 90% de cor é necessária para

remover 90% da cor remanescente, assim por diante. Este fato demonstra o quão efetivo é o processo

UV/H2O2 na redução da cor (SOLARCHEM, 1994).

0,00%

20,00%

40,00%

60,00%

80,00%

100,00%

0 15 30 45 60 75 90 105

Rem

oçã

o d

e C

or

(%)

Tempo (minutos)

Amarelo Cromax AT (426 nm)

Castanho S74A1 (486 nm)

Azul Cromax AT (630 nm)

Os dados de EE/O e dosagem UV-C são muito importantes para o projeto e construção de equipamentos em

escala comercial. O fato de esses dados combinarem em um valor simplificado a intensidade da luz, vazão,

tempo de detenção hidráulica e percentual de remoção de cor, faz com que o volume do reator não seja um

critério relevante para o tratamento, pois o amento na vazão do efluente ou na concentração dos compostos é

compensado com um aumento na potência de radiação UV-C irradiada no meio reacional, não necessitando de

grandes equipamentos que encarecem os custos de aquisição e manutenção (SOLARCHEM, 1994). Quanto a

outros custos que incidem no processo UV/H2O2, deve-se levar em conta, além do percentual de remoção do

composto alvo, os custos com peróxido de hidrogênio, os custos tarifários com energia elétrica de cada região.

Figura 6: Redução da absorbância média em cada tempo de exposição.

Figura 7: Linearidade de ln (Absf/Absi) em função do tempo.

CONCLUSÕES

Diante do que foi exposto, conclui-se que o processo oxidativo avançado por fotólise do peróxido de

hidrogênio é eficiente na remoção de cor de um efluente sintético, visto que este processo conseguiu remover

mais de 90% da cor em 30 minutos de exposição e com 60 minutos de exposição praticamente toda cor foi

removida. Também ficou comprovado que a geração de radicais hidroxila é realizada a uma taxa constante,

pois o processo de remoção de cor é obtido por cinética de pseudo-primeira ordem com constante de pseudo-

primeira ordem de 7,3 x 10-2 min-1 e tempo de meia vida de 9,49 minutos. Finalmente, determinou-se serem

necessários 1,5 kWh/m³, tanto para EE/O, quanto para a dosagem UV-C na remoção de 90% da core 3,0

kWh/m³ para remoção de 99% da cor. Recomenda-se estudos posteriores para otimização do processo.

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

0 15 30 45 60 75 90 105

Ab

sorb

ânci

a m

édia

Tempo (minutos)

y = -0,073x

R² = 0,952-8,000

-7,000

-6,000

-5,000

-4,000

-3,000

-2,000

-1,000

0,000

0 15 30 45 60 75 90 105

ln (

Ab

sf/A

bsi

)

Tempo (minutos)

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