Thesis (MScEng (Process Engineering))--University of Stellenbosch, 2006. / This work focuses on the effects of hydrogen peroxide concentration on the catalytic activity and product selectivity in the liquid-phase hydroxylation of phenol over titanium-substituted zeolites Al-free Ti-Beta and TS-1 in water and methanol solvents. Hydroquinone is typically the desired product, and these solvents employed have previously been shown to be of importance in controlling the selectivity of this reaction. Different volumetric quantities of an aqueous 30 wt-% peroxide solution were added to either water or methanol solutions containing the catalyst and phenol substrate, and the reaction monitored by withdrawing samples over a period of 6-8 hours. For Al-free Ti-Beta catalysed reactions, the peroxide concentration affects the selectivity and activity differently in water and methanol solvents. Using methanol solvent, the selectivity to hydroquinone formation is dominant for all peroxide concentrations (p/o-ratio > 1), and favoured by higher initial peroxide concentrations (> 1.27 vol-%), where p/o-ratios of up to can be reached; in water solvent, increasing the peroxide concentration above this level results in almost unchanging selectivity (p/o-ratio of ca. 0.35). For lower peroxide concentrations in water, the p/o-ratio increases slightly, but never exceeds the statistical distribution of ca. 0.5. Using water as a solvent, higher phenol conversion is obtained as the initial peroxide concentration increases; in methanol the phenol conversion is largely independent of peroxide concentration. As expected for the smaller pore TS-1, higher hydroquinone selectivity is obtained in methanol than for Al-free Ti-Beta, which is consistent with shape-selectivity effects enhanced by the use of this protic solvent. Interestingly, with TS-1 the p/o-ratio is higher at lower phenol conversions, and specifically when the initial peroxide concentration is low (p/o-ratio exceeding 3 were obtained at low phenol conversion), and decreases to a near constant value at higher conversions regardless of the starting peroxide concentration. Thus, low peroxide concentrations favour hydroquinone formation when TS-1 is used as the catalyst. Comparing the performance of the two catalysts using methanol solvent, the phenol conversion on TS-1 is more significantly influenced by higher hydrogen peroxide concentrations than Al-free Ti-Beta. However, with higher initial concentrations the unselective phenol conversion to tars is more severe since the hydroquinone selectivity is not higher at these high peroxide concentrations. The increased tar formation, expressed as tar deposition on the catalyst or as the tar formation rate constant, confirms that the greater amount of free-peroxide present is mainly responsible for the non-selective conversion of phenol. Kinetic modelling of the reaction data with an overall second-order kinetic model gave a good fit in both solvents, and the phenol rate constant is independent of changing hydrogen peroxide concentration for the hydroxylation over Al-free Ti-Beta using water as the solvent (kPhenol = 1.93 x 10-9 dm3/mmol.m2.s). This constant value suggests that the model developed to represent the experimental data is accurate. For TS-1 in methanol solvent the rate constant is also independent of peroxide concentration (kPhenol = 1.36 x 10-8 dm3/mmol.m2.s). The effect of the method of peroxide addition was also investigated by adding discrete amounts over a period of 4.5 hours, and was seen to improve hydroquinone selectivity for reaction on both catalysts, and most significantly for Al-free Ti-Beta in methanol solvent. With TS-1, the mode of peroxide addition had little influence on phenol conversion, but the initial selectivity to hydroquinone was ca. 1.6 times higher than for an equivalent single-portion addition (at a similar phenol conversion). Discrete peroxide addition for hydroxylation in methanol over Al-free Ti-Beta gave greatly improved hydroquinone selectivities compared to the equivalent single-dose addition. Compared to TS-1, the initial selectivity was not as high (p/o-ratios of 0.86 and 1.40 respectively at 10 mol-% phenol conversion), but this can be explained on the basis of geometric limitations in the micropores of TS-1 favouring hydroquinone formation. The final selectivity, however, is marginally higher (using the same mode of peroxide addition, and at the same phenol conversion). Discrete peroxide addition has an additional benefit in that it also reduces the quantity of free-peroxide available for product over-oxidation, and consequently reduces the amount of tars formed. Thus, the interaction of the effects of peroxide concentration and the solvent composition and polarity on the product selectivity and degree of tar formation is important. Particularly with TS-1, lower peroxide concentrations in bulk methanol solvent are highly beneficial for hydroquinone formation, because of the implicit geometric constraints in the micropores, the lower water concentration, and the decreased tar formation associated with high methanol concentrations. This could have significant reactor design implications, as the results obtained here suggest that the reaction should be terminated after approximately 30 minutes to maximise hydroquinone production (under the conditions evaluated in these experiments), even though the corresponding phenol conversions are low (ca. 10 mol-%). The higher hydroquinone selectivities reached at low phenol conversions for the discrete peroxide addition experiments also confirm this. Practically, to enhance the hydroquinone selectivity for reaction over TS-1, the initial phenol-peroxide molar ratio should be ca. 10, methanol should constitute not less than 90 vol-% of the reaction volume, and the peroxide should be added in discrete amounts. For reaction over Al-free Ti-Beta, methanol solvent also enhances the hydroquinone formation as expected. At low phenol conversions (ca. 10 mol-%) hydroquinone is still the preferred product, although in contrast to TS-1 the selectivity increases with phenol conversion, and is higher with higher initial peroxide concentrations. Under the best conditions evaluated here for optimal hydroquinone formation, the initial phenol-peroxide molar ratio should be ca. 2.5, with methanol making up at least 90 vol-% of the total volume. Discrete peroxide addition in methanol solvent for the Al-free Ti-Beta catalysed hydroxylation gives excellent improvements in hydroquinone selectivity (2.5 times higher than water solvent), and the addition in more discrete portions might further improve hydroquinone formation, and should therefore be examined.

Para o estudo usou-se uma coluna de vidro, com 2,75 m de altura e 3,7 cm de diâmetro interno, contendo 29 pratos perfurados (diâmetro dos furos, 0,3 cm e área livre de 35 %), com espaçamento de 9,35 cm. O solvente percorria a coluna no sentido ascendente e a fase contínua, no contrário. A pulsação era fornecida ao sistema líquido por uma biela ligada excentricamente a uma polia, de um lado, e a uma junta de expansão, do outro. A frequência variou de 0 a 2,8 s-1 e a amplitude, de 0,6 a 2,3 cm. Uma primeira série de ensaios foi feita com o sistema binário acetato de n-butila-água, pois, para ele, há dados disponíveis para comparação. Dos resultados obtidos, concluiu-se ser conveniente o desempenho do equipamento. Em seguida, usou-se (a) o sistema metil isobutil cetona-água para levantar curvas de inundação e retenção da fase dispersa para várias condições de operação e (b) o sistema metil isobutil cetona-fenol-água para obter dados de transporte de massa, ou seja, altura equivalente a um estágio de equilíbrio e eficiência da remoção do fenol. Os resultados foram comparados, quando possível, com outros da literatura e com correlações existentes; em alguns casos, obtiveram-se correlações próprias. Os resultados alcançados são reprodutíveis e, para propriedades físicas e geométricas semelhantes, comportam-se de modo compatível com os da literatura. O processo é razoavelmente eficiente na remoção do fenol. / The extraction of phenol from aqueous solutions using a pulsed perforated-plate column was studied. The glass column, 2.75 m high and 3.7 cm internal diameter contains 29 perforated plates (0.3 cm holes and 35% of free area). The solvent flows upwards and the continuous phase, downwards. The pulsation was obtained by the expansion and compression of an expansion joint. Frequency varied from 0 to 2.8 s-1 and amplitude, from 0.6 to 2.3 cm. The initial tests were undertaken with the binary system n-butyl acetate-water because, for this system, there are data for comparison. It was shown that the equipment leads to convenient results. Then, the system methylisobutylketone-water was used to obtain flooding curves and dispersed phase hold-up and the system MIBK-phenol-water to study height equivalent to a theoretical stage and the phenol separation efficiency. The results were compared, whenever possible, with data from the literature and with existing correlations; specific correlations were obtained in certain cases. Results are reproducible and, for similar geometries and physical properties they are compatible with those of literature. The equipment is rather efficient in removing the phenol from the solution.

O tratamento por técnicas eletroquímicas é provavelmente uma das metodologias mais prometedoras na descontaminação de sistemas particulados, sendo capaz da remoção, total ou parcial, de contaminantes como metais pesados, radionuclídeos, orgânicos e inorgânicos. Pelo uso de uma diferença de potencial elétrico em correntes baixas aplicadas através de pares de eletrodos, os contaminantes são movidos sob a ação do campo elétrico. A extração de impurezas pelo método eletrocinético é baseada na suposição que as moléculas estejam ou sejam evoluídos para a fase liquida. O ciclo completo envolve a adsorção, o transporte, a captação, e a remoção do contaminante dos meios porosos. Neste trabalho avaliou-se o emprego da técnica de eletroosmose na remoção de fenol em meios líquidos e porosos. O fenol foi escolhido por ser um composto altamente tóxico, proveniente de refinarias de óleos, industrias de tintas e principalmente pesticidas. Para a validação do processo em escala de laboratório, foi confeccionada uma célula eletroquímica para um volume de 700 cm3, com eletrodos de titânio. A concentração de fenol utilizada para este experimento foi constante de 11 mM. Água destilada, areia, pós de vidro e solo foram classificados, caracterizados e selecionados como meios porosos experimentais. As aplicações das cargas variaram de O a 120-140-240 minutos, sendo que o mapeamento do pH indicou eletromigração de espécies em todos os sistemas. Na eletroosmose temos o arraste das moléculas de fenol em direção ao catodo simultâneo à eletrólise da água, cujas concentrações relativas de contaminante foram avaliadas por espectroscopia de UV-Vis. A montagem dispõe de um reservatório para coleta de produtos de reação em cada eletrodo sendo possível a remoção do íon fenólico migrado. O processo apresentou eficiências variando de 40% a 60% na extração, dependendo das características do meio poroso. De um modo geral a técnica apresentou-se ecologicamente viável e econômica, como procedimento de remediação de solos e sistemas particulados diversos. / The use of electrochemical techniques is probably one of most promising technology for particulate system decontamination treatments. This methodology appears as able to remove heavy metals, radionucletides and organic and inorganic contaminations. By using an electric potential difference with low currents intensities through electrodes, the contaminants in the porous medium are dragged under electric field action. The contaminant removal is base on the supposition that the impurities are in solution or elute to the liquid phase. The whole cycle involves adsorption, transport, collection and removal of contaminants from the medium. In this work it was studied the use of the electroosmosis technique for removal of phenol from porous and aqueous medium. Phenol was chose because of its high toxicity and the regularly use in oil refineries, ink industries and pesticides. To validate the process, in laboratorial scale, an electrochemical cell of 700 cm3 volume, with titanium electrodes was constructed. The phenol concentration was 11 mM. Distillated water, sand, glass powder and sample of soil were classified, characterized and selected to constitute the porous media. The charge application time varied from 120 to 140 to 240 minutes and the pH mapping showed migration effect in ali of the systems. In the electroosmosis process we have the molecules of phenol dragged towards the cathode simultaneously to the water electrolysis. The relative concentrations of phenol were evaluated by UV-Vis spectroscopy. In the experimental setup a reservoir in each electrode was assembled in order to collect the reaction products. The process efficiencies are in a range from 40% to 60%, dependent of the porous medium characteristics. In a broad sense, the technique showed feasible as an economic and ecological procedure for soil and particulate system remediation.

No processo UV/H2O2, oxidar o substrato a CO2 e água resulta em um elevado consumo de H2O2. Então, esse processo tem sido proposto como um pré-tratamento para reduzir a toxicidade a níveis seguros para o tratamento biológico posterior. Por essa razão, é necessário estudar o progresso da reação, pois a toxicidade de alguns intermediários formados durante a oxidação pode ser mais elevada que a do composto inicial. Neste trabalho, os experimentos foram realizados em um reator tubular fotoquímico, contendo em seu eixo uma lâmpada de vapor de mercúrio de baixa pressão, conectado a um tanque de recirculação. O processo UV/H 2O2 é aplicado no tratamento de água contendo fenol (50500mg C.L-1). Os resultados demonstraram que o principal produto da oxidação primária é o catecol, indicando que a hidroxilação ocorre predominantemente na posição orto. A abertura do anel aromático leva à formação de ácidos orgânicos, o que explica a diminuição do pH durante a reação. Foram identificados os seguintes ácidos: fórmico, oxálico, maleico e malônico. Na etapa seguinte desse trabalho, dois modelos cinéticos foram desenvolvidos. Os modelos foram baseados nas reações químicas e fotoquímicas iniciadas pelos radicais hidroxila gerados pela fotólise do peróxido de hidrogênio. Foram utilizados os valores encontrados na literatura para os parâmetros fotoquímicos e constantes cinéticas das reações fotoquímicas. Os resultados experimentais foram utilizados para estimar as constantes cinéticas das reações que envolvem os compostos aromáticos. No primeiro modelo foram contempladas todas as reações fotoquímicas envolvidas e, no segundo, apenas as consideradas mais significantes. Os resultados das simulações considerando os parâmetros ajustados mostraram uma melhor concordância com os dados experimentais para o primeiro modelo. As constantes cinéticas deste modelo para as reações nas quais o fenol é oxidado a catecol (k14) e hidroquinona (k15) foram 2,60x108L.mol-1.s-1 e 1,03x108L.mol-1.s-1, respectivamente. As constantes cinéticas para a oxidação do catecol (k17) e hidroquinona (k18) encontradas foram 1,41x108L.mol-1.s-1 e 2,02x108L.mol-1.s-1, respectivamente. Também foi observada elevada correlação entre as constantes k14 e k17 e entre k15 e k18. / In the UV/H2O2 process, the oxidation of the substrate to CO2 and water results in high H2O2 consumption. Due to this fact the process has been proposed as a pretreatment to reduce toxicity to safe levels prior to biological treatment. Thus, it is necessary to study the reaction progress because some intermediate compounds may be more toxic than the initial compound. In the present study experiments were carried out in a lab-scale tubular photochemical reactor with a low-pressure mercury vapor lamp placed in its axis, connected to a recirculation tank. The UV/H2O2 process was applied to the degradation of an aqueous solution containing phenol as a model pollutant (concentration range: 50-500mg.L-1). The experimental results indicated that orto-hydroxylation (catechol formation) was predominant. The cleavage of the aromatic ring resulted in the production of organic acids, which caused the pH decrease over the reaction time. The following acids were detected: formic, oxalic, maleic and malonic. The experimental results were used to estimate kinetic rate constants for the reactions involving aromatic compounds according to two kinetic models based on chemical and photochemical reactions, initiated by hydrogen peroxide photolysis to produce hydroxyl radical. Numerical values of chemical reaction rate constants and photochemical parameters were taken from literature. The first model considered all photochemical while the second model considered the most significant ones. The parameter fitting results showed better agreement with experimental values based on the first model. The resulting values for the rate constants according to this model were as follows: 2.60x108L.mol-1.s-1 for phenol oxidation to catechol, and 1.03x108L.mol-1.s-1 for phenol oxidation to hydroquinone by hydrogen peroxide. The reaction rate constants for the oxidation of catechol, and hydroquinone by hydrogen peroxide are 1.41x108L.mol-1.s-1 and 2.01x108L.mol-1.s-1, respectively. A high correlation was observed between constants k14 and k17, and between k15 and k18.

O lodo de esgoto é um resíduo gerado em grandes quantidades nas ETEs. Apenas na Região Metropolitana de São Paulo em 2015 prevê-se uma produção de 1538 toneladas por dia. Diferentemente de países desenvolvidos, no Brasil a maior parte desse resíduo é enviada para aterros sanitários, sendo ignoradas outras possibilidades de utilização. A pirólise do lodo é uma alternativa à incineração, e possui vantagens como a geração de subprodutos mais úteis como, por exemplo, materiais porosos para adsorção de poluentes de meios aquosos e gasosos. Visando novas utilizações para o lodo de esgoto da ETE Barueri, a presente pesquisa teve como objetivo o estudo de sua pirólise para obtenção de produtos contendo coque e sua utilização como material adsorvente de poluentes (fenol e tartrazina) em meio aquoso. Também foi estudado o potencial de uso energético do lodo e de coques obtidos por pirólise por meio da determinação de seus poderes caloríficos. Para sua utilização na pesquisa, o lodo foi coletado, seco, macerado e passado em peneira ABNT 200, produzindo um material identificado como S2. Por análises do seu processo de pirólise determinou-se a temperatura mais indicada para formação de coque, obtendo-se o valor de 500°C. Foram então realizadas pirólises isotérmicas nessa temperatura por diferentes períodos de tempo (0, 30, 60, 120 e 180 minutos) produzindo cinco produtos de pirólise diferentes (C0, C30, C60, C120 e C180), os quais foram caracterizados e utilizados nos ensaios de adsorção de fenol e de tartrazina de soluções aquosas com obtenção dos respectivos diagramas de fase. As isotermas de Langmuir representaram com bons coeficientes de correlação a adsorção nos produtos de pirólise, os quais devido à baixa área superficial e caráter mesoporoso apresentaram adsorção de fenol (3,68 mg.g-1 a 6,21 mg.g-1) muito menor que a de tartrazina (17,86 mg.g-1 a 45,66 mg.g-1), tendo C30 e C60 exibido capacidades adsortivas superiores à encontrada para o carvão ativo comercial. Quanto ao uso energético de S2, obteve-se por análise térmica diferencial quantitativa um poder calorífico muito próximo ao do obtido por bomba calorimétrica, de 9,27 MJ.kg-1, indicando que pode ser utilizado como combustível para sua pirólise auto-sustentável. / Sewage sludge is a solid waste generated in large quantities in wastewater treatment plants. Only in the São Paulo metropolitan area in 2015 is expected a production of 1538 tons per day for this residue. Against the trend in developed countries, most of this waste is sent to landfills in Brazil, being ignored other possible uses. Sewage sludge pyrolysis is an alternative to incineration and presents as advantages the generation of more useful byproducts such as, porous materials to be used for adsorption in aqueous and gaseous media. Aiming new applications for sewage sludge from Barueri wastewater treatment station, this thesis had as objective to study its pyrolysis to obtain products containing coke and their use as adsorbent materials of pollutants (phenol and tartrazine) in aqueous media. The potential energy use of S2 was also studied as well as of its pyrolyzed products, by determining their calorific values. For their use in the research, the sludge samples were collected, dried, ground and milled until they passed an ABNT 200 sieve. Analyzing the S2 pyrolysis process, 500°C was the most indicated temperature for coke formation. Then, after being heated to this temperature, isothermal pyrolysis were carried out for different time periods (0, 30, 60, 120 and 180 minutes) producing five pyrolysis products (C0, C30, C60, C120 and C180), which were characterized and used in adsorption experiments of phenol and tartrazine aqueous solutions, obtaining their respective phase diagrams. Langmuir isotherms represented with good correlation factors the adsorption of those adsorbates on pyrolysis products, which, due to the low surface area and mesoporous characteristics, showed a phenol adsorption (3.68 mg.g-1 to 6.21 mg.g-1) much smaller than that of tartrazine (17.86 mg.g-1 to 45.66 mg.g-1) and C30 and C60 have exhibited adsorption capacities higher than those found for commercial active carbon. Regarding energetic use, S2 has a calorific power of 9.27 MJ.kg-1 obtained by calorimetric bomb, which was a very close value to that found by quantitative differential thermal analysis (DTA) using sapphire, indicating that it can be used as a solid fuel for its auto-sustainable pyrolysis.

Os estudos de impacto ambiental em sistemas aquáticos são de grande importância, tanto no âmbito social quanto no econômico. Estes têm que contemplar a avaliação dos danos produzidos pelos mais variados tipos de substâncias, criando a necessidade de conhecer a ação destas ao sistema em questão. O resultado da interação de substâncias com o ambiente pode ser explorado por meio de experimentos envolvendo o coeficiente de partição octanol/água (Kow). A escolha do Kow se deve ao fato deste se relacionar a interação do composto escolhido com o meio, no que diz respeito à absorção e transporte. No caso deste trabalho, uma série de fenóis foi estudada em termos do coeficiente de partição. Cálculos teóricos foram realizados como alternativa para mensuração experimental do coeficiente de partição octanol/água. A elaboração de modelos QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship) para a previsão de valores de coeficiente de partição octanol/água foi realizado por meio de cálculos envolvendo física quântica e quimiometria. Os dados das variáveis foram obtidos para o grupo de fenóis em questão utilizando os métodos de cálculos semiempíricos AM1, PM3, PM6 e PM7. A comparação dos modelos QSAR obtidos permitiu a conclusão de que, para os descritores selecionados, o conjunto de valores obtidos com o método PM7 proporcionou a criação dos melhores modelos. Utilizando como variáveis selecionadas energia eletrônica, área molecular, volume molecular, energia de repulsão core-core e massa molecular, obteve-se um modelo que acumulava aproximadamente 99,99% de toda a informação em três componentes, com um coeficiente de correlação externo (referente à calibração) em torno de 0,93, o que indica a força preditiva do modelo. A relação da toxicidade com o Índice de Qualidade das Águas também foi investigado por meio da relação dos valores LogKow obtidos e pH. Com o pKa de cada fenol proveniente de dados teóricos (e fazendo uso da relação de pKa e pH proposta por Henderson-Hasselbach), pode-se concluir que não existe influência intrínseca dos valores de LogKow nos valores de pH, verificado com o baixo coeficiente de correlação entre as variáveis, em torno de 0,15. / The environmental impact on aquatic systems are of great importance, both in the social sphere as the economic. These must include the assessment of the damage caused by all sorts of substances, creating the need to know the action of these to the system in question. The result of the interaction of substances with the environment can be explored through experiments involving octanol / water partition coefficient (Kow). The choice of Kow is due to relate the interaction of the compound with the chosen medium, as regards the absorption and transport. In the case of this work, a number of phenols was studied in terms of the partition coefficient. Theoretical calculations have been performed as an alternative to experimental measurement of octanol / water partition. The use of models QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship) for predicting values of octanol / water partition was made by means of calculations involving quantum physics and chemometrics. The data for each variable were obtained for the group concerned phenols using the semi-empirical calculation methods AM1, PM3, PM6 and PM7. A comparison of the obtained QSAR models allowed the conclusion that, for the selected descriptors, a set of values obtained with the method provided PM7 the creation of the best models. Using as selected electronic energy, molecular area, molecular volume, core-core repulsion energy and molecular mass variables, we obtained a model that accumulated approximately 99.99% of all information in three components, with an external correlation coefficient (referring to the calibration) around 0,93, which shows the predictive power of the model. The relationship of toxicity with the Water Quality Index was also investigated by means of the relation of LogKow values obtained and pH. With the pKa of the phenol from each theoretical data (and using the relationship of pKa and pH proposed by Henderson-Hasselbach), it can be concluded that there is no influence of intrinsic values LogKow in pH checked with low coefficient correlation between the variables, around 0,15.

O fenol é utilizado na indústria como agente desinfetante, no preparo de resinas fenólicas e pigmentos de tintas. Apresenta-se no estado sólido à temperatura ambiente, com coloração fracamente rósea, odor acre e é higroscópico. Na exposição ocupacional aguda o composto pode levar a lesões eritematosas e sensação de calor, cronicamente, afetar a maturação celular no compartimento medular ósseo devido à formação de 1,4-benzoquinona. Os monitoramentos ambiental e biológico possuem relevância nas situações de exposições ocupacionais. O objetivo do trabalho foi validar e aplicar métodos apropriados na determinação de fenol em amostras de ar do ambiente de trabalho e urinas provenientes de trabalhadores do setor de macharia de uma indústria de peças sanitárias. Amostras de urina e ar foram analisadas, permitindo-se verificar a aplicação dos métodos cromatográficos para determinação de fenol. / Phenol is used as an industrial disinfectant agent, in the preparation of phenolic resins and paint pigments. When in solid state, it shows a light pink color, ocre odor and is hygroscopic. In acute occupational exposure, the compound can produce erythemic injuries and burn sensation and, chronically, affect the cellular maturation of bone marrow due the 1,4-benzoquinone. Environmental and biological monitoring are important in occupational exposure situations. The aim of this work was to validate a method to be applied in the determination of phenol concentration in air samples originated from work environment and urines taken from molding area workers at a sanitary devices foundry. Urine and air samples were analyzed, showing application of chromatography methods in phenol quantification.

A presente pesquisa propôs avaliar a remoção biológica do nitrogênio pela via simplificada (nitritação) utilizando fenol como fonte de carbono na etapa anóxica (desnitritação) em um sistema de lodos ativados com biomassa em suspensão. Para tanto operou-se um reator piloto (volume útil de 20 litros) em bateladas seqüenciais alimentado com 5 (cinco) litros de água residuária sintética. A investigação foi caracterizada pela utilização do fenol (1.000 mg C6H5OH/L) e pelo aumento gradual da concentração de nitrogênio amoniacal no despejo líquido sintético (200; 300 e 500 mg N/L) buscando as condições que permitissem a predominância do N-NO2 - ao final da fase aeróbia dos ciclos de tratamento e utilização do fenol pelos microrganismos heterotróficos para redução do nitrogênio oxidado durante a fase anóxica. Para a presente pesquisa as condições para predominância do N-NO2 - na massa líquida do reator ao final da etapa aeróbia foram: pH @ 8,3 associado à extensão do período aeróbio do ciclo de tratamento que garantisse uma concentração mínima de amônia livre (> 0,3 mg NH3/L) no conteúdo do reator piloto. Com estas condições, a relação N NO2 - / (N-NO2 - + N-NO3 -) variou entre 89 e 99%. Mantendo uma concentração de 1,0 mg O2/L no conteúdo do reator durante afase aeróbia e tempo de residência hidráulico de três dias, as eficiências de remoção de N-NH3 variaram entre: 89 e 98% com concentrações no afluente próximas a 200 mg N/L (nove ciclos de tratamento); 95 e 98% para concentrações no afluente da ordem de 300 mg N/L (cinco ciclos de remoção) e 95 e 97% com concentrações no afluente próximas a 500 mg N/L (três ciclos de tratamento). Para temperaturas entre 23,5 e 33°C e concentrações de sólidos em suspensão voláteis entre 3.420 e 2.175 mg SSV/L no conteúdo do reator, a taxa de nitrificação específica variou entre 0,01 e 0,05 kg N-NH3/ kg SSV. dia. Concentrações máximas de amônia livre da ordem de 16 mg NH3/L e de ácido nitroso livre entre 0,001 e 0,009 mg HNO2/L no conteúdo do reator piloto não inibiram a oxidação biológica do nitrogênio. Fenol, em concentrações no afluente próximas a 1.000 mg C6H5OH/L, mostrou-se adequado como única fonte de carbono para remoção de nitrogênio, via nitrito, para concentrações afluentes da ordem de 200 e 300 mg N/L. As eficiências de remoção do nitrogênio oxidado variaram entre 97 e 100%, utilizando taxas de aplicação volumétricas próximas a 0,03 kg fenol /m3.hora.. As taxas de "desnitritação" específicas variaram entre 0,01 e 0,05 kg N-NO2 - / kg SSV .dia; a relação alimento/microrganismo (A/M) esteve compreendida entre 0,06 e 0,13 kg fenol / kg SSV. dia; a relação fenol removido/N-NOx removido variou entre 2,1 e 3,2 g fenol removido / g NNOx removido e as eficiências de remoção do fenol, durante a etapa anóxica estiveram compreendidas entre 37 e 67%. Taxas de aplicação volumétricas da ordem de 0,07 kg fenol /m3.hora inibiram a "desnitritação" biológica. Os três ciclos de tratamento da etapa conduzida com concentração de 500 mg N/L no afluente, foram marcados pela inibição da "desnitritação" e acúmulo de fenol, causados pelas elevadas concentrações de N-NO2 - (@80 a 98 mg N-NO2 -/L) na massa líquida do reator. Ainda durante essa etapa, a coleta de amostra na fase anóxica dos ciclos de remoção para realização de ensaios exploratórios, associando cromatografia gasosa e espectrometria de massa, detectaram a formação de 2 e 4 - nitrofenol no conteúdo do reator piloto. / This research proposes to evaluate an activated sludge system with suspended biomass in a pilot scale aiming to remove nitrogen by a simplified way (nitritation) using phenol as the carbon source of the anoxic phase (denitritation). A pilot reactor of 20-liters volume was operated in sequence batch stages fed with 5-liters of a synthetic wastewater. The investigation was characterized by the use of phenol (1,000 mg C6H5OH/L) and the gradual increase of ammonium nitrogen concentration in the synthetic wastewater (200, 300 and 500 mg N/L) searching the conditions that allowed the prevalence of N-NO2 - in the end of the aerobic phase of the treatment cycles and the use of phenol for the heterotrophic microorganisms to reduce the oxidized nitrogen during the anoxic phase. To the present research, the conditions to N-NO2 - prevalence in the reactor liquid mass in the end of the aerobic phase were: pH @ 8.3 associated to the extension of the aerobic period of the treatment cycle which guarantees a minimum concentration of free ammonia (> 0.3 mg NH3/L) in the pilot reactor content. Considering these conditions, the relation N-NO2 - / (N-NO2 - + NNO3 -) varied between 91 and 99%. Maintaining a concentration of 1.0 mgO2/L in the reactor content and hydraulic residence time of three days, the removal efficiencies of N-NH3 vary between: 89 and 98% to influent concentrations near 200 mg N/L (nine treatment cycles); 95 and 98% to influent concentrations of the order of 300 mg N/L (five removal cycles) and 95 and 97% to influent concentrations near 500 mg N/L (three treatment cycles). To temperature between 23,5 and 33°C and volatile suspended solid concentrations between 3,420 and 2,175 mg SSV/L in the reactor, the specific nitrification rate varied between 0.01 and 0.05 kg N-NH3/ kg SSV.d-1. Maximum concentrations of free ammonia in the pilot reactor of the order of 16 mg NH3/L and nitrous acid between 0.001 and 0.009 mg HNO2/L didn?t inhibit the nitrogen biological oxidation. Influent phenol concentrations near 1,000 mg C6H5OH/L showed to be adequate as single carbonsource to nitrogen removal as nitrite to influent concentrations of the order of 200 and 300 mg N/L. The oxidized nitrogen removal efficiencies vary between 97 and 100%, using volumetric loading rates near 0.03 kg phenol/m3.hour. The specific denitritation rates vary between 0.01 and 0.05 kg N-NO2 - / kg SSV.d-1; the food / microorganism ratio (F/M) was between 0.06 and 0.13 kg phenol / kgSSV.d-1; phenolremoved/N-NOxremoved ratio varied between 2.1 and 3.2 g phenolremoved/ g N-NOxremoved and phenol removal efficiencies during the anoxic phase were between 37 and 67%. Volumetric loading rates of the order of 0.06 kg phenol / m3.hour inhibited the biological denitritation. The three treatment cycles of the phase conducted with influent concentration of 500 mg N/L showed denitritation inhibition and phenol accumulation caused by high concentrations of N-NO2 - (@80 to 98 mg N-NO2 -/L) in the reactor liquid mass. During this phase, the sampling of the anoxic phase of the removal cycles to the initial tests associating gas chromatography and mass spectrophotometer detected the formation of 2 and 4-nitrophenol in the pilot reactor content.

Os fungos são decompositores primários e, portanto, ocupam uma posição estratégica na base da cadeia alimentar em diversos ecossistemas, incluindo os terrestres. Por tais características, estes organismos são de especial interesse na aplicação em bioensaios de toxicidade. As metodologias com espécies bioluminescentes são geralmente práticas, economicamente viáveis e de fácil aplicação. Ainda assim, os fungos naturalmente bioluminescentes são ainda pouco estudados para este propósito, em comparação com os organismos aquáticos, como as bactérias. Neste cenário, o presente trabalho apresenta os efeitos de diferentes condições de cultivo sobre o perfil de bioluminescência do fungo Neonothopanus gardneri, buscando o desenvolvimento de um bioensaio de toxicidade utilizando esta espécie. Estudos preliminares foram destinados à redução da variação experimental, à identificação de algumas das características intrínsecas do organismo em cultura e, ainda, à definição de procedimentos de análise e de inoculação do micélio. Em seguida, a emissão de luz foi monitorada variando as temperaturas de incubação, o pH dos meios de cultura e as concentrações das fontes de carbono e de nitrogênio, adotadas como nutrientes. Identificou-se que a incubação a 30ºC em meios com 2% de ágar, 1% de melaço de cana de açúcar, 0,02% de extrato de levedura e pH 6 resultou em um perfil de bioluminescência mais adequado ao propósito de interesse, apesar de não ter resultado na maior emissão de luz possível. Nestas condições de cultivo, foi possível desenvolver um bioensaio de toxicidade. Para isso, foi necessário avaliar o comportamento da luz emitida pelo micélio em contato tanto com ar atmosférico quanto com alguns potenciais diluentes, estabelecendo-se também o tempo de exposição necessário para uma resposta máxima do fungo N. gardneri em contato com soluções de Cu+2 (50 mM) e fenol (10 mM). Neste caso, uma solução aquosa de Triton X-100 na concentração de 0,01% (m:v) tamponada com ácido 2-(N-morfolino)etano sulfônico (MES, 50 mM, pH 5,7) foi adotada para diluir os agentes tóxicos, aos quais o micélio foi exposto durante 24 horas. Posteriormente, a metodologia foi aplicada para testar a toxicidade de dois metais e dois fenóis (Cu+2, Cd+2, fenol e 4-nitrofenol), obtendo-se respectivos valores de EC50 (concentração mediana efetiva) iguais a (0,53 ± 0,09) mM; (8,0 ± 0,5).10-3 mM; (1,7 ± 0,3) mM e (0,34 ± 0,04) mM. Entretanto, em experimentos paralelos, a quantificação espectrofotométrica de fenóis nos meios de cultura indicou que os mesmos são difundidos homogeneamente pelo ágar. Neste caso, os valores de EC50 seriam divididos por 6, para considerar a diluição dos compostos pelos meios. O bioensaio com a espécie N. gardneri possui vantagens, principalmente em relação ao comportamento reprodutível da emissão de luz, à alta intensidade da bioluminescência, ao crescimento rápido do micélio e à sensibilidade aos agentes tóxicos testados. Considerando tais características, a metodologia desenvolvida representa um procedimento viável em bioensaios de toxicidade. Assim, a mesma pode ser aperfeiçoada em trabalhos futuros e aplicada em complemento com outros métodos já desenvolvidos para outros organismos terrestres ou aquáticos. / Fungi are primary decomposers, thus occupying a strategic position at the base of the food chain in many ecosystems, including terrestrial ones. Due to such characteristics, these organisms are of special interest to toxicity bioassays. Bioluminescent-based methods are usually practical, economically viable and easy to perform. Nevertheless, naturally bioluminscent fungi are still poorly studied in this respect, compared to aquatic organisms like bacteria. In the above mentioned scenario, this work presents the effects of different culture conditions on the bioluminescence profile of the fungus Neonothopanus gardneri, aiming at the development of a toxicity bioassay using this species. Preliminary studies were intended to reduce experimental variation, identify some of the intrinsic characteristics of the organism in culture, and also to define the procedures for analysis and mycelium inoculation. Following this, light emission was monitored varying the incubation temperatures; the culture media pH and the concentrations of carbon and nitrogen nutrient sources. It was identified that the incubation at 30ºC in culture media containing 2% agar, 1% sugar cane molasses, 0.02% yeast extract and pH 6 resulted in the most appropriate bioluminescence profile for the purpose of interest, although it has not resulted in the higher light emission. Under these culturing conditions, it was possible to develop a toxicity bioassay. To this end, it was necessary to assess the behavior of light emission from the mycelium in contact with both atmospheric air and some potential diluents, also establishing the exposure time required for a maximum response of N. gardneri in contact with Cu+2 (50 mM) and phenol (10 mM) solutions. In this case, an aqueous solution of Triton X-100 in the concentration of 0.01% (w:v) buffered with 2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES, 50 mM) was chosen to dilute the toxic agents, to which the mycelium was exposed for 24 hours. Thereafter, the methodology was applied to test the toxicity of two metals and two phenols (Cu+2, Cd+2, phenol and 4-nitrophenol), obtaining respective EC50 values (median effective concentration) equal to (0,53 ± 0,09) mM; (8,0 ± 0,5).10-3 mM; (1,7 ± 0,3) mM e (0,34 ± 0,04) mM. Meanwhile, in parallel experiments, the spectrophotometric quantification of phenols in culture media indicated that they are evenly diffused through agar. In this case, the EC50 values would be divided by 6, in order to consider the dilution of compounds by the media. The toxicity bioassay with N. gardneri species has advantages, manly in relation to the reproducible behavior of light emission, high intensity of bioluminescence, rapid growth of mycelium and sensitivity to the tested toxic agents. Considering these characteristics, the developed methodology represents a viable procedure for a toxicological bioassay. Accordingly, it can be improved in future work and performed in addition to other methods already developed for other terrestrial or aquatic organisms.

O aumento das preocupações ambientais tem proporcionado a busca crescente por alternativas para reduzir os impactos decorrentes de resíduos perigosos oriundos de processos industriais. Dentre estes resíduos, pode-se destacar o fenol, por sua alta toxicidade e dificuldade de tratamento. O fenol é um dos principais poluentes encontrado em efluentes de indústrias de resinas fenólicas, automotivas, farmacêuticas e refinarias de petróleo. Compostos fenólicos são absorvidos facilmente por animais e seres humanos através da pele e são extremamente tóxicos para a vida aquática. Nesta busca por formas de tratamento de resíduos, a absorção é considerada uma das mais importantes técnicas de uso industrial utilizada na purificação de emissões gasosas, além de diversas aplicações em processos industriais. O princípio desta operação baseia-se no transporte de massa de pelo menos um componente de uma mistura gasosa para uma fase líquida, através da interface entre ambas. Este trabalho é parte integrante de um projeto global intitulado \"Estudo da Recuperação de Poluentes Prioritários de Soluções Aquosas por Extração Liquido-Liquido com Tratamento Simultâneo de Gases Ácidos\". Na primeira etapa há a remoção do fenol de soluções aquosas, que simulam o efluente industrial, por extração líquido-líquido utilizando metil isobutil cetona. Na segunda etapa, há a remoção do fenol do solvente através de reação com uma solução de NaOH formando o fenolato de sódio. Assim, esta terceira etapa consiste na recuperação do fenol através de reação de gases ácidos com os fenolatos formados na segunda etapa em processo semicontínuo, visando a utilização de tanques agitados, bombas e tubulações existentes em indústrias Químico-Farmacêuticas nos períodos vagos entre etapas de produção. Além da recuperação do fenol do efluente e sua reutilização, há a redução das emissões dos gases ácidos, que são os principais responsáveis pelo efeito estufa. / The increase of the environmental concerns has been providing the growing search for alternatives to reduce the current impacts of dangerous wastes originating from industrial processes. Among these wastes, it can stand out the phenol, for its high toxicity and treatment difficulty. The phenol is one of the main pollutants found in effluents of industries producing phenolic resins, pharmaceuticals and petroleum refineries. Phenolic compounds are absorbed easily by animals and human beings through the skin and several phenols are considered extremely toxic for the aquatic life. In this search for new processes for the treatment of wastes, the absorption is considered one of the most important techniques of industrial use in the purification of gaseous emissions, besides several applications in industrial processes. The principle of this technique is based on the mass transfer of at least one component of a gaseous mixture to a liquid phase through the interface between them. This work is part of a project entitled \"Recovery of Priority Pollutants from Aqueous Solutions through Liquid-liquid Extraction with Simultaneous Treatment of Acid Gases\". That study comprises three stages. In the first stage phenol is removed from aqueous solutions, simulating the industrial effluent, through liquid-liquid extraction with methyl isobutyl ketone. In the second stage, phenol is removed from the solution of methyl isobutyl ketone through the reaction with NaOH dissolved in water forming sodium phenolate. In the third stage, the object of this study, phenol is recovered from the sodium phenolate aqueous solution through the reaction with acid gases in a semi continuous process. The industrial application of this process is promising if one considers that agitated tanks, pumps and pipes necessary to this process are usual equipments in chemical and chemical-pharmaceutical industries and could be used in periods between batch productions. This process promotes the reduction of acid gas emissions, in particular the Carbon Dioxide, one of the gases responsible for the greenhouse effect.