Degradação fotocatalítica de nicotina em solução aquosa empregando ZnO, TiO2 e catalisadores não convencionais em suspensão

Abstract

O presente trabalho estuda a degradação fotocatalítica da nicotina em solução aquosa, um alcaloide altamente tóxico que tem sido detectado em efluentes, águas subterrâneas e água mineral. Os experimentos foram realizados em um reator batelada sob irradiação ultravioleta, tendo sido avaliadas três principais variáveis: concentração inicial do contaminante, concentração de catalisador e pH inicial da solução. Foram realizados dois planejamentos de experimentos para os catalisadores comerciais ZnO e TiO2, com o objetivo de encontrar a melhor condição para promover a degradação da nicotina em água. Outros catalisadores, preparados a partir de resíduos industriais e laboratoriais, foram testados nas condições otimizadas. O método analítico empregado para quantificar a nicotina nas amostras foi a cromatografia líquida de alta eficiência, o que permitiu registrar a formação de intermediários e subprodutos de reação. Os resultados experimentais demostraram que a degradação da nicotina por fotocatálise heterogênea é um processo bastante eficiente. Em ambos os planejamentos, o pH foi a variável que exerceu o maior efeito sobre a degradação, sendo este fortemente positivo. Já a concentração inicial de nicotina exerceu efeito negativo sobre a resposta e a concentração de catalisador em suspensão exibiu um ponto ótimo, que correspondeu a 0,91 g.L-1 para o ZnO, e 1,20 g.L-1 para o TiO2. Ensaios foram realizados nas condições otimizadas encontradas, onde cerca de 98% da molécula foi degradada utilizando ZnO em suspensão e 88% empregando TiO2, em uma hora de reação. A degradação fotocatalítica da nicotina demonstrou seguir uma cinética de pseudoprimeira ordem dentro do tempo de reação de 60 minutos, para os dois catalisadores comerciais. Entre os catalisadores não convencionais que foram testados, aquele que demonstrou o maior percentual de degradação foi obtido a partir de resíduo de uma indústria petroquímica, cerca de 43%.

The present work studies the photocatalytic degradation of nicotine in aqueous solution. This alkaloid is highly toxic and it has been detected in wastewater, groundwater and mineral water. The experiments were performed in a batch reactor under ultraviolet radiation. Three main variables of process were evaluated: initial concentration of pollutant, catalyst concentration and initial pH of the solution. Two experimental designs were performed for commercial catalysts ZnO and TiO2. The purpose was to find the best condition to promote the nicotine degradation in water. Other catalysts prepared from industrial and laboratory waste were tested under the optimized conditions. Analytical method used to quantify nicotine and its degradation products in all samples was high performance liquid chromatography. Experimental results showed that nicotine degradation by heterogeneous photocatalysis is a very efficient process. In both designs, initial pH was the most significant variable which has a strong positive effect. Initial nicotine concentration showed a negative effect, and catalyst concentration exhibited an optimal value for both commercial catalysts: 0,91 g.L-1 using ZnO, and 1,20 g.L-1 with TiO2. At the best conditions, about 98% of the molecule was degraded using ZnO and 88% with TiO2. Photocatalytic nicotine degradation followed a pseudo first order kinetic until 60 minutes of reaction for both commercial catalysts. Among the non-conventional catalysts tested, the one prepared from a petrochemical industry residue exhibited the highest photocatalytic degradation, about 43%.