FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA COM TiO2 APLICADA AO TRATAMENTO DE ESGOTO ...

187 Pages·2006·1.95 MB·Portuguese

Ivete Vasconcelos Lopes Ferreira

FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA COM TiO APLICADA AO
2
TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO SECUNDÁRIO

Tese apresentada à Escola de Engenharia de São
Carlos, Universidade de São Paulo, como parte dos
requisitos para a obtenção do Título de Doutor em
Hidráulica e Saneamento.

Orientador: Prof. Dr. Luiz Antonio Daniel

São Carlos
2005
Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento
da Informação do Serviço de Biblioteca – EESC/USP

Ferreira, Ivete Vasconcelos Lopes
F383f Fotocatálise heterogênea com TiO aplicada ao
2
tratamento de esgoto sanitário secundário / Ivete
Vasconcelos Lopes Ferreira. –- São Carlos, 2005.

Tese (Doutorado) –- Escola de Engenharia de São Carlos-
Universidade de São Paulo, 2005.
Área: Hidráulica e Saneamento.
Orientador: Prof. Dr. Luiz Antonio Daniel.

1. Fotocatálise heterogênea. 2. Dióxido de titânio.
3. Tratamento de esgoto. 4. Esgoto – desinfecção.
5. Radiação solar. I. Título.
FOLHA DE JULGAMENTO

Candidata: Engenheira IVETE VASCONCELOS LOPES FERREIRA

Tese defendida e julgada em 16-12-2005 perante a Comissão Julgadora:

Prof. Dr. LUIZ ANTONIO DANIEL (Orientador)
(Escola de Engenharia de São Carlos/USP)

Prof. Titular EDUARDO CLETO PIRES
(Escola de Engenharia de São Carlos/USP)

Prof. Dr. MARCO ANTONIO PENALVA REALI
(Escola de Engenharia de São Carlos/USP)

Prof. Dr. CLOVIS WESLEY OLIVEIRA DE SOUZA
(Universidade Federal de São Carlos/UFSCar)

Prof. Livre-Docente JOSÉ ROBERTO GUIMARÃES
(Universidade Estadual de Campinas/UNICAMP)

Profa. Titular MARIA DO CARMO CALIJURI
Coordenadora do Programa de Pós Graduação em
Engenharia (Hidráulica e Saneamento) e
Presidente da Comissão de Pós-Graduação
A João, meu marido e maior incentivador,
Aos nossos amados filhos
Pedro (in memorian), Lucas, Júlia e Sofia,
presentes de Deus.
AGRADECIMENTOS

Ao Professor Luiz Antonio Daniel, cuja preciosa orientação aliada à generosa
transmissão de conhecimentos foram imprescindíveis neste trabalho, meus especiais
agradecimentos pela irrestrita confiança e constante atenção, bem assim pela efetiva
disponibilidade em me atender sempre que solicitado.
À amiga Jeanette Beber de Souza, que me ensinou as técnicas de laboratório de
microbiologia, principalmente, pelo companheirismo durante os trabalhos práticos.
À Maria Ângela Adorno e Elizabeth Moraes, do Laboratório de Processos
Biológicos, pelo auxílio nas análises de COT.
Aos técnicos do Laboratório de Hidráulica, Edson Cornetta e Luis Carlos Muzzeti,
pelo auxílio na montagem da instalação experimental.
Aos amigos da Universidade Federal de Alagoas, Márcio, Aline, Selêude e
Christiano, pelo incentivo e pela afetuosa acolhida quando cheguei em São Carlos.
À amiga de infância, Fernanda Caballero, que tive a alegria de reencontrar em São
Carlos, pela amizade e pelo constante apoio em assuntos não-acadêmicos. Muito obrigada.
À Adriana Dias Gomes pela amizade e companheirismo durante minha estada em
São Carlos.
Aos técnicos do Laboratório de Saneamento, pela colaboração prestada no decorrer
da pesquisa.
Aos funcionários do Departamento de Hidráulica e Saneamento, pela atenção.
À Universidade Federal de Alagoas, e em particular ao Departamento de
Construção Civil e Transportes, pela liberação para realização do doutorado.
À CAPES, pela concessão da bolsa do programa PICDT.
À FAPESP, pelo auxílio financeiro que viabilizou a pesquisa (01/12801-0).
A todos que direta e indiretamente contribuíram para execução deste trabalho.
v
RESUMO

FERREIRA, I. V. L. (2005). Fotocatálise heterogênea com TiO aplicada ao tratamento de esgoto
2
sanitário secundário. Tese (Doutorado) ─ Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade
de São Paulo, São Carlos, 2005.

Este trabalho teve como objetivo estudar a fotocatálise heterogênea com TiO no
2
tratamento de esgoto sanitário secundário, visando a oxidação da matéria orgânica e
desinfecção. A luz solar foi utilizada como fonte de radiação. O reator fotocatalítico
consistiu de placa de vidro (~ 0,48 m2) sobre a qual foi fixado o catalisador (10 g/m2). Foi
avaliada a influência de parâmetros operacionais (vazão e ângulo de inclinação do
fotorreator) na eficiência do processo. As vazões de estudo foram 15; 22,5 e 30 L/h, e os
ângulos de inclinação em relação à horizontal foram 2º, 12º e 22º. Os experimentos foram
realizados com dois tipos de efluentes. O primeiro (Efluente 1) foi de reator anaeróbio
compartimentado tratando esgoto doméstico e o segundo (Efluente 2) de reator
anaeróbio/aeróbio de leito expandido com meio suporte constituído de carvão ativado que
trata o esgoto do Campus I da USP/São Carlos e de contribuições domésticas. Os ensaios
foram do tipo batelada com recirculação do esgoto durante 4 horas. Também foi avaliada a
fotólise (ensaio apenas com radiação solar) e adsorção do catalisador (ensaio sem luz e com
TiO ) na oxidação de matéria orgânica e na desinfecção. Foram avaliadas as remoções de
2
matéria orgânica (DQO e COT) e de microrganismos indicadores de contaminação fecal
(Clostridium perfringens, coliformes totais, E. coli e colifagos). Os resultados indicaram que a
fotocatálise heterogênea foi mais eficiente como método de desinfecção que a fotólise. A
resistência dos microrganismos ao processo TiO /UV, em ordem decrescente, foi:
2
Clostridium perfringens, coliformes totais, E. coli e colifagos. As melhores condições
operacionais para inativação de microrganismos no Efluente 1 foram: α = 2º e Q = 22,5
L/h. O ângulo de inclinação da placa teve maior influência na oxidação de COT do
Efluente 2 do que a vazão. As características físico-químicas dos efluentes tiveram papel
importante no resultado final da fotocatálise heterogênea, tanto na oxidação de matéria
orgânica como na desinfecção. A concentração inicial de E. coli exerceu maior influência na
desinfecção fotocatalítica do que a radiação solar, para as condições dos ensaios realizados.
Os reatores de placa plana com TiO imobilizado, quando expostos à luz solar, devem ser
2
vedados para evitar evaporação excessiva.
vi
Palavras-chave: Fotocatálise heterogênea; dióxido de titânio; tratamento de esgoto;
desinfecção; radiação solar.
vii
ABSTRACT

FERREIRA, I. V. L. (2005). TiO heterogeneous photocatalysis in secondary wastewater treatment.
2
Ph.D. Thesis ─ Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São
Carlos, 2005.

The heterogeneous photocatalysis with TiO and solar radiation in secondary wastewater
2
treatment to remove organic matter and microorganisms was investigated. A glass plate (~
0.48 m2) with immobilized titanium dioxide (10 g/m2) was operated in different flow rates
(15; 22.5 and 30 L/h) and angles in relation to horizontal (2º, 12º and 22º). Two effluents
were used in the assays. The first (Effluent 1) was from an anaerobic reactor treating
sewage and the second (Effluent 2) from an anaerobic/aerobic granular activated carbon
expanded bed reactor which receives the wastewater collected in the Campus of USP/São
Carlos and from the surrounding neighborhood of the campus. The assays were carried out
in batch with recirculation time of 4 hours. The photolysis (only solar radiation) and the
catalyst adsorption (TiO in the dark) in organic matter removal and disinfection were
2
evaluated. The oxidation of organic matter (COD and TOC) and inactivation of indicators
of fecal contamination (Clostridium perfringens, total coliforms, E. coli, and coliphages) were
evaluated. The results shows that heterogeneous photocatalysis was more efficient in
effluents disinfection than the photolysis. The resistance of the microorganisms to
TiO /UV process was in decreasing order: Clostridium perfringens, total coliforms, E. coli and
2
coliphages. The best operational conditions for microorganisms inactivation in Effluent 1
are: α = 2º and Q = 22.5 L/h. TOC oxidation in Effluent 2 was more influenced by angle
than by flow rate. The physical and chemical characteristics of the effluents had an
important role in oxidation and disinfection. Initial E. coli concentration was more
important than intensity of solar radiation during photocatalytic disinfection in the
experimental conditions of this work. The reactors with immobilized TiO open to solar
2
radiation have to be closed to avoid excessive evaporation.

Keywords: Heterogeneous photocatalysis; titanium dioxide; wastewater treatment;
disinfection; solar radiation.
viii
LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 - Mecanismo simplificado para a fotoativação do catalisador TiO . 6
2

Figura 3.2 - Espectro de absorção do TiO comparado com o espectro solar. 8
2

Figura 3.3 - Estruturas cristalinas do TiO : (a) anatase e (b) rutilo. 10
2

Figura 3.4 - Velocidade da reação em função da intensidade luminosa. 11

Figura 3.5 - Coletor Cilíndrico Parabólico (PTR) instalado na Plataforma Solar de
Almería. 36

Figura 3.6 - Planta piloto de uma indústria têxtil na Tunísia composta por dois
fotorreatores catalíticos tipo TFFBR (Foto: D. Hufschmidt,
Universidade de Hannover). 37

Figura 3.7 - Instalação experimental de um reator de placa plana utilizado pelo
ISFH (Institut für Solarenergieforschung GmbH, Hannover,
Alemanha) nas instalações da Plataforma Solar de Almería. 38

Figura 3.8 - Reflexão solar. (a) em um Coletor Cilíndrico Parabólico (PTR)
(b) em um coletor Cilíndrico Parabólico Composto (CPC). 39

Figura 3.9 - Coletor Cilíndrico Parabólico Composto (CPC) sem concentração
solar. (a) Plataforma Solar de Almería. (b) Planta experimental
industrial de fotocatálise heterogênea com 100 m2 de coletores CPC
(Madrid). 39

Figura 4.1 - Instalação experimental. 44

Figura 4.2 - Detalhe do dispositivo de distribuição do líquido no topo da placa. 44

Figura 4.3 - Calha coletora de líquido no final da placa. 44

Figura 4.4 - Detalhe do "ajuste fino" para nivelamento da placa de vidro. 45

Figura 4.5 - Detalhe do sistema de articulação para ajuste do ângulo de inclinação
da placa. 45

Figura 4.6 - Representação esquemática dos experimentos. 50

Figura 4.7 - Variação de absorvância com o comprimento de onda do Efluente 1. 55

Figura 5.1 - Redução nos valores da DQO em função do tempo de recirculação
nos Experimentos 14, 15 e 17 (Efluente 1). α = 2º e Q = 22,5 L/h. 74

Figura 5.2 - Redução nos valores de COT em função do tempo de recirculação nos
Experimentos 14, 15 e 17 (Efluente 1). α = 2º e Q = 22,5 L/h. 75
ix
Figura 5.3 - Redução nos valores da DQO pelo processo TiO /UV em função da
2
vazão. Efluente 2. 78

Figura 5.4 - Redução nos valores da DQO pelo processo TiO /UV em função da
2
alcalinidade. Efluente 2. 79

Figura 5.5 - Superfície de resposta do modelo quadrático para determinação da
degradação de COT em função de α e Q nos experimentos com o 80
Efluente 2.

Figura 5.6 - Cruzamento dos percentuais de degradação de COT observados com
os valores preditos pelo modelo. 81

Figura 5.7 - Inativação de microrganismos em função do tempo de recirculação
durante o Experimento 1 (14/04/2003). Efluente 1 (TiO /UV). α =
2
22º e Q = 15 L/h. 82

Figura 5.8 - Inativação de microrganismos em função do tempo de recirculação
durante o Experimento 2 (26/05/2003). Efluente 1 (TiO /UV). α =
2
22º e Q = 15 L/h. 83

Figura 5.9 - Inativação de microrganismos em função do tempo de recirculação
durante o Experimento 3 (19/05/2003). Efluente 1 (TiO /UV). α =
2
22º, Q = 22,5 L/h. 83

Figura 5.10 - Inativação de microrganismos em função do tempo de recirculação
durante o Experimento 4 (13/08/2003). Efluente 1 (TiO /UV). α =
2
22º e Q = 22,5 /h. 84

Figura 5.11 - Inativação de microrganismos em função do tempo de recirculação
durante o Experimento 5 (12/05/2003). Efluente 1 (TiO /UV). α =
2
22º e Q = 30 L/h. 84

Figura 5.12 - Inativação de microrganismos em função do tempo de recirculação
durante o Experimento 6 (08/09/2003). Efluente 1 (TiO /UV). α =
2
22º e Q = 30 L/h. 85

Figura 5.13 - Inativação de microrganismos em função do tempo de recirculação
durante o Experimento 7 (02/06/2003). Efluente 1 (TiO /UV). α =
2
12º e Q = 15 L/h. 86

Figura 5.14 - Inativação de microrganismos em função do tempo de recirculação
durante o Experimento 8 (14/12/2004). Efluente 1 (TiO /UV). α =
2
12º e Q = 15 L/h. 86

Figura 5.15 - Inativação de microrganismos em função do tempo de recirculação
durante o Experimento 9 (10/06/2003). Efluente 1 (TiO /UV). α =
2
12º e Q = 22,5 L/h. 86