Otimização do processo de mineralização de compostos orgânicos utilizando sistemas eletro-Fenton e fotoeletro Fenton por irradiação UV artificial e solar

Abstract

OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE MINERALIZAÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS UTILIZANDO SISTEMAS ELETRO-FENTON E FOTOELETROFENTON POR IRRADIAÇÃO UV ARTIFICIAL E SOLAR Processos eletroquímicos oxidativos avançados baseados na reação de Fenton, tais como eletro-Fenton (EF) e fotoeletro-Fenton por irradiação UV artificial (FEF) e solar (FEFS) foram empregados no tratamento de efluentes contendo compostos orgânicos (o corante têxtil AR 29 vermelho ácido 29, o fármaco paracetamol e o herbicida MCPA ácido 2-metil-4- clorofenoxiacético). Além disso, foram realizados estudos cinéticos da degradação destes compostos, empregando-se planejamentos fatoriais para analisar, simultaneamente, a influência das variáveis corrente, concentração inicial do catalisador Fe2+ e pH, bem como a metodologia de superfície de resposta para otimizar as condições experimentais. Finalmente, também foram utilizadas técnicas cromatográficas para identificação e quantificação dos intermediários do processo de degradação, dentre os quais compostos aromáticos, ácidos carboxílicos e íons inorgânicos. Para os três compostos investigados, constatou-se que o principal oxidante foi o radical hidroxila, OH produzido pela reação de Fenton entre o catalisador Fe2+ adicionado e o H2O2 eletrogerado pela redução de O2 na superfície do catodo de difusão de ar, bem como pela fotólise de espécies de Fe3+ hidroxiladas. Ademais, o emprego da radiação UV, seja por meio de fonte artificial ou solar, favoreceu a rápida remoção de complexos de Fe3+ formados com ácidos carboxílicos, os quais não eram efetivamente removidos pelo radical ●OH. No caso do corante AR 29, a maior eficiência foi obtida para o processo FEF (95% de remoção do COT carbono orgânico total), seguido pelo processo EF; o processo de oxidação anódica apresentou o menor desempenho. Para os compostos paracetamol e MCPA, investigados somente pelo processo FEFS, foram obtidos valores de remoção de COT de 75% e 74% para as condições ótimas em 120 min de eletrólise, respectivamente. Além disso, foram obtidos valores de ECM eficiência de corrente de mineralização de 71% para o paracetamol e 72% para o MCPA com valores de CE consumo energético de 93 kW h kg-1 COT (7,0 kW h m-3) e 87,7 kW h kg-1 COT (6,6 kW h m-3), respectivamente. Por fim, empregando-se distintas técnicas de cromatografia líquida para identificação e quantificação dos intermediários gerados, foram propostos mecanismos plausíveis para os processos de degradação dos três compostos investigados, até completa conversão a CO2 e água.OPTIMIZATION OF THE MINERALIZATION PROCESS OF ORGANIC COMPOUNDS USING ELECTRO-FENTON AND PHOTO-FENTON SYSTEMS BY ARTIFICIAL AND SOLAR UV IRRADIATION Electrochemical advanced oxidation processes based on the Fentons reaction, such as electro-Fenton (EF) and photoelectro-Fenton (PEF) using artificial and solar UV irradiation were employed in the treatment of effluents containing organic compounds (the textile dye AR 29 acid red 29, the drug paracetamol and the herbicide MCPA 2-methyl-4- chlorophenoxyacetic acid). Furthermore, kinetic studies of degradation of these compounds were performed, using factorial design in order to analyze simultaneously the influence of the parameters current, initial concentration of the catalyst Fe2+ and pH as well as the response surface methodology in order to optimize the experimental conditions. Finally, chromatographic techniques were also used for identification and quantification of the intermediates of the degradation process, among which aromatic compounds, carboxylic acids and inorganic ions. For the three investigated compounds, it was found that the main oxidant was the hydroxyl radical, OH produced by the Fentons reaction between the catalyst Fe2+ added and the H2O2 electrogenerated by the O2 reduction at the surface of the diffusion air cathode as well as by the photolysis of hydroxylated Fe3+ species. Additionally, the use of the UV radiation, either by artificial or solar source, promoted the fast removal of Fe3+ complexes formed with carboxylic acids which were not actually removed by the OH radical. In the case of AR 29 dye, the highest efficiency was obtained for the PEF process (TOC total organic carbon removal of 95%), followed by EF process; the anodic oxidation presented the lowest performance. For paracetamol and MCPA, investigated only by the PEF process, values of TOC removal of 75 % and 74 % for the optimal conditions at 120 min electrolysis were obtained, respectively. Moreover, MCE mineralization current efficiency values of 71% for paracetamol and 72% for MCPA with EC energy consumption values of 93 kW h kg-1 TOC (7.0 kW h m-3) and 87.7 kW h kg-1 TOC (6.6 kW h m-3) were obtained, respectively. Finally, using distinct liquid chromatography techniques in order to identify and quantify the generated intermediates, plausible mechanisms for degradation of the three investigated compounds up to their complete conversion to CO2 and water were proposed