O presente trabalho objetivou estudar aspectos relacionados ao projeto de processos de tratamento de águas efluentes industriais baseados em reatores fotoquímicos. Estudou-se uma unidade de tratamento constituída por um reator solar tubular com coletores parabólicos compostos, o qual opera acoplado a um reator com lâmpadas do tipo tanque. O modelo matemático para simulação do processo foi adaptado a partir dos resultados experimentais obtidos em trabalhos anteriores da equipe de pesquisa deste Departamento, principalmente por Ribeiro (2009). O modelo matemático foi validado por meio de simulações para o sistema operando em regime transiente. O modelo matemático foi adaptado à configuração aqui estudada, de modo a poder ser aplicado ao sistema de reatores operando em regime contínuo, isto é, com alimentação e retirada de material constantes ao longo do tempo. Foi realizado, inicialmente, um estudo de sensibilidade desse modelo em relação às variáveis de processo, baseado em simulações para volumes diferentes do reator solar e reator multi-lâmpadas. A otimização do sistema teve o objetivo de selecionar as configurações do sistema que representam mínimo custo, para os diferentes cenários estudados, para uma concentração especificada de contaminante na corrente de saída. O problema de otimização foi baseado no método da função de penalidade, em que a função de restrição é inserida na função objetivo, transformando assim o problema de otimização num problema irrestrito. O procedimento de busca utiliza o Método Simplex modificado de Nelder e Mead. Para os diferentes cenários estudados, foi comprovado que o fator determinante do custo horário de tratamento fotoquímico é o custo do reagente peróxido de hidrogênio, seguido pelo custo de energia elétrica, custo de investimento do reator de lâmpadas, custo de investimento do reator e das bombas e, por último, o custo de investimento do reator solar. A imposição de limites mais rigorosos para a concentração de saída do efluente faz com que o custo de tratamento seja proibitivo. Portanto, nestes casos é mais interessante, do ponto de vista econômico, utilizar primeiro o processo foto-Fenton até o efluente atingir o limite de biodegradabilidade de 300 mgC/L e, em seguida, submeter este efluente ao tratamento biológico (de menor custo). / The aim of the present study was to investigate aspects related to the design of processes for treating industrial wastewater based on photochemical reactors. The system consisted of a solar tubular reactor with compound parabolic collectors, which operates connected to a multi-lamp stirred tank reactor. The mathematical model for simulating the process was adapted from previous results obtained by the research team of this Department, mainly by Ribeiro (2009). The model was validated by comparing simulation and experimental results obtained with a pilot plant operating in transient regime. The mathematical model was adapted to the configuration in this paper, so that it could be applied to the reactor system operating in continuous regime, i.e., with constant flow rate of the input and output streams. A sensitivity analysis of this model was carried out in relation to process variables, based on simulations for different volumes of the solar reactor and multi-lamp reactor. The optimization of the system aimed to select configurations that represent minimum cost for different scenarios studied for a specified output contaminant concentration. The optimization was based on the penalty function method, in which the restriction function was inserted in the objective function, so as to transform the optimization problem into an unconstrained one. The search procedure was based on the modified Simplex method of Nelder and Mead. For the different scenarios studied, it was verified that the determining factor affecting the treatment cost is the cost of hydrogen peroxide, followed by the electricity cost, investment cost of the lamp reactor, investment cost of pumps and of the solar reactor. The treatment cost increases significantly when lower concentration limits are specified for the output stream. Therefore, as a general recommendation, it is more advantageous from the economic point of view to use the photo-Fenton process until the pollutant concentration is decreased to the threshold of biodegradability (adopted as 300mgC/L in the present study) and then submitting it to a biological treatment.

O objetivo principal deste estudo foi determinar a origem da inibição do processo foto-Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2, luz UV] pelo íon cloreto. Um estudo das reações primárias da etapa fotocatalítica do processo foto-Fenton por fotólise por pulso de laser na presença de NaCl mostrou que a inibição reflete: i) fotólise competitiva dos complexos Fe(Cl)2+ e Fe(Cl)2+; ii) captura do radical hidroxila (dependente do pH) pelo íon cloreto. Esses dois processos formam o ânion radical menos reativo Cl2•- em lugar do radical HO•-, provocando uma progressiva inibição da reação de degradação com a diminuição do pH. Modelagem cinética destes resultados previa que a manutenção do pH em 3,0 durante a fotodegradação evitaria a formação do Cl2•-, o que foi confirmada através de experimentos de fotodegradação do fenol e da gasolina em meio aquoso na presença de NaCl. Por outro lado, na degradação do fenol pela reação térmica de Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2], o radical hidroxila não parece ter um papel muito importante. A degradação térmica não foi inibida pela presença de íon cloreto e a cinética de mineralização do fenol pela reação térmica de Fenton é indistinguível da degradação do fenol pelo processo foto-Fenton inibido por NaCl. Isso sugere que a reação proposta por Hamilton, isto é, a redução de Fe(III) a Fe(II) por catecol (o principal intermediário inicial da oxidação do fenol) na presença de H2O2, é o mecanismo principal de catálise da reação térmica de Fenton no nosso sistema. / The principal objective of the present study was to determine the origin of the inhibition of the photo-Fenton process [Fe(II)/Fe(III), H2O2, UV light] by chloride ion. A laser flash photolysis study of the primary reactions involved in the photocatalytic step of the photo-Fenton process in the presence of NaCl demonstrated that the inhibition reflects: i) competitive photolysis of the complexes Fe(Cl)2+ and Fe(Cl)2+; ii) pH-dependent sequestration of the hydroxyl radical by chloride ion. Both processes form the less reactive radical anion Cl2•- instead of HO•, resulting in a progressive inhibition of the degradation with decreasing reaction pH. Kinetic modeling of these results predicted that maintaining the pH at 3.0 throughout the reaction should prevent the formation of Cl2•-, a prediction confirmed experimentally for the photodegradation of phenol and gasoline. In contrast, in the degradation of phenol via the thermal Fenton reaction [Fe(II)/Fe(III), H2O2], the hydroxyl radical does not appear to play a very important role. Thus, the thermal degradation is not inhibited by chloride ion and the kinetics of mineralization of phenol by the thermal Fenton reaction are indistinguishable from those for degradation of phenol in the photo-Fenton reaction inhibited by NaCl. This suggests that the reaction proposed by Hamilton, i.e., reduction of Fe(III) to Fe(II) by catechol (the major initial intermediate in the oxidation of phenol) in the presence of H2O2, is the principal catalytic mechanism operative in the thermal Fenton reaction in our system.

Made available in DSpace on 2017-07-24T19:37:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Giuliano Moraes.pdf: 1569647 bytes, checksum: 380feb142cc12f4a1405c905fbd0d4cd (MD5) Previous issue date: 2016-10-28 / The problems caused by textile effluents generates a major concern due to high resistance to decay naturally the substances that form the dyes and risks to health caused mainly by a group of wellknown dyes as azo-dyes that studies show they have a carcinogenic potential.Over the years many technologies have been studied to minimize as much as possible and to solve this problem. Between these alternatives there is the Fenton reaction, based on the catalytic decomposition of hydrogen peroxide in an acidic medium (Fe2 + / H2O2), is a process of great potential for the treatment of effluents. The process can be optimized with a UV radiation source 3.0 and pH values. The process efficiency is compromised when trying to work with pH values near neutrality due to the formation of ferric precipitates. To work around this problem heterogeneous degradation, it is presented as a good option because immobilized forms prevent precipitation occurs Fe + 3. The material used is a residue of the production of steel from scrap and pig iron. The material was characterized by FEG scanning electron microscopy and X-ray Diffraction The kinetics of discoloration of the black reactive dye 5 was accompanied by a spectrophotometer, and process efficiency was 97.4% for 30 minutes each test. 18 tests on the same sample material were performed.One of the advantages offered by this material has a low iron leach rate into the medium, on average,this value was 0.7 mg / L. / Giuliano Moraes. Utilização do resíduo da indústria do aço na degradação de corantes reativos.A problemática causada por efluentes têxteis gera uma grande preocupação devido a alta resistência a decomposição de forma natural das substâncias que formam os corantes, além dos riscos à saúde causados principalmente por um grupo de corantes conhecidos como azo-corantes que estudos apresentam que estes tem um potencial carcinogênico.Ao longo dos anos muitas tecnologias vêm sendo estudadas, visando minimizar ao máximo e até resolver este problema. Entre essas alternativas destaca-se a reação de Fenton, baseada na decomposição catalítica de peróxido de hidrogênio em meio ácido (Fe2+/H2O2), constitui um processo de grande potencialidade para o tratamento de efluentes. O processo pode ser otimizado com uma fonte de radiação UV e com valores de pH 3,0. A eficiência do processo fica comprometida quando se tentar trabalhar com valores de pH próximos a neutralidade, devido a formação de precipitados férricos. Para contornar esse problema a degradação heterogênea, apresenta-se como uma boa opção,pois formas imobilizadas impedem que ocorra a precipitação de Fe+3. O material utilizado é um resíduo da produção de aço, a partir de sucata e ferro gusa. O material foi caracterizado por microscopia eletrônica de varredura FEG, e Difração de raios X. A cinética da descoloração do corante preto reativo 5 foi acompanhada por um espectrofotômetro, e a eficiência do processo foi de 97,4% para ensaios de 30 minutos cada. Foram realizados 18 ensaios com a mesma amostra do material. Uma das vantagens apresentadas por este material foi a baixa taxa de lixiviação do ferro para o meio, na média, este valor foi de 0,7 mg/L.

Made available in DSpace on 2017-07-24T19:37:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CAROLINE N BENETTI2.pdf: 1964983 bytes, checksum: 7dd1a3ef0af52a3c7d472348d9fdab9f (MD5) Previous issue date: 2017-03-30 / Oil spills and their derivatives are the main source of water contamination, among them the aromatic hydrocarbons benzene, toluene and xylene (BTX) present in gasoline are some of the most toxic compounds that need to be degraded. Therefore, there is a need for a study of the recently applied advanced processes for remediation considering the characteristics of gasoline marketed in Brazil. In addition, toxicity studies can contribute to assessing the actual quality of contaminated water after remediation, that is assessing impacts to the environment. In this context, the objective of this work was to study the Fenton and photo-Fenton degradation processes for the remediation of water contaminated with benzene, toluene and xylenes and toxicity. The methodology used to determine the BTX was via gas chromatography being the form of extraction through the headspace. A gasoline spill was simulated in water to obtain a soluble fraction where it was possible to verify by Total Organic Carbon the concentration present in the medium. Using the factorial design of experiments, it was possible to verify the best condition of iron and hydrogen peroxide to be used in the Fenton and photo-Fenton process, that is, the concentration where there is greater removal of BTX. The chosen values being 5 mg L-1 of iron and 15 mg L-1 of hydrogen peroxide. The monitoring of phenolic compounds showed that in the first few minutes of reaction phenolic species formation and subsequent decrease, but remaining still significant (approximately 20%) at the end of 120 minutes. Thus, these results have shown that for effective mineralization larger reaction times are still needed. In the determination of the residual peroxide and ferrous and ferric ions it was based by the calorimetric method showing that at the end of the Fenton processes peroxide was not as consumed as in the photo-Fenton process where more hydroxyl radicals (HO) are generated. Toxicity tests performed with the Sinapis alba and Daphnia magna bioindicators for toxicity assessment showed that the by-products formed during the degradation systems caused toxicity to the test organisms used. Thus, it is evident that in addition to the physico-chemical parameters normally evaluated, there is also a need for toxicity studies to evaluate the true impact on the environment of water submitted to this type of remediation. / Os derramamentos de petróleo e seus derivados são a principal fonte de contaminação das águas, dentre eles os hidrocarbonetos aromáticos benzeno, tolueno e xileno (BTX) presentes na gasolina são alguns dos compostos mais tóxicos e que tem a necessidade de serem degradados. Portanto, há a necessidade de um estudo dos processos avançados recentemente aplicados para a remediação considerando as características da gasolina comercializada no Brasil. Além disso, estudos de toxicidade podem contribuir para avaliar a real qualidade da água contaminada após remediação, ou seja, avaliar impactos ao meio ambiente. Dentro deste contexto, o objetivo deste trabalho foi estudar os processos de degradação via sistema Fenton e foto-Fenton para a remediação de águas contaminadas com benzeno, tolueno e xilenos e a toxicidade. A metodologia utilizada para determinação dos BTX foi via cromatografia gasosa sendo a forma de extração através do headspace. Fez-se uma simulação de um derramamento de gasolina em água para obter uma fração solúvel onde foi possível verificar por Carbono Orgânico Total a concentração presente no meio. Utilizando o planejamento fatorial de experimentos foi possível verificar qual é a melhor condição de ferro e peróxido de hidrogênio a ser utilizada no processo Fenton e foto-Fenton, ou seja, a concentração onde há maior remoção de BTX. Sendo os valores escolhidos de 5 mg L-1 de ferro e 15 mg L-1 de peróxido de hidrogênio. O monitoramento de compostos fenólicos mostrou que nos primeiros minutos de reação há formação de espécies fenólicas e posterior diminuição, mas permanecendo ainda significativa (aproximadamente 20%) no final de 120 minutos. Assim, estes resultados demonstraram que para efetiva mineralização tempos maiores de reação ainda são necessários. Na determinação do peróxido residual e de íons ferrosos e férricos foi baseado através do método calorimétrico mostrando que ao final dos processos Fenton o peróxido não foi tão consumido quanto no processo foto-Fenton onde são gerados mais radicais hidroxila (HO.). Ensaios de toxicidade realizados com os bioindicadores Sinapis alba e Daphnia magna para avaliação da toxicidade mostraram que os subprodutos formados durante os sistemas de degradação provocaram toxicidade aos organismos testes utilizados. Assim, ficando evidente que além dos parâmetros físico-químicos normalmente avaliados, há também a necessidade de estudos de toxicidade para avaliar o verdadeiro impacto ao meio ambiente de águas submetidas a este tipo de remediação.

Nos últimos anos, os processos oxidativos avançados (POAs) têm emergido como métodos potencialmente poderosos para transformar poluentes orgânicos recalcitrantes em substâncias menos tóxicas. O presente trabalho visa estudar a degradação de clorofenóis 2,4-diclorofenol (2,4-DCF) e pentaclorofenol (PCF) em solução aquosa por meio do processo foto-Fenton. Os experimentos foram realizados em um reator fotoquímico, em regime batelada, com recirculação e admissão contínua de peróxido de hidrogênio. Os efeitos das concentrações iniciais de clorofenóis, H2O2 e Fe(II), bem como, da potência da lâmpada de vapor de mercúrio, foram estudados a partir de um planejamento experimental Doehlert em multiplos níveis e analisados segundo a metodologia de superfícies de respostas. A foto-oxidação foi monitorada por medidas da concentração de carbono orgânico total (TOC) e do espectro de absorção da solução ao longo do tempo e, em alguns casos, medidas de toxicidade por meio de bioensaios com Artemia sp. Os resultados dos experimentos realizados com 2,4-DCF evidenciaram degradação gradativa, com remoções de TOC superiores a 99%, após 1 hora de tratamento, além de remoção de toxicidade, mesmo para altas concentrações iniciais do poluente (até ca. 415 mgC L-1). Nos experimentos realizados com PCF observouse decaimento inicial de TOC bastante rápido (15 minutos), o que sugere que a degradação dos clorofenóis torna-se mais rápida com o aumento do número de átomos de cloro ligados ao anel aromático. Foi removida mais da metade do TOC inicial por volta de 30 minutos de reação, obtendo-se remoções de até 90,8% ao final do tratamento. Por outro lado, comparado ao 2,4-DCF, no caso do PCF observou-se redução acentuada da taxa de remoção de TOC após esse tempo, o que pode ser explicado a partir da maior concentração de íons cloreto em solução, da formação de complexo estável desses íons com Fe(III) e de espécies geradas a partir de reações envolvendo esse complexo. No conjunto, os resultados comprovam a viabilidade do processo foto-Fenton para remediação de efluentes aquosos contendo clorofenóis. / In recent years, advanced oxidation processes (AOP) have emerged as potentially powerful methods to transforming organic pollutants into harmless substances. The present work aims to study the degradation of chlorophenols (2,4-dichlorophenol and pentachlorophenol) in aqueous solution by the photo-Fenton process. The experiments were conducted in a batch recycle photochemical reactor with continuous feed of hydrogen peroxide solution. The effects of the initial concentrations of chlorophenols, H2O2, and Fe(II), as well as of the electric power of mercury vapor lamp, were studied by means of a Doehlert multivariate experimental design at multiple levels. Experimental results were analyzed according to the response surface methodology. In order to characterize the degradation of the pollutant, time-measurements of the total organic carbon concentration (TOC) as well as the absorbance spectra of the solution, were carried out. In some cases toxicity bioassays were carried out with Artemia sp. The results obtained from experiments with 2,4-dichlorophenol showed a gradual degradation, with more than 99% of TOC removals after 1 hour of treatment, along with toxicity removal, even for high initial pollutant concentrations (ca. 415 mgC L-1). In the case of pentachlorophenol, a fast initial TOC decrease (around 15 minutes) was observed, suggesting that chlorophenols degradation becomes faster with the increment of chloro atoms number bounded to the aromatic ring. More than a half of the initial TOC was removed around 30 minutes of reaction, rising 90.8% of TOC removal at the end of the treatment. In the other hand, comparing to 2,4-DCF, for PCF a marked reduction of the maximum rate of TOC removal after that time. This can be explained by higher concentrations of chloride ions in the solution, for the formation of stable complexes with Fe(III) ion and resulting species in reaction involving such complexes. As a whole, the results confirm the effectiveness of the photo-Fenton process for the remediation of aqueous solutions containing chlorophenols.

É consenso entre os cientistas que as Estações de Tratamento de Esgoto são as principais formas de entrada de fármacos no ambiente aquático. Isso acontece porque os processos biológicos convencionais utilizados para o tratamento do esgoto sanitário não são eficientes quanto à remoção de muitos desses compostos sintéticos. Neste contexto, o pós-tratamento utilizando um Processo Oxidativo Avançado (POA) pode degradar os compostos pouco biodegradáveis e produzir água para reúso seguro. Portanto, esta Tese estuda o acoplamento entre um processo biológico anaeróbio-aeróbio e compara dois POA, foto-Fenton e Fenton heterogêneo, como alternativas de pós-tratamento. Os experimentos foram feitos utilizando-se esgoto sanitário real como matriz. Sendo assim, na primeira etapa deste trabalho, um método SPE-HPLC-MS/MS foi desenvolvido e validado para a quantificação dos fármacos Ranitidina, Diclofenaco e Sinvastatina naquela matriz complexa. Na segunda etapa, a degradação dos fármacos por processos biológicos foi estudada em reatores operados em batelada e de escoamento contínuo. Desenvolveu-se uma metodologia para a identificação dos produtos de biodegradação e encontrou-se que tais metabólitos são recalcitrantes e possuem potencial poluidor. Observou-se que os fármacos e seus metabólitos causam efeito tóxico crônico sobre a biomassa, pois a produção de metano foi prejudicada quando comparada à da biomassa que não foi exposta a esses compostos. Na terceira etapa, os POA foram estudados em batelada para se determinar as melhores condições de operação que seriam testadas nas etapas seguintes. Encontrou-se, para o processo foto-Fenton, que os fármacos foram completamente degradados quando se utilizavam duas lâmpadas (16 W de potência elétrica total), ferro (III) e peróxido de hidrogênio nas concentrações de 3,0 e 40 mg L−1, respectivamente, e tempo de detenção hidráulica de 10 min. Zeólita natural foi utilizada como suporte na síntese de um catalisador para Fenton heterogêneo. O catalisador foi estável em condições críticas de reação, porém não pôde degradar os compostos cujas dimensões moleculares eram maiores do que os seus poros. Os processos foram acoplados e operados em modo contínuo durante dez dias, período no qual permaneceram estáveis. Os custos foram estimados e verificou-se que, embora o processo Fenton heterogêneo necessite de 1/3 do capital comparado ao foto-Fenton, o processo heterogêneo não é interessante porque o custo operacional é 4 vezes maior e o processo é limitado para a degradação de moléculas pequenas. Já o processo foto-Fenton degradou todos os fármacos e metabólitos com remoção de carbono orgânico dissolvido e produzindo água potencialmente segura para seu reúso ao custo operacional de US$ 0,27 m−3. Portanto, o processo foto-Fenton foi a melhor alternativa de pós-tratamento avaliada nesta Tese. O processo Fenton heterogêneo seria atrativo apenas para a degradação de moléculas pequenas. / Scientists generally agree that Sewage Treatment Plants are the main inputs of pharmaceuticals into the aquatic environment. That happens because the conventional biological processes used for treating sewage are not efficient in removing many of those synthetic compounds. In this context, Advanced Oxidation Processes (AOP), used as post-treatments, can degrade the poorly biodegradable compounds and produce water for safe reuse. Therefore, this Thesis studies the coupling between an anaerobic-aerobic biological process and compares two AOP, photo-Fenton and heterogeneous Fenton, as post-treatment alternatives. The experiments were performed using real sewage as a matrix. Thus, in the first step of this work, an SPE-HPLC-MS/MS method was developed and validated for the quantification of the pharmaceuticals Ranitidine, Diclofenac, and Simvastatin in that complex matrix. In the second step, the pharmaceuticals degradation by biological processes was studied in batch and continuous flow reactors. A methodology was developed for identifying the biodegradation products and these metabolites were found to be recalcitrant and to have polluting potential. It was observed that the pharmaceuticals and their metabolites caused a chronic toxic effect on biomass, as methane production was impaired when compared to the biomass not exposed to these compounds. In the third step, the AOP were studied in batch mode to determine the best operating conditions that would be tested in the following steps. In the photo-Fenton process, the pharmaceuticals were completely degraded when two lamps (16 W total electric power), iron (III), and hydrogen peroxide were used in the concentrations of 3.0 and 40 mg L−1, respectively, with hydraulic detention time of 10 min. Natural zeolite was used as a support for the synthesized catalyst for heterogeneous Fenton. The catalyst was stable under critical reaction conditions, but it was not able to degrade compounds whose molecular dimensions were larger than its pores. The processes were coupled and operated in continuous mode for ten days, during which they remained stable. Considering the involved estimated costs, although the heterogeneous Fenton process requires 1/3 of the capital costs when compared to the photo-Fenton process, the heterogeneous one is not interesting because its operating cost is 4 times higher and it is limited to the degradation of small molecules. On the other hand, the photo-Fenton process degraded all pharmaceuticals and their metabolites, removed dissolved organic carbon, and produced water potentially safe for reuse at the operational cost of US$ 0.27 m−3. Therefore, the photo-Fenton process was the best post-treatment alternative assessed in this Thesis. The heterogeneous Fenton process would be suited only for the degradation of small molecules.

O objetivo desta pesquisa foi estudar a degradação,pelo processo foto-Fenton, de um poluente-modelo (um antibiótico da classe dos nitrufuranos:a nitrofurantoína), utilizando-seLEDs-UV no lugar das lâmpadas tradicionalmente utilizadas, ou seja, das lâmpadas fluorescentes negras.Foram comparadas duas câmaras de irradiação, cada uma com um tipo de fonte, em termos de: porcentagem de remoção, ecotoxicidade (Lactuca sativa), atividade antimicrobiana (Escherichia coli), custos de capital (equipamentos), de operação (consumo energético) e das fontes luminosas, além do espaço ocupado. Os experimentos de degradação foramrealizados e otimizados via planejamento experimental, utilizando-se a Metodologia de Superfície de Resposta, obtendo-se as concentrações ótimas denitrofurantoína, de íons férricoe de peróxido de nitrogênio para cada caso.As câmaras estudadas apresentaram desempenhos semelhantes na remoção de nitrofurantoína (mais de 95% em 15 min), além de não ter havido a geração de produtos ecotóxicos (Lactuca sativa) e de ter sido alcançada a inativação biológica (Escherichia coli) do fármaco.A câmara de irradiação com LEDs é compacta, custa duas vezes menos que a outra e é quatro vezes mais eficiente em termos de consumo elétrico. A única desvantagem encontrada foi o custo dos LEDs-UV. Levando-se em conta o número de LEDs e de lâmpadas fluorescentes negras nas câmaras, o custo é trinta vezes maior. No entanto, o custo adicional dos LEDs-UV em relação às lâmpadas fluorescentes negras é facilmente compensado pela economia realizada nos custos de capital (aquisição do equipamento) e de operação (consumo energético).Em suma, pelo menos no caso da degradação da nitrofurantoína pelo processo foto-Fenton, os LEDs-UV mostraram-se substitutos vantajosos das lâmpadas fluorescentes negras, tradicionalmente utilizadas. / The goal of this research was to study the degradation, by the photo-Fenton process, of a model-pollutant (an antibiotic fromthe nitrofurans group: nitrofurantoin), using UV-LEDs instead of the lamps traditionally used, i.e. black fluorescent lamps. Two irradiation chambers were compared, each one of them with a type of light source, regarding: removal percentage, ecotoxicity (Lactuca sativa), antimicrobial activity (Escherichia coli), capital costs (equipment), operating costs (energy consumption), and light sources costs, as well as the space the chambers occupy.The degradation experiments were performed and optimized by experimental design, using the Response Surface Methodology, and obtaining the optimum concentrations of nitrofurantoin, ferric ions, and hydrogen peroxide, for each of the chambers. The studied chambers showed similar performances regarding nitrofurantoin removal (more than 95% in 15 min), besides the generation of no ecotoxic products (Lactuca sativa) and the biological inactivation (Escherichia coli) of the drug. The irradiation chamber with UV-LEDs is compact,cheaper (it is half of the price of the other one), and it is four times more efficient in terms of electric consumption. The sole disadvantage found was the cost of the UV-LEDs. Taking into consideration the number of LEDs and black fluorescent lamps used in the chambers, thiscost is 30 times greater. However, the additional cost of the UV-LEDsin comparison to black fluorescent lamps is easily compensated by the savings in capital costs (equipment acquisition) and operating costs (electric consumption). In summary, at least regarding the nitrofurantoin degradation by the photo-Fenton process, the UV-LEDs proved to beworthwhile alternatives for black fluorescent lamps, which are traditionally used.

Neste trabalho, utilizou-se um Processo Oxidativo Avançado (POA) para a degradação de uma solução aquosa contendo uma mistura de metilparabeno e propilparabeno (50 μg L-1 cada). O processo estudado foi o foto-Fenton solar, em um reator do tipo CPC operado no modo batelada com reciclo total. As condições operacionais foram otimizadas por meio da Metodologia de Superfície de Resposta (MSR), sendo elas: 771,6 μg H2O2 L-1, 65,3 μg Fe3+ L-1 e vazão 0,9 L min-1. O pH foi fixado em 2,5. A determinação das concentrações dos analitos foi realizada por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência acoplada a um Detector de Arranjo de Diodos (CLAE-DAD), tendo sido monitorado o comprimento de onda 258 nm. Utilizou-se como técnica extratora e de pré-concentração a Microextração Líquido-Líquido Dispersiva (MELLD), sendo o n-octanol o solvente extrator e a acetona o solvente dispersivo. Avaliou-se a cinética de degradação do processo otimizado (em triplicata), obtendo-se uma degradação > 99% em 50 min. As constantes de taxa (em função da dose de energia, unidades m² kW-1) foram 1,2 ± 0,034 (R² = 0,987) e 1,1 ± 0,042 (R² = 0,979) para o metilparabeno e o propilparabeno, respectivamente. O efluente do reator mostrou-se biologicamente inativo, tendo sido testadas sua ecotoxicidade (Lactuca sativa) e sua atividade antimicrobiana (Escherichia coli). / In this work, an Advanced Oxidation Process (AOP) was used for the degradation of aqueous methylparaben and propylparaben (50 μg L-1 each). The studied process was the solar photo-Fenton reaction, using a CPC-type reactor, which was operated in batch mode with total recycle. The experimental conditions were optimized using the Response Surface Methodology (RSM) and the obtained results were: 771.6 μg H2O2 L-1, 65.3 μg Fe3+ L-1, and flow rate 0,9 L min-1. The solution pH was set at 2.5. The analytes concentration were determined by High Efficiency Liquid Chromatography coupled to a Diode-Array Detector (HPLC-DAD), monitoring the 258 nm wavelength. The Dispersive Liquid-Liquid Extraction was used as a pre-concentration and extraction technique before injection, whereas n-octanol was the extraction solvent and acetone was the dispersive one. The optimized degradation process kinetics was assessed (triplicate) and more than 99% degradation was obtained after 50 min. The rate constants (normalized by the energy dose, m2 kW-1 units) were 1.2 ± 0.034 (Rsup>2 = 0.987) and 1.1 ± 0.042 (R2 = 0.979) for methylparaben and propylparaben, respectively. The reactor effluent was biologically inactive, regarding its ecotoxicity (Lactuca sativa) and antimicrobial activity (Escherichia coli).

O objetivo principal deste estudo foi determinar a origem da inibição do processo foto-Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2, luz UV] pelo íon cloreto. Um estudo das reações primárias da etapa fotocatalítica do processo foto-Fenton por fotólise por pulso de laser na presença de NaCl mostrou que a inibição reflete: i) fotólise competitiva dos complexos Fe(Cl)2+ e Fe(Cl)2+; ii) captura do radical hidroxila (dependente do pH) pelo íon cloreto. Esses dois processos formam o ânion radical menos reativo Cl2•- em lugar do radical HO•-, provocando uma progressiva inibição da reação de degradação com a diminuição do pH. Modelagem cinética destes resultados previa que a manutenção do pH em 3,0 durante a fotodegradação evitaria a formação do Cl2•-, o que foi confirmada através de experimentos de fotodegradação do fenol e da gasolina em meio aquoso na presença de NaCl. Por outro lado, na degradação do fenol pela reação térmica de Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2], o radical hidroxila não parece ter um papel muito importante. A degradação térmica não foi inibida pela presença de íon cloreto e a cinética de mineralização do fenol pela reação térmica de Fenton é indistinguível da degradação do fenol pelo processo foto-Fenton inibido por NaCl. Isso sugere que a reação proposta por Hamilton, isto é, a redução de Fe(III) a Fe(II) por catecol (o principal intermediário inicial da oxidação do fenol) na presença de H2O2, é o mecanismo principal de catálise da reação térmica de Fenton no nosso sistema. / The principal objective of the present study was to determine the origin of the inhibition of the photo-Fenton process [Fe(II)/Fe(III), H2O2, UV light] by chloride ion. A laser flash photolysis study of the primary reactions involved in the photocatalytic step of the photo-Fenton process in the presence of NaCl demonstrated that the inhibition reflects: i) competitive photolysis of the complexes Fe(Cl)2+ and Fe(Cl)2+; ii) pH-dependent sequestration of the hydroxyl radical by chloride ion. Both processes form the less reactive radical anion Cl2•- instead of HO•, resulting in a progressive inhibition of the degradation with decreasing reaction pH. Kinetic modeling of these results predicted that maintaining the pH at 3.0 throughout the reaction should prevent the formation of Cl2•-, a prediction confirmed experimentally for the photodegradation of phenol and gasoline. In contrast, in the degradation of phenol via the thermal Fenton reaction [Fe(II)/Fe(III), H2O2], the hydroxyl radical does not appear to play a very important role. Thus, the thermal degradation is not inhibited by chloride ion and the kinetics of mineralization of phenol by the thermal Fenton reaction are indistinguishable from those for degradation of phenol in the photo-Fenton reaction inhibited by NaCl. This suggests that the reaction proposed by Hamilton, i.e., reduction of Fe(III) to Fe(II) by catechol (the major initial intermediate in the oxidation of phenol) in the presence of H2O2, is the principal catalytic mechanism operative in the thermal Fenton reaction in our system.

Submitted by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2017-07-20T14:17:33Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2910252 bytes, checksum: acd75eea8212603d7149d077ca346e9b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-20T14:17:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2910252 bytes, checksum: acd75eea8212603d7149d077ca346e9b (MD5) Previous issue date: 2016-03-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The solar photo-Fenton process appears as an attractive alternative to post-treatment of landfill leachate to reduce the recalcitrant organic load of these effluents and, at the same time, to reduce energy costs of treatment by the use of a clean, renewable and free energy source. In this way, the present study aimed to evaluate the efficiency of the solar photo- Fenton process in the final physicochemical and toxicological quality of the biologically pretreated leachate from the landfill of João Pessoa city using a pilot-scale photoreactor. Initially, the operating conditions were investigated (flow, reaction time and pH adjustment) for the solar photo-Fenton process in pilot-scale. For this, three tests were performed with different flow rates (test1=65L.min-1, test2 = 48L.min-1, test3 = 35L.min-1). Then, the test 4 was carried to evaluate the reaction time process (60, 120 and 180 minutes) and the influence of pH adjustment (pH8) in the samples after the process. Under defined conditions, the efficiency of the solar photo-Fenton process was evaluated in terms of physicochemical and toxicological parameters (test 5). The influence of solar photolysis treatment was also observed. As a result, it was verified that the flow does not interfere directly in the removal of COD; then the minimum flow (35L.min-1) was adopted. In 60 minutes of reaction, it was possible to obtain high COD (76.1%) and color (93.45%) removals, so, this time was chosen for the process. The pH adjustment procedure was adopted to standardize the phototreated samples, since it increased the COD removal around 4%. In general, there was no change in the physicochemical characteristics of the leachate after the solar photolysis process. The solar photo-Fenton process provided high removals of color (87.5%), COD (81.7%) and recalcitrance, in terms of BOD5/COD (which increased from 0.12 to 0.32) and aromatic compounds (A254: 87,1% and A280: 87,74%). In addition, the solar photo-Fenton process reduced 76% of the leachate phytotoxicity on the lettuce plant (Lactuca sativa), in terms of EC50. In that way, it can be concluded that the solar photo-Fenton process was efficient when applied in pilot-scale, acting as an interesting post-treatment alternative for reduction of COD, color, recalcitrance and toxicity from landfill leachate. / O processo foto-Fenton solar surge como uma alternativa atrativa no pós-tratamento de lixiviados de aterros sanitários capaz de atuar na redução da carga orgânica recalcitrante desses efluentes e, ao mesmo tempo, possibilitar a miminização dos custos energéticos do tratamento pela utilização de uma fonte limpa, renovável e gratuita de energia. Dessa forma, a presente pesquisa objetivou avaliar a eficiência do processo foto-Fenton solar na qualidade físico-química e toxicológica final do lixiviado proveniente do sistema de tratamento biológico do Aterro Sanitário Metropolitano de João Pessoa (ASMJP) usando um fotorreator em escala piloto. Inicialmente, foram investigadas as condições operacionais (vazão, tempo de reação e ajuste do pH) para o processo foto-Fenton solar, em escala piloto. Para isso, foram realizados três testes com vazões diferenciadas (teste1=65L.min-1; teste2=48L.min-1; teste3=35L.min-1). Foi realizado ainda o teste 4, onde o tempo de reação (60, 120 e 180 minutos) foi investigado, bem como verificou-se a influência do ajuste de pH (pH8) nas amostras após o tratamento. Sob as condições definidas, a eficiência do processo foto-Fenton solar foi avaliada em termos de parâmetros físicos, químicos e toxicológicos (teste 5). A influência da fotólise solar no tratamento também foi verificada. Como resultados, pôde-se observar que a vazão não interferiu diretamente na remoção de DQO das amostras, adotou-se então a vazão mínima estudada (35L.min-1). Observou-se ainda que em 60 minutos de reação já foi possível obter elevados percentuais de remoção de DQO (76,1%) e cor (93,45%), sendo portanto o tempo escolhido para o tratamento. O procedimento de ajuste de pH foi adotado para padronização das amostras fototratadas, visto que ele elevou a remoção de DQO em torno de 4%. Em geral, não se verificou alteração nas características físico-químicas do lixiviado após a fotólise solar. O processo foto-Fenton solar proporcionou elevadas eficiências de remoção de cor (87,5%), DQO (81,7%) e recalcitrância, em termos de DBO5/DQO (que aumentou de 0,12 para 0,32) e redução de compostos aromáticos (A254: 87,1% e A280: 87,74%). Além de que, reduziu em 76% a elevada fitotoxicidade do lixiviado sobre a espécie Lactuca sativa (alface), em termos de CE50. Assim, pode-se concluir que o processo foto- Fenton solar foi eficiente quando aplicado em escala piloto sendo uma alternativa de póstratamento interessante na redução de DQO, cor, recalcitrância e toxicidade do lixiviado.