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Título: Degradação fotocatalítica oxidativa do fenol utilizando carvão obtido da pirólise de diferentes biomassas
Autor(es): Oliveira, Gislane Pinho de
Palavras-chave: Fenol;Oxidação fotocatalítica;Modelo cinético;Catalisador;Bio-carvão
Data do documento: 25-Jun-2015
Editor: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Citação: OLIVEIRA, Gislane Pinho de. Degradação fotocatalítica oxidativa do fenol utilizando carvão obtido da pirólise de diferentes biomassas. 2015. 132f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2015.
Resumo: The modern industrial progress has been contaminating water with phenolic compounds. These are toxic and carcinogenic substances and it is essential to reduce its concentration in water to a tolerable one, determined by CONAMA, in order to protect the living organisms. In this context, this work focuses on the treatment and characterization of catalysts derived from the bio-coal, by-product of biomass pyrolysis (avelós and wood dust) as well as its evaluation in the phenol photocatalytic degradation reaction. Assays were carried out in a slurry bed reactor, which enables instantaneous measurements of temperature, pH and dissolved oxygen. The experiments were performed in the following operating conditions: temperature of 50 °C, oxygen flow equals to 410 mL min-1 , volume of reagent solution equals to 3.2 L, 400 W UV lamp, at 1 atm pressure, with a 2 hours run. The parameters evaluated were the pH (3.0, 6.9 and 10.7), initial concentration of commercial phenol (250, 500 and 1000 ppm), catalyst concentration (0, 1, 2, and 3 g L-1 ), nature of the catalyst (activated avelós carbon washed with dichloromethane, CAADCM, and CMADCM, activated dust wood carbon washed with dichloromethane). The results of XRF, XRD and BET confirmed the presence of iron and potassium in satisfactory amounts to the CAADCM catalyst and on a reduced amount to CMADCM catalyst, and also the surface area increase of the materials after a chemical and physical activation. The phenol degradation curves indicate that pH has a significant effect on the phenol conversion, showing better results for lowers pH. The optimum concentration of catalyst is observed equals to 1 g L-1 , and the increase of the initial phenol concentration exerts a negative influence in the reaction execution. It was also observed positive effect of the presence of iron and potassium in the catalyst structure: betters conversions were observed for tests conducted with the catalyst CAADCM compared to CMADCM catalyst under the same conditions. The higher conversion was achieved for the test carried out at acid pH (3.0) with an initial concentration of phenol at 250 ppm catalyst in the presence of CAADCM at 1 g L-1 . The liquid samples taken every 15 minutes were analyzed by liquid chromatography identifying and quantifying hydroquinone, p-benzoquinone, catechol and maleic acid. Finally, a reaction mechanism is proposed, cogitating the phenol is transformed into the homogeneous phase and the others react on the catalyst surface. Applying the model of Langmuir-Hinshelwood along with a mass balance it was obtained a system of differential equations that were solved using the Runge-Kutta 4th order method associated with a optimization routine called SWARM (particle swarm) aiming to minimize the least square objective function for obtaining the kinetic and adsorption parameters. Related to the kinetic rate constant, it was obtained a magnitude of 10-3 for the phenol degradation, 10-4 to 10-2 for forming the acids, 10-6 to 10-9 for the mineralization of quinones (hydroquinone, p-benzoquinone and catechol), 10-3 to 10-2 for the mineralization of acids.
metadata.dc.description.resumo: O progresso industrial moderno vem incorporando compostos fenólicos entre as impurezas encontradas na água. Por se tratar de uma substância tóxica e cancerígena, é imprescindível que a mesma seja reduzida à concentrações toleráveis, determinadas pelo CONAMA. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo o tratamento e caracterização de catalisadores oriundos do biocarvão, subproduto da pirólise de biomassa (avelós e pó de madeira), assim como sua avaliação na degradação fotocatalítica do fenol. Os ensaios foram realizados em um reator leito de lama, com medições instantâneas da temperatura, pH e oxigênio dissolvido. Os experimentos foram realizados nas seguintes condições operacionais: temperatura igual a 50 ºC, vazão de oxigênio igual a 410 mL min-1 , volume de solução reagente igual a 3,2 L, lâmpada UV de 400 W, pressão de 1 atm e tempo de reação de 2 horas. Os parâmetros avaliados foram o pH do meio reacional (3,0; 6,9 e 10,7), concentração inicial de fenol comercial (250, 500 e 1000 ppm), concentração de catalisador (0, 1, 2 e 3 g L-1 ) e natureza do catalisador (carvão do aveloz ativado e lavado com diclorometano, CAADCM, e carvão da madeira ativado e lavado com diclorometano, CMADCM). Os resultados de FRX, DRX e BET comprovaram a presença de ferro e potássio em quantidades satisfatórias para o catalisador CAADCM e em quantidades reduzidas no catalisador CMADCM, e o aumento da área superficial dos materiais após a ativação química e física. As curvas de degradação do fenol indicam que o pH tem uma influência significativa na conversão do fenol, apresentando melhores resultados para os valores de pH mais reduzidos. A concentração ótima de catalisador observada foi de 1 g L-1 e o aumento da concentração inicial de fenol exerce uma influência negativa na condução da reação. Também foi observado o efeito positivo da presença de ferro e potássio na estrutura do catalisador: obteve-se conversões melhores para os ensaios realizados com o catalisador CAADCM, quando comparado com o catalisador CMADCM nas mesmas condições. A maior conversão foi obtida para o ensaio realizado em pH ácido (3,0), com uma concentração inicial de fenol igual a 250 ppm na presença do catalisador CAADCM a 1 g L-1 . As amostras líquidas retiradas a cada 15 minutos foram analisadas por cromatografia líquida identificando e quantificando a hidroquinona, p-benzoquinona, catecol e ácido maleico. Finalmente um mecanismo do processo reacional foi proposto, considerando que o fenol é transformado em fase homogênea e os demais reagem na superfície do catalisador. Aplicandose o modelo de Langmuir-Hinshelwood juntamente com um balanço de massa, obteve-se um sistema de equações diferenciais que foi resolvido utilizando o método de Runge-Kutta de 4ª ordem associado a uma rotina de otimização SWARM (enxame de partículas), visando minimizar a função objetivo de mínimos quadrados para estimação dos parâmetros cinéticos e de adsorção. Obteve-se constantes cinéticas da ordem de grandeza de 10-3 para a degradação do fenol, 10-4 à 10-2 para a formação de ácidos, 10-6 à 10-9 para a mineralização dos quinônicos (hidroquinona, p-benzoquinona e catecol), 10-3 à 102 para a mineralização dos ácidos.
URI: http://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/20163
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