Efeito de parâmetros operacionais e uso de catalisador na redução eletrolítica de nitrato em célula de dois compartimentos com eletrodo de cobre

Abstract

A contaminação de águas por nitrato tornou-se um problema mundial devido aos seus altos teores em águas superficiais e subterrâneas, sendo a contaminação proveniente, principalmente, do uso de fertilizantes. Diversos são os meios de tratamento da água contaminada com nitrato, como por exemplo, a eletrodiálise e a osmose reversa. Esses dois tipos de tratamento geram soluções concentradas do íon em questão, que necessita de pós tratamento. Logo, este estudo objetiva o tratamento de água contaminada com alta concentração de nitrato por meio dos processos de eletrorredução e eletrocatálise em célula de dois compartimentos separados por uma membrana catiônica. Metodologicamente fez-se os experimentos em dois tipos de células, denominadas A e B. Em um primeiro momento foram realizados testes em uma célula de eletrorredução, somente com eletrodo de cobre no compartimento catódico, célula A, com circulação de solução provida por bombas centrífugas. Após, passou-se a utilizar catalisador juntamente com eletrodo plano de cobre, bem como eletrodos na forma de esponjas, em uma célula de menor volume (célula B), com agitação magnética. Foram testados diferentes parâmetros operacionais nestas células: concentração inicial de nitrato, densidade de corrente, variação de vazão e pH, uso de diferentes potenciais da célula, uso de catalisador paládio e modo de operação potenciostático. Na célula A, os melhores resultados em modo galvanostático, com eficiente redução do íon nitrato e reprodutibilidade dos experimentos, foi obtido quando utilizado a concentração inicial de nitrato de 600 mg L-1 e densidade de corrente de 1,1 mA cm-2, sendo percebido que, com o aumento da densidade de corrente, tem-se um pequeno aumento na redução do íon nitrato na solução. Nesta configuração de célula, nos diferentes parâmetros operacionais, o produto formado foi predominantemente o íon nitrito, principalmente quando mantido o potencial da célula constante. Visando aumentar a formação de compostos gasosos e diminuir a formação de nitrito, fez-se experimentos em uma célula B, em que se usou catalisadores com paládio. Nesta configuração de célula foi utilizado catalisador suportado em pó/alumina, pellets/alumina e fibras de carbono ativado. O uso do catalisador na forma de pó aumentou a formação dos compostos gasosos, porém o catalisador apresentava dificuldades no seu manuseio, então foram sintetizados catalisadores na forma de pellets. Quando utilizado os pellets, os melhores resultados para a formação de compostos gasosos foram alcançados quando aplicada uma densidade de corrente de 1,5 mA cm-2, com ajuste de pH em 6,0 - 6,5 e com teor de paládio de 2,5%. O uso de fibras de carbono ativado com 3% de paládio, aplicando uma densidade de corrente de 2,0 mA cm-2 e com ajuste de pH entre 6,0 - 6,5, apresentou uma seletividade de 95% para compostos gasosos. Nesta configuração de célula, ainda, fez-se testes em modo potenciostático, em que o potencial do eletrodo de cobre (placa) foi mantido em -0,9 VAg/AgCl, sendo formado, principalmente, o íon nitrito e apresentando uma menor redução de nitrato se comparado com o modo galvanostático. Por fim, foram testados eletrodos na forma de esponjas, na célula B, em que utilizando um eletrodo de níquel há um aumento na seletividade para compostos gasosos, enquanto que o uso de cobre priorizou a formação de nitrito, o paládio favoreceu a formação do íon amônio e compostos gasosos. Pode-se concluir que o uso de eletrorredução e eletrocatálise com eletrodo de cobre em célula de dois compartimentos mostrou-se eficiente para a redução de nitrato em altas concentrações. Parâmetros operacionais como pH, concentração de nitrato, densidade de corrente e estrutura do catalisador demonstraram-se essenciais na redução do íon nitrato e formação dos produtos provenientes desta redução.

Nitrate contamination of water has become a problem worldwide, with high nitrate levels detected in surface water and groundwater, which results mainly from the use of fertilizers. Different methods are available to treat nitrate-contaminated water, such as electrodialysis and reverse osmosis. These treatments generate concentrated solutions of a given ion, which require further treatment. Thus, this study aims to treat contaminated water with high nitrate concentrations employing electroreduction and electrocatalysis processes in a cell with two compartments separated by a cation exchange membrane. Experiments were carried out in two types of cells, denominated A and B. First, tests were performed in an electrolytic cell, with only a copper electrode in the cathode compartment (cell A) and solution circulation generated by centrifugal pumps. Next, a catalyzer was used with a plain copper electrode, along with sponge electrodes, in a cell with smaller volume (cell B) and magnetic stirring. Different operational parameters were tested in these cells: initial nitrate concentration, current density, flow and pH variation, use of different cell potentials, use of palladium catalyst, and potentiostatic operation mode. In cell A, the best results in the galvanostatic mode, with efficient reduction of nitrate ion and experimental reproducibility, were obtained with an initial nitrate concentration of 600 mg L-1 and a current density of 1.1 mA cm-2; with the increase in current density there was a slight increase in nitrate reduction in the solution. In this cell configuration, for the different operational parameters, the product formed was predominantly nitrite ion, especially when cell potential was kept constant. In order to improve the gaseous compounds production, decreasing the nitrite formation, experiments in cell B with palladium catalysts were carried out. In this cell configuration, catalyst supports with powder/alumina, pellets/alumina and activated carbon fibers were employed. The powder catalyst increased the formation of gaseous products; however, it was difficult to handle it, and thus pellet catalysts were synthesized. When pellets were used, the best results for the formation of gaseous products were obtained when a current density of 1.5 mA cm-2 was applied, with pH between 6.0 – 6.5 and palladium content of 2.5%. The use of activated carbon fibers with 3% palladium, applying a current density of 2.0 mA cm-2 and pH 6.0 – 6.5, presented a 95% selectivity for gaseous compounds. Furthermore, with this cell configuration, tests were carried out in the potentiostatic mode, with the potential of the copper electrode (plate) maintained at -0.9 VAg/AgCl. Nitrite ion was the main product, with decreased nitrate reduction in comparison with the galvanostatic mode. Finally, sponge electrodes were tested in cell B, in which the use of a nickel electrode resulted in increased selectivity for gaseous compounds, while the use of copper prioritized nitrite formation, and palladium favored the formation of ammonium ion and gaseous compounds. In conclusion, the use of electroreduction and electrocatalysis with a copper electrode in a two-compartment cell was efficient to reduce nitrate in high concentrations. Operational parameters such as pH, nitrate concentration, current density and catalyst structure were determinant for nitrate ion reduction and formation of its products.