Oxidação eletroquímica avançada aplicada na degradação de prednisona utilizando ânodo de diamante dopado com boro

Abstract

Essa dissertação de mestrado teve como objetivo investigar a aplicabilidade da oxidação eletroquímica avançada (OEA) na degradação e mineralização da prednisona (PRED), utilizando um ânodo de diamante dopado com boro suportado em nióbio, com uma concentração de boro igual a 5000 ppm (Nb/DDB5000). Inicialmente, esse ânodo foi caracterizado por voltametria cíclica quanto à proporção diamante-sp³/sp²-carbono, janela de potencial, reação para evolução de oxigênio e quanto aos fenômenos de oxidação que ocorrem na superfície. Os voltamogramas indicaram que o ânodo utilizado possui alta quantidade de diamante-sp3, caracterizando-o como um filme de diamante de alta qualidade. Consequentemente, a reação de evolução de oxigênio inicia em potenciais mais elevados, favorecendo a geração de radicais hidroxila no processo. Os voltamogramas também indicaram que a oxidação da PRED é mediada por radicais hidroxila e por íons persulfato gerados a partir do eletrólito suporte (Na2SO4). A influência de parâmetros operacionais como a densidade de corrente aplicada (5, 10 e 20 mA cm-2) e o pH inicial da solução de trabalho (3, 7 e 11) foram avaliados no processo de OEA Os resultados foram discutidos em termos de degradação, mineralização, cinética de reação, eficiência de corrente para mineralização e consumo energético. Todas as configurações experimentais avaliadas apresentaram bons coeficientes de correlação com o modelo de Langmuir-Hinshelwood, indicando que a reação de mineralização da PRED é de primeira ordem. Os resultados de remoção da concentração de PRED e todos os parâmetros referentes à mineralização da PRED indicam que a melhor condição experimental encontrada é obtida em pH alcalino, aplicando uma densidade de corrente de 20 mA cm-2. Nessas condições, os íons persulfato (com menor poder de oxidação) são consumidos, gerando radicais hidroxila (maior poder de oxidação), favorecendo a mineralização da PRED. Portanto, a escolha dos parâmetros corretos no processo de OEA pode melhorar a mineralização da PRED, reduzindo a formação de produtos intermediários de reação não desejados.

This study aimed to evaluate the advanced electrochemical oxidation (AEO) applicability in the degradation and mineralization of prednisone (PRED) using a boron-doped diamond anode supported in niobium, with a boron concentration of 5000 ppm (Nb/BDD5000). First, the anode was characterized by cyclic voltammetry regarding the diamond-sp³/sp²-graphite ratio, potential window, oxygen evolution reaction and oxidation phenomena on the surface. The voltammograms indicated that the anode used has a high amount of sp³-diamond content, characterizing it as a high-quality diamond film. Consequently, the oxygen evolution starts at higher potentials, enhancing the hydroxyl radicals generation in the process. The voltammograms also indicated that the oxidation of prednisone (PRED) is mediated by hydroxyl radicals and by persulfate ions generated from the supporting electrolyte (Na2SO4). The influence of operational variables such as the applied current density (5, 10 and 20 mA cm-2) and the initial pH of the work solution (3, 7 and 11) were evaluated. The results were discussed regarding the degradation, mineralization, kinetics, mineralization current efficiency and energy consumption. All experimental arrangements evaluated showed good correlation coefficient with the Langmuir-Hinshelwood model, indicating that the PRED mineralization is a first order reaction. The PRED concentration removal and all parameters regarding the PRED mineralization indicated that the best experimental condition is obtained at alkaline pH and a current density of 20 mA cm-2. Under these conditions, the persulfate ions (with lower oxidation power) are consumed, generating hydroxyl radicals (greater oxidation power), benefiting the PRED mineralization. Therefore, choosing the correct parameters in the AEO process can improve PRED mineralization by reducing the formation of undesired reaction intermediates.