Aplicação de oxidação eletroquímica avançada na eliminação de atenolol : reatores de simples e duplo compartimento

Abstract

Esta tese de doutorado avaliou a influência de diferentes parâmetros operacionais visando otimizar a oxidação eletroquímica avançada (OEA) do Atenolol (ATN) em um reator de compartimento simples, como i) o material de ânodo, diamante dopado com 2500 mg/kg de boro suportado em nióbio (Nb/DDB2500) ou Ti/TiO2(70%)RuO2(30%); ii) a concentração do eletrólito de suporte sulfato de sódio de 0,014, 0,028 e 0,056 M (2, 4 e 8 g/L, respectivamente); iii) a densidade de corrente aplicada (5, 10, 20, 30 e 40 mA/cm²); iv) a adição de membranas Nafion®117, HDX200 e AMHPP no reator de compartimento simples, originando os reatores de compartimento duplo. Além disso, ensaios de voltametria foram empregados para avaliar o mecanismo de degradação do ATN. Os resultados evidenciaram que o ATN é efetivamente oxidado, por via direta e indireta, por meio da eletrogeração de radicais hidroxila (HO•) e radicais sulfato (SOସ •ି) em eletrodos de Nb/DDB2500. No entanto, em eletrodos do tipo ânodos dimensionalmente estáveis (ADE®) de Ti/TiO2(70%)RuO2(30%) a oxidação do ATN ocorre apenas por via indireta, pelos radicais HO• e SOସ •ି, devido à atividade do eletrodo para a reação de evolução de oxigênio (REO). O emprego das membranas entre os eletrodos proporcionou alterações nas características químicas das soluções em tratamento, especialmente no pH e condutividade elétrica. A membrana catiônica Nafion®117 permitiu a passagem do ATN entre os compartimentos, as membranas aniônicas HDX200 e AMHPP evitaram o transporte da molécula de ATN, porém houve fluxo de intermediários e/ou desprendimento de moléculas orgânicas provenientes da degradação das membranas aniônicas. A adição das membranas, conforme proposto pelo modelo estudado, não apresenta ser viável, pois o fluxo de moléculas orgânicas através das membranas e, principalmente, a degradação das membranas aniônicas utilizadas podem limitar o processo. Portanto, neste trabalho a maior degradação e mineralização do ATN foi alcançada com o reator de compartimento simples, aplicando-se as densidades de corrente de 30 e 40 mA/cm², com as concentrações de 0,014 e 0,056 M de Na2SO4 e com o eletrodo Nb/DDB2500. Nessas condições experimentais foi possível alcançar uma degradação de 100% e mineralização de 75% em 150 min de tratamento.

Esta tesis doctoral evaluó la influencia de diferentes parámetros operativos con el fin de optimizar la oxidación electroquímica avanzada (OEA) del Atenolol (ATN) en un reactor de un solo compartimento, como i) el material del ánodo, diamante dopado con 2500 mg/kg de boro soportado en niobio (Nb/DDB2500) o Ti/TiO²(70%)RuO2(30%); ii) la concentración del electrolito soporte sulfato de sodio 0,014, 0,028 y 0,056 M (2, 4 y 8 g/L, respectivamente); iii) la densidad de corriente aplicada (5, 10, 20, 30 y 40 mA/cm²); iv) la adición de membranas Nafion®117, HDX200 y AMHPP en el reactor de un solo compartimento, dando lugar a los reactores de doble compartimento. Además, se utilizaron pruebas de voltamperometría para evaluar el mecanismo de degradación del ATN. Los resultados mostraron que el ATN se oxida efectivamente, directa e indirectamente, mediante la electrogeneración de radicales hidroxilo (HO•) y radicales sulfato (SOସ •ି) en electrodos Nb/DDB2500. Sin embargo, en electrodos de tipo ánodo dimensionalmente estable (ADE®) de Ti/TiO2(70%)RuO2(30%) la oxidación del ATN ocurre solo indirectamente, por los radicales HO• y SOସ •ି, debido a la actividad del electrodo para la reacción de evolución de oxígeno (REO). El empleo de las membranas entre los electrodos proporcionó cambios en las características químicas de las disoluciones en tratamiento, especialmente en el pH y la conductividad eléctrica. La membrana catiónica Nafion®117 permitió el paso de ATN entre los compartimentos, las membranas aniónicas HDX200 y AMHPP impidieron el transporte de la molécula de ATN, pero hubo un flujo de intermedios y/o desprendimiento de moléculas orgánicas provenientes de la degradación de las membranas aniónicas. La adición de membranas, según lo propuesto por el modelo estudiado, parece no ser viable, ya que el flujo de moléculas orgánicas a través de las membranas y, principalmente, la degradación de las membranas aniónicas utilizadas puede limitar el proceso. Por lo tanto, en este trabajo la mayor degradación y mineralización de ATN se logró con el reactor de un solo compartimiento, aplicando densidades de corriente de 30 y 40 mA/cm², con las concentraciones 0,014 y 0,056 M de Na2SO4 y con el electrodo Nb/DDB2500. Bajo estas condiciones experimentales fue posible lograr el 100% de degradación y el 75% de mineralización en 150 min de tratamiento.

This doctoral thesis evaluated the influence of different operational parameters in order to optimize the electrochemical advanced oxidation (EAO) of Atenolol (ATN) in a single compartment reactor, such as i) the anode material, diamond doped with 2500 mg/kg of boron supported on niobium (Nb/DDB2500) or Ti/TiO2(70%)RuO2(30%); ii) concentration of the sodium sulphate supporting electrolyte 0.014, 0.028 and 0.056 M (2, 4 and 8 g/L, respectively); iii) applied current density (5, 10, 20, 30 and 40 mA/cm²); iv) addition of Nafion®117, HDX200 and AMHPP membranes in the single compartment reactor, giving rise to the double compartment reactors. In addition, voltammetry tests were used to evaluate the ATN degradation mechanism. The results showed that ATN is effectively oxidized, directly and indirectly, through the electrogeneration of hydroxyl radicals (HO•) and sulfate radicals (SOସ •ି) in Nb/DDB2500 electrodes. However, in dimensionally stable anode (DSA®) consisting of Ti/TiO2(70%)RuO2(30%), the oxidation of ATN occurs only indirectly, by HO• radicals and SOସ •ି, due to the electrode activity for the oxygen evolution reaction (OER). The use of membranes between the electrodes provided changes in the chemical characteristics of the solutions under treatment, especially in pH and electrical conductivity. The cationic membrane Nafion®117 allowed the passage of ATN between the compartments, the anionic membranes HDX200 and AMHPP prevented the transport of the ATN molecule, but there was a flow of intermediates and/or detachment of organic molecules from the degradation of the anionic membranes. The addition of membranes, as proposed by the studied model, does not appear to be viable, as the flow of organic molecules through the membranes and, mainly, the degradation of the used anionic membranes, can limit the process. Therefore, in this work, the highest ATN degradation and mineralization was achieved with the single compartment reactor, applying current densities of 30 and 40 mA/cmଶ, with the 0.014 and 0.056 M of Na2SO4 and with the Nb/DDB2500 electrode. Under these experimental conditions it was possible to achieve 100% degradation and 75% mineralization in 150 min of treatment.