Degradação fotocatalítica da tetraciclina em solução aquosa empregando TiO2 suportado

Abstract

No presente trabalho foi realizado o estudo da degradação fotocatalítica da tetraciclina, um antibiótico de uso comum que, por suas características, pode representar uma ampla gama de medicamentos. Os experimentos ocorreram em dois tipos de reatores: batelada e contínuo. O catalisador foi o TiO2 (P-25 Degussa), utilizado no meio reacional de dois modos: em suspensão e suportado sobre uma placa de vidro. Como fonte de radiação foram utilizadas lâmpadas de vapor de mercúrio e lâmpadas de luz negra. A determinação da concentração de tetraciclina nas amostras foi realizada por espectrometria UV-vis. Foram executados, ainda, experimentos com adição de H2O2 à mistura reacional. A adsorção do medicamento na superfície catalítica foi influenciada pelas condições operacionais do processo. A quantidade máxima de tetraciclina adsorvida foi de 46,5 mg gcat -1 (T=20°C e pH inicial = 8,0). O tempo necessário para se atingir o equilíbrio de adsorção dessorção apresentado foi de cerca de 28 minutos. Nas condições operacionais estudadas, não foi verificada a ocorrência de fotólise no meio reacional, podendo-se afirmar que nos experimentos realizados sem a presença de H2O2, a degradação do antibiótico foi realizada através dos mecanismos da fotocatálise heterogênea. Todas as reações de degradação da tetraciclina realizadas no sistema em batelada podem ser modeladas satisfatoriamente como sendo de pseudoprimeira ordem, com baixos valores para energia de ativação. Na faixa estudada, observou-se que os incrementos da temperatura, assim como elevados valores do pH inicial do meio, favorecem o aumento da constante da taxa. As reações realizadas com a adição de peróxido de hidrogênio na concentração de 3% forneceram uma constante da taxa 2,6 vezes maior quando que a encontrada para o processo fotocatalítico operado nas mesmas condições, além de promover o desaparecimento de 68,6% da tetraciclina inicial do meio após o período de 60 minutos. O catalisador suportado apresentou atividade fotocatalítica significante durante um período de 22 horas. Após o processo de regeneração, o mesmo apresentou taxas menores do que as alcançadas para o catalisador virgem e também sofreu uma desativação mais rápida com o passar do tempo de operação. Os testes realizados em um sistema contínuo de fotodegradação, com reciclo total em um reator tipo labirinto demonstraram que esse sistema operou sob controle da transferência de massa. A maior taxa de degradação foi alcançada na vazão de 3 L min-1, com o desaparecimento de cerca de 81% da concentração inicial do fármaco.

In this work we performed a study of the photocatalytic degradation of tetracycline, a commonly used antibiotic that, due to its characteristics, can represent a wide range of drugs. The experiments took place in two types of reactor: batch and continuous. The catalyst was TiO2 (P-25 Degussa), employed in the reaction medium in two manners: in suspension and supported on a glass plate. Mercury vapor UV lamps were used as radiation sources. The concentration of tetracycline in the samples was determined by UV-Vis spectrometry. Experiments with the addition of H2O2 to the reaction mixture were also performed. Drug adsorption on the catalytic surface was influenced by the operational conditions of the process. The highest amount of tetracycline adsorbed was of 46.5 mg gcat-1 (T=20°C and initial pH = 8.0). The time necessary for achieving the presented adsorption-desorption equilibrium was of approximately 28 minutes. No photolisis was verified in the reaction medium for the operational conditions studied, which makes possible affirm that the antibiotic degradation took place through mechanisms of heterogeneous photocatalysis in the experiments carried out without presence of H2O2. All the tetracycline degradation reactions performed in the batch reactor could be satisfactorily modeled as pseudo-first order, with low values of activation energy. It was observed that, for the studied range, both the temperature increments and the higher initial pH values favored the increase of the reactions rate constant. The reactions performed with the addition of hydrogen peroxide (3%) led to a rate constant 2.6 times higher than the one found for the photocatalytic process performed on the same conditions, besides promoting the disappearance of 68.6% of the initial tetracycline in the medium after a 60 minutes period. The glass-supported catalyst presented a significant photocatalytic activity for a period of 22 hours. After the regeneration process, the same catalyst presented lower rates than the fresh catalyst, and also suffered a faster deactivation as the operation progressed. The tests carried out in a continuous system of photodegradation with complete recycling in a labyrinth-type reactor showed that this system operated under mass transfer control. The higher degradation rate was achieved in a flow rate of 3 L min-1 in which approximately 81% of the initial drug concentration was degraded.