Aplicação da fotocatálise heterogênea para degradação de benzeno e fenol em um reator contínuo do tipo labirinto

Abstract

Neste trabalho, foi realizado o estudo da cinética das degradações fotocatalíticas de benzeno e de fenol, em solução aquosa, com concentrações iniciais de cerca de 30 e 50 mgL-1, respectivamente. Empregou-se um reator Slurry em bateladas, tendo como fonte de irradiação lâmpadas compactas de luz negra e vapor de mercúrio. O catalisador utilizado foi TiO2 P25 (Degussa). Na seqüência foi projetado e montado um reator fotocatalítico tipo Labirinto, o qual foi empregado para degradar fenol. As concentrações de benzeno foram determinadas em um cromatógrafo à gás com FID (Detector de Ionização de Chama). Os ensaios mostraram que a transferência de massa de benzeno para o ar é um processo importante e interfere nos resultados, dificultando a reprodutibilidade dos experimentos. Observou-se, também, que o principal produto da degradação do benzeno é o fenol. A determinação das concentrações de fenol foram feitas pelo método colorimétrico baseado na reação com a 4-aminoantipirina e analisadas por espectrofotometria. Foram avaliadas as influências dos processos de evaporação, adsorção, variação do volume da mistura reacional, fonte de irradiação e fotólise na taxa da reação de fotodegradação desta substância. A degradação fotocatalítica de fenol segue uma cinética de pseudo-primeira ordem, com uma constante cinética aparente 0,0013 min-1, sendo possível degradar 70% da concentração inicial de fenol em 33h. Na seqüência um reator contínuo do tipo labirinto foi projetado, construído e operado, tendo como fonte de irradiação lâmpadas de luz negra tubulares. Neste reator o catalisador (TiO2 P25) foi imobilizado em placas de vidro, as quais formam o seu fundo. A influência da altura da camada de líquido sobre as placas de catalisador e do processo de transferência de massa foram avaliadas. Além disso, determinou-se a Distribuição de Tempo de Residência neste reator, tendo-se constatado que sua macromistura éintermediária entre aquela de um reator ideal contínuo, agitado (CSTR) e aquela de um reator tubular com escoamento em plug flow (PFR). Quando a reação de degradação fotocatalítica de fenol é conduzida em um reator Labirinto, ocorre a desativação do catalisador pela deposição de uma substância não identificada na sua superfície; o mesmo não foi observado no reator slurry. A desativação do catalisador foi avaliada usando-se catalisador (TiO2 P25) imobilizado em placa de vidro. Esta placa foi submetida a ensaios de degradação de fenol, os quais procuraram reproduzir as condições experimentais existentes no Reator Labirinto. A desativação do catalisador por depósito na superfície, quando se degrada fenol, é um processo bastante rápido, tendo a atividade alcançado 22% da inicial em 15h.

In this work, the study of photocatalytic degradation kinetics of benzene and phenol in aqueous solution, with initial concentration of 30 mgL-1 and 50 mgL-1, respectively was made. It was used a slurry reactor in batch, using as irradiation sources black light bulb and mercury lamps. The catalyst used was TiO2 P25 (Degussa). In sequence, it was projected and built a photocatalytic reactor type labyrinth, which was used to degrade phenol. The concentrations of benzene were determined in a gas chromatographer equipped with FID (Flame Ionization Detector). The experiments showed that mass transfer of benzene to the air is an important process and interferes in the results, hindering thereproductibility. It was also observed that the main product of the benzene degradation is phenol. To determine the concentrations of phenol, a colorimetric method based on 4-aminoantipyrine reaction was used, analyzed by spectrophotometry. The influences of the evaporation and adsorption processes, variation of reactional volume, irradiation source and photolysis were evaluated. The photocatalytic reaction follows a pseudo-first order with a apparent kinetics constant equal to 0.013 min-1, being possible to degrade 70% of phenol´s initial concentration in 33h. In sequence, a continuous reactor type labyrinth was projected, built and used, having as irradiation source tubular black light bulb lamps. In thisreactor, the catalyst (TiO2 P25) was immobilized in glass plates, which form the bottom of the reactor. The influence of the liquid layer height above the glass plates and the mass transfer process were evaluated. Besides, it was determined the Residence Time Distribution (RTD) in this reactor, having verified that its macromix is between a continuous stirred tank reactor (CSTR) and a plug flow reactor (PFR). When the photocatalytic reaction is carried out in a labyrinth reactor using phenol, the deactivation occurs by the deposition of a substance non-identified on the catalyst surface; the same process was not observed in the slurry reactor. The catalyst’s deactivation process was evaluated using TiO2 immobilized in a glass plate. This plate was exposed to phenol degradation experiments, which had the purpose of simulate the experimental conditions of the labyrinth reactor. The deactivation of the catalyst by the deposition on its surface, when degrades phenol, is a process very quick, having the activity reaches 22% of its initial in 15h.