O objetivo principal desta pesquisa foi desenvolver um aparato e procedimento experimental para estudar a oxidação química de organoclorados por injeção de ozônio em escala de laboratório. A concepção do ensaio desenvolvido permite realizar ensaios de coluna em meio aquoso ou em meio poroso, saturado ou não saturado, com monitoramento da concentração e da pressão absoluta de ozônio na entrada e na saída da coluna, do pH, da temperatura do meio, da temperatura ambiente e controle da vazão. Nesta pesquisa foram realizados ensaios para verificar a degradação de PCE em fase dissolvida em concentração de saturação em diversos meios: água ultrapura, águas subterrâneas coletadas em um poço cacimba e em um poço tubular profundo, e soluções de bicarbonato de sódio. A investigação experimental compreendeu ensaios de saturação e decaimento de ozônio, ensaios batch e ensaios de coluna em meios com valores de pH variados. Os resultados indicaram que o ozônio em fase dissolvida atinge a saturação após aproximadamente 15 minutos de injeção, com concentrações saturadas variando entre 90 e 170 µmol/L, dependendo do meio aquoso de estudo. O decaimento biexponencial do ozônio dissolvido mostrou tempos de meia vida t1 e t2, que variaram conforme o meio de estudo, entre 4 e 26 minutos, e 14 e 193 minutos, respectivamente. O decaimento monoexponencial resultou em tempos de meia vida entre 12 e 76 minutos. Os ensaios batch em meio aquoso mostraram degradação significativa do PCE por ozônio dissolvido comparativamente à degradação em água ultrapura não ozonizada. A adição de bicarbonato de sódio diminuiu os tempos de meia vida do ozônio em água, mas não intensificou a degradação do PCE em sistema fechado (ensaios batch). Os ensaios de coluna em meio aquoso indicaram que a volatilização e o arraste são os principais mecanismos de remoção de PCE por injeção de ozônio. As concentrações de PCE em fase dissolvida observadas no início do ensaio de coluna foram quase completamente volatilizadas e recuperadas no trap, tanto nos ensaios com a injeção de oxigênio quanto nos ensaios com injeção de ozônio. As concentrações de PCE na coluna no final dos ensaios foram inferiores ou ligeiramente superiores ao valor de intervenção estabelecido pela CETESB em 2014. Os ensaios de coluna em meio sólido (microesferas de vidro e areia) indicaram que ocorre degradação do PCE, com remoção quase total na coluna, porém com menor recuperação no trap. Possivelmente, o maior tempo de residência na coluna favorece as reações do ozônio com o PCE. / The aim of this research was to develop experimental apparatus and procedure to investigate chemical oxidation of chlorinated organic compounds by ozone injection at laboratory scale, in aqueous media and in saturated or unsaturated porous media. The test allows control of ozone inlet and outlet pressures and concentrations, pH, room and column temperature, and ozone flow. In this research, tests were performed to investigate degradation of PCE dissolved at maximum solubility concentration in several media: ultrapure water, groundwater collected in a shallow well and in a deep well, and sodium bicarbonate solutions. The experimental investigation comprised ozone saturation and decay tests, batch tests, and column tests in aqueous media with several pH values. Results indicated that dissolved ozone reaches saturation after approximately 15 minutes of injection, at saturated concentrations between 90 and 170 µmol/L, depending on the aqueous medium. Second order ozone decay half lives t1 and t2 vary, respectively, between 4-26 minutes and 14-193 minutes depending on the aqueous medium. First order decay half lives varied between 12-76 minutes. Batch tests in aqueous media showed significant PCE degradation by dissolved ozone as compared to degradation in non ozonized ultrapure water. Addiction of sodium bicarbonate decreased ozone half-lives in water but did not intensify PCE degradation as observed in the results of batch tests. Column tests in aqueous media evinced that stripping and volatilization are the mains mechanisms of PCE removal by ozone injection. Initial concentrations of dissolved PCE in the column were almost completely volatilized and recovered in the trap, for ozone injection as well as for oxygen injection. Final concentrations of dissolved PCE in the column were in the order of ppb and very near the limit allowable value according to the environmental agency of the state of São Paulo. Column tests in solid media indicate that PCE degrades and is removed from the column, but not totally recovered in the trap; probably, the more extended residence time in the column enhances reactions of ozone and PCE

O objetivo principal desta pesquisa foi desenvolver um aparato e procedimento experimental para estudar a oxidação química de organoclorados por injeção de ozônio em escala de laboratório. A concepção do ensaio desenvolvido permite realizar ensaios de coluna em meio aquoso ou em meio poroso, saturado ou não saturado, com monitoramento da concentração e da pressão absoluta de ozônio na entrada e na saída da coluna, do pH, da temperatura do meio, da temperatura ambiente e controle da vazão. Nesta pesquisa foram realizados ensaios para verificar a degradação de PCE em fase dissolvida em concentração de saturação em diversos meios: água ultrapura, águas subterrâneas coletadas em um poço cacimba e em um poço tubular profundo, e soluções de bicarbonato de sódio. A investigação experimental compreendeu ensaios de saturação e decaimento de ozônio, ensaios batch e ensaios de coluna em meios com valores de pH variados. Os resultados indicaram que o ozônio em fase dissolvida atinge a saturação após aproximadamente 15 minutos de injeção, com concentrações saturadas variando entre 90 e 170 µmol/L, dependendo do meio aquoso de estudo. O decaimento biexponencial do ozônio dissolvido mostrou tempos de meia vida t1 e t2, que variaram conforme o meio de estudo, entre 4 e 26 minutos, e 14 e 193 minutos, respectivamente. O decaimento monoexponencial resultou em tempos de meia vida entre 12 e 76 minutos. Os ensaios batch em meio aquoso mostraram degradação significativa do PCE por ozônio dissolvido comparativamente à degradação em água ultrapura não ozonizada. A adição de bicarbonato de sódio diminuiu os tempos de meia vida do ozônio em água, mas não intensificou a degradação do PCE em sistema fechado (ensaios batch). Os ensaios de coluna em meio aquoso indicaram que a volatilização e o arraste são os principais mecanismos de remoção de PCE por injeção de ozônio. As concentrações de PCE em fase dissolvida observadas no início do ensaio de coluna foram quase completamente volatilizadas e recuperadas no trap, tanto nos ensaios com a injeção de oxigênio quanto nos ensaios com injeção de ozônio. As concentrações de PCE na coluna no final dos ensaios foram inferiores ou ligeiramente superiores ao valor de intervenção estabelecido pela CETESB em 2014. Os ensaios de coluna em meio sólido (microesferas de vidro e areia) indicaram que ocorre degradação do PCE, com remoção quase total na coluna, porém com menor recuperação no trap. Possivelmente, o maior tempo de residência na coluna favorece as reações do ozônio com o PCE. / The aim of this research was to develop experimental apparatus and procedure to investigate chemical oxidation of chlorinated organic compounds by ozone injection at laboratory scale, in aqueous media and in saturated or unsaturated porous media. The test allows control of ozone inlet and outlet pressures and concentrations, pH, room and column temperature, and ozone flow. In this research, tests were performed to investigate degradation of PCE dissolved at maximum solubility concentration in several media: ultrapure water, groundwater collected in a shallow well and in a deep well, and sodium bicarbonate solutions. The experimental investigation comprised ozone saturation and decay tests, batch tests, and column tests in aqueous media with several pH values. Results indicated that dissolved ozone reaches saturation after approximately 15 minutes of injection, at saturated concentrations between 90 and 170 µmol/L, depending on the aqueous medium. Second order ozone decay half lives t1 and t2 vary, respectively, between 4-26 minutes and 14-193 minutes depending on the aqueous medium. First order decay half lives varied between 12-76 minutes. Batch tests in aqueous media showed significant PCE degradation by dissolved ozone as compared to degradation in non ozonized ultrapure water. Addiction of sodium bicarbonate decreased ozone half-lives in water but did not intensify PCE degradation as observed in the results of batch tests. Column tests in aqueous media evinced that stripping and volatilization are the mains mechanisms of PCE removal by ozone injection. Initial concentrations of dissolved PCE in the column were almost completely volatilized and recovered in the trap, for ozone injection as well as for oxygen injection. Final concentrations of dissolved PCE in the column were in the order of ppb and very near the limit allowable value according to the environmental agency of the state of São Paulo. Column tests in solid media indicate that PCE degrades and is removed from the column, but not totally recovered in the trap; probably, the more extended residence time in the column enhances reactions of ozone and PCE

Los efluentes acuosos contaminados por compuestos clorados son un importante problema medioambiental, tanto por su toxicidad intrínseca (bioacumulables, efectos crónicos y agudos, efectos cancerígenos, mutagénicos y teratogénicos), como por su alta capacidad para contaminar medios ecológicamente sensibles (aguas superficiales y subterráneas). Los compuestos organoclorados constituyen una familia de compuestos muy amplia y con numerosas aplicaciones como disolventes, reactivos e intermedios en procesos industriales.Dentro de las alternativas que existen en la actualidad para la depuración de estas corrientes acuosas se tienen distintas técnicas, aunque en la actualidad no existe un método plenamente satisfactorio para esta finalidad. La hidrodecloración catalítica en fase acuosa se plantea como una solución técnicamente viable y medioambientalmente segura. Entre los catalizadores estudiados, el paladio es el metal con mejores propiedades catalíticas para este proceso, siendo los soportes más empleados los de carbón activo y alúmina.En la presente Tesis se ha estudiado la hidrodecloración catalítica en fase acuosa de los compuestos organoclorados de mayor nivel de vertido, trabajando en intervalos de concentración habituales en efluentes acuosos industriales. Estos experimentos han sido realizados en un reactor discontinuo en suspensión utilizando un catalizador comercial de paladio soportado sobre carbón activo. Los compuestos estudiados son tricloroetileno, 1,2-dicloroetano, tetracloroetileno, tetraclorometano y pentaclorofenol, tanto solos como formando parte de mezclas. Se ha estudiado la transferencia de materia en este tipo de reactores y se han determinado las cinéticas de reacción. Se ha observado que es posible la degradación total de estos compuestos, con la excepción del 1,2-dicloroetano, a temperaturas cercanas a la ambiente. Asimismo, se producen efectos de inhibición significativos cuando se procesan mezclas de clorados, siendo el tetraclorometano el compuesto con mayor capacidad inhibidora. Estos efectos se han modelizado considerando cinéticas de tipo Langmuir-Hinshelwood.La desactivación de los catalizadores puede comprometer seriamente la viabilidad del proceso. Por ello, se ha estudiado la estabilidad del catalizador de paladio sobre carbón activo, así como de un catalizador comercial de paladio sobre alúmina, para la hidrodecloración de tricloroetileno (seleccionado como compuesto modelo), con una concentración análoga a la que tendría en un efluente acuoso industrial contaminado. Los experimentos en continuo han sido realizados en un reactor de lecho fijo. El catalizador soportado sobre alúmina es muy estable para la operación en continuo, mostrando una menor estabilidad en la operación en el reactor discontinuo agitado, debido al efecto del ácido clorhídrico generado en la reacción.Por otro lado, el catalizador soportado sobre carbón activo sufre una importante desactivación en continuo, habiéndose estudiado sus causas variando el pH de la alimentación, la concentración de cloruros o mediante la adición de bases o alcalinidad. De esta manera, se ha determinado que las sustancias que provocan el envenenamiento del catalizador son los protones y cloruros procedentes del ácido clorhídrico producido, generándose complejos de paladio (II) clorurados debido a la acidez del medio. Si el medio es moderadamente básico, esta desactivación disminuye en gran medida, mientras que si el medio es muy básico se produce la desactivación por formación de hidróxidos de paladio. La regeneración del catalizador es posible tras un lavado con agua destilada durante varias horas.Dado que el tratamiento de aguas subterráneas contaminadas con compuestos organoclorados presenta una casuística muy diferente a la de las aguas industriales (concentraciones de órdenes de magnitud más bajas), se ha estudiado la cinética de los procesos de hidrodecloración catalítica con tricloroetileno, con una concentración análoga a la de estas corrientes, sobre un catalizador de paladio soportado sobre zeolita y sobre un catalizador de paladio sobre alúmina, así como la desactivación de los mismos. En este caso, la desactivación se produce también por los cloruros y la acidez que se añade al medio de reacción para los ensayos, presentando ambos catalizadores comportamientos similares. La protección de estos catalizadores es posible gracias a la adición de una capa de aceite de silicona sobre los mismos, alargándose así su vida útil, ya que la silicona actúa como una capa hidrofóbica que impide el paso de sustancias iónicas hacia el interior del catalizador y permite la expulsión del cloruro de hidrógeno (gas en ausencia de agua) generado en la reacción. / Wastewaters containing organochlorinated pollutants are an important environmental problem and toxicological hazard as they are responsible for their effects on human health (bioaccumulation and carcinogenic, mutagenic and teratogenic effects) and they are able to highly pollute sensitive environments (groundwaters and surface waters). Organochlorinated pollutants constitute a very important and versatile family of chemical compounds, with wide applications as solvents, reagents and intermediates in the industrial processes.Nowadays there are still not satisfactory processes available for dealing with these streams, even when there are many techniques proposed in the literature. Aqueous-phase catalytic hydrodechlorination is an interesting alternative for the environmentally safe treatment of these wastewaters. Among the different catalysts tested, palladium has the best catalytic properties for this process, and activated carbon and alumina are the most common supports.In this Thesis, a catalytic hydrodechlorination process in the aqueous phase has been developed for the treatment of these industrial wastewaters. The experiments were carried out in a batch stirred slurry reactor with a commercial activated carbon-supported palladium catalyst. The experimental work was focused on the most released chlorinated compounds: trichloroethylene, 1,2-dichloroethane, tetrachloroethylene, tetrachloromethane and pentachlorophenol, both pure and in mixtures. Mass transfer has been studied in this kind of reactors and reaction kinetics has been determined. Total degradation of these compounds has been reached, except for 1,2-dichloroethane, at room temperature. Important inhibition phenomena were observed for the mixtures, where tetrachloromethane has the highest inhibition capacity. These effects can be modeled using simplified Langmuir-Hinshelwood kinetics.Catalyst deactivation is one of the causes that can severely hinder the viability of the treatment process. This is the reason why the stability of carbon- and alumina- supported catalysts for the hydrodechlorination of trichloroethylene (selected as model compound with a typical concentration for industrial wastewaters) was studied. The continuous-experiments were performed in a fixed bed reactor. The alumina-supported catalyst has a high stability in the continuous experiments, but its stability markedly decreases in the batch experiments because of the hydrogen chloride generated during the reaction.The carbon-supported catalyst has an appreciable loss of activity under the continuous operation conditions. The causes of this deactivation were investigated by determining the catalyst behaviour with variation of different operation parameters, such as the pH of the feed, chloride concentration and the presence of different alkaline compounds (NaOH and Na2CO3). From these studies, it is concluded that the protons and chlorides from the hydrogen chloride generated cause catalyst deactivation. The effect of alkalis markedly depends on the basic strength of the compound, weak basicity leads to an increase of the catalyst stability, whereas strong basicity leads to faster deactivation. Catalyst activity is, however, recoverable after washing with distilled water for some hours. A chemical mechanism considering redox, precipitation, and complexation equilibria has been proposed for explaining the obtained results.Groundwater contamination with organochlorinated compounds is also an important problem but it has very different characteristics. In this case, typical pollutants concentrations are much lower than the encountered in industrial wastewaters. Reaction kinetics has been determined for the catalytic hydrodechlorination of trichloroethylene in the aqueous phase (with a typical concentration for polluted groundwater), over a zeolite- and alumina-supported palladium catalysts. Deactivation was also investigated and observed. The main cause of this deactivation is again the palladium inhibition caused by the chloride ions released during the reaction and promoted by the presence of acidity. Both catalysts experiment similar loss of activity. A procedure for increasing the catalyst stability, based on the impregnation of the catalyst with silicon oil, was successfully tested. This hydrophobic layer prevents that harmful ionic species move from the reaction mixture to the catalyst surface, and avoids the contact of the released HCl with the catalyst surface, since it moves through the silicon layer as hydrogen chloride.

[pt] A ustulação cloretante é um processo amplamente utilizado no âmbito da metalurgia extrativa, principalmente no que se diz respeito à obtenção de metais. Estudos demonstram que a partir de um agente cloretante gasoso e a incorporação no sistema de um agente redutor, tanto a cinética quanto a termodinâmica das reações são estimuladas. Neste contexto, compostos organoclorados, como CCl4 e C2Cl4, despontam como candidatos promissores à substituição do Cl2. O presente estudo realiza uma avaliação termodinâmica dos processos a partir de diagramas de especiação para o equilíbrio, assim como a modelagem de dados cinéticos associados à cloração do óxido de cobre (CuO - 923 K a 1173 K) e do pentóxido de tântalo (Ta2O5 - 1073 K a 1223 K), em atmosfera de C2Cl4 diluído em N2, mediante o emprego de equações já consolidadas no âmbito da modelagem de reações gás-sólido (núcleo não reagido, auto-catalítico e Avrami). Os modelos do núcleo não reagido com controle difusional pela camada de cinzas e controle químico, foram os dois que apresentaram ajustes de melhor qualidade. O modelo difusional apresentou energia de ativação global para o CuO de 71,5592 mais ou menos 10 kJ.mol(-1) e de 62,2606 mais ou menos 10 kJ.mol (-1) para o Ta2O5, enquanto que com controle químico, para o CuO, obteve-se o valor de 118,0049 mais ou menos 10 kJ.mol(-1) e para o Ta2O5 um valor de 119,131 mais ou menos 10 kJ.mol(-1). Valores consistentes com o que é apresentado na literatura, sendo superiores em modelos com premissa química do que em modelos difusionais. Aspectos físicos também foram considerados e mediante ao número de Reynolds encontrado (Re=0,26 – escoamento laminar), reforçou-se um controle de natureza mista possível para ambos os óxidos. / [en] Chloride roasting is a process widely used in the field of extractive metallurgy, especially with regard to obtaining metals. Studies show that from a gaseous chlorinating agent and the incorporation of a reducing agent in the system, both the kinetics and the thermodynamics of the reactions are stimulated. In this context, organochlorine compounds, such as CCl4 and C2Cl4, stand out as promising candidates for the replacement of Cl2. The present study performs a thermodynamic evaluation of the processes from speciation diagrams for equilibrium, as well as the modeling of kinetic data associated with the chlorination of copper oxide (CuO - 923 K to 1173 K) and tantalum pentoxide (Ta2O5 - 1073 K to 1223 K), in an atmosphere of C2Cl4 diluted in N2, using equations already consolidated in the context of gas-solid reaction modeling (shrinking core, auto-catalytic and Avrami). The models of the shrinking core with diffusional control by the ash layer and chemical control, were the two that presented better quality adjustments. The diffusional model showed global activation energy for the CuO of 71.5592 plus-minus 10 kJ.mol (-1) and 62.2606 plus-minus 10 kJ.mol (-1) for Ta2O5, while with chemical control, for CuO, 118.0049 plus-minus 10 kJ.mol (-1) was obtained and for Ta2O5 a value of 119,131 plus-minus 10 kJ.mol (-1). Values consistent with what is presented in the literature, being higher in models with chemical premise than in diffusion models. Physical aspects were also considered and, based on the Reynolds number found (Re = 0,26 - laminar flow), a control of mixed nature possible for both oxides was reinforced.