BR102015004329A2 - Glass cylindrical reactor containing titanium dioxide for employment in purification of water contaminated with organic pollutants and / or pathogenic microrganisms: construction and use. - Google Patents

Abstract

esta patente de invenção refere-se a um reator construído de vidro e encamisado com material resistente com superfície de metal ou liga metálica ou de fibra de vidro ou de cerâmica modificada. o cilindro contém, na parte interna, o óxido de titânio encapsulado em py a, e nas extremidades orifícios por onde passará o efluente a sr tratado. o reator explora o principio de um processo oxidativo avançado (poa), e é destinado à destruição catalítica ou fotocatalítica (se a ele for adaptada radiação ultravioleta) de substâncias orgânicas poluentes e/ou microrganismos patogênicos.

Description

“REATOR CILÍNDRICO DE VIDRO CONTENDO DIÓXIDO DE TITÂNIO PARA EMPREGO EM PURIFICAÇÃO DE ÁGUAS CONTAMINADAS COM POLUENTES ORGÂNICOS E/OU MICRORGANISMOS PATOGÊNICOS: CONSTRUÇÃO E USO” [001] A presente invenção constitui-se de um reator cilíndrico construído em vidro temperado, contendo em sua superfície interna partículas de óxido de titânio dispersas em um polímero (acetato de plivinila, PVA). O reator é cncamisado com um cilindro externo, feito de uma mistura de acetato de polivinila (PVA) e silicato de cálcio ou fibra cerâmica. O reator pode ser empregado para uso industrial, no tratamento de efluentes contendo substâncias orgânicas poluentes c oxidáveis, ou para adaptação em estações de tratamento de água. O reator emprega o principio do Processo Oxidativo Avançado (POA), especificamente baseado no uso do óxido de titânio (TIO2), de forma a gerar espécies químicas reativas que destruirão moléculas orgânicas potencialmente poluidoras (pesticidas, hormônios, hidrocarbonetos, etc).

ESTADO DA TÉCNICA E SEUS PONTOS DEFICIENTES

[002] O estudo de novas alternativas para 0 tratamento de efluentes que contenham resíduos tóxicos é uma das principais armas de combate à contaminação ambiental antropogénica. Nesse aspecto, a utilização de processos oxidativos avançados (POA) surge como alternativa para o tratamento desses resíduos, pois tais processos se apresentam mais sustentáveis no longo prazo para a descontaminação ambiental.

[003] Processos oxidativos avançados (POA) têm sido considerados métodos eficientes para acelerar a oxidação não seletiva e, portanto, a destruição de uma vasta gama de substâncias orgânicas resistentes às tecnologias convencionais de tratamento. Esses processos baseiam-se na formação de radicais hidroxilas (OH·), que promovem a mineralização dos compostos orgânicos tóxicos, transformando-os em compostos inócuos, como dióxido de carbono, água e ânions inorgânicos, São processos limpos e não seletivos, podendo degradar inúmeros compostos, independente da presença de outros, Além disso, podem ser usados para destruir compostos orgânicos tanto em fase aquosa, como em fase gasosa ou adsorvidos numa matriz sólida, como por exemplo o solo.

[004] Os POAs dividem-se em sistemas homogêneos (catalisador e resíduo orgânico ou apenas o resíduo orgânico, em uma única fase) e heterogêneos (catalisador, geralmcntc cm forma sólida, e resíduos orgânicos, formando duas ou mais fases), em que os radicais OH- podem ser gerados com ou sem irradiação ultravioleta (UV). Os radicais hidroxila podem ser gerados através de reações envolvendo oxidantes fortes com ozônio (O3) e peróxido de hidrogênio (H2O2), bem coo pelo uso de materiais semicondutores, como dióxido de titânio (ΊΠΟ2) c oxido de zinco (ZnO) ou por adição ultravioleta (UV) ou visível (Vis) combinada com um reagente catalisador. Muitos agentes oxidantes são aplicáveis nessas reações de oxidação realizadas na presença de radiações UV, porém alguns se destacam, como o dióxido de titânio (ΊΠΟ2), a água oxigenada (H2O2), os sais de ferro (Fe:+ c Fe'1*), 0 ozônio ( O3), o persulfato de potássio (K2S2O8) e o ácido nítrico (HNO3). A literatura menciona também vários trabalhos envolvendo diversos catalisadores semicondutores, como o dióxido de titânio (T1O2), o óxido de zinco (ZnO), o óxido de ferro III ou hematita (Fe2Ü3), o kaolin (Al2SÍ205(0H)4), o dióxido de silício ou sílica (S1O2), e o óxido de alumínio ou alumina (AI2O3). Entretanto, de todos eles, o dióxido de titânio (T1O2) é o fotocatalisador mais ativo e o que mais tem sido utilizado na degradação de compostos orgânicos presentes em águas c efluentes. Além disso, nas ultimas décadas, ο T1O2 tem sido extensivamente estudado por suas propriedades elétricas, magnéticas e eletroquímicas e, com isso, tem sido utilizado numa variedade enorme de aplicações tecnológicas. Algumas vantagens do T1O2 são o baixo custo, a não toxicidade, a insolubilidade em água, a foto estabilidade, a estabilidade química em uma ampla faixa de pH, a possibilidade de imobilização sobre sólidos, e a possibilidade de ativação por luz solar.

[005] Neste invento, ο T1O2 é utilizado na construção de um reator baseado em POA para destruição de compostos orgânicos tóxicos. O diferencial desse reator, em relação aos reatores já descritos e até mesmo patenteados, será apresentado e discutido em maior detalhe nessa patente. Contudo, é importante frisar que o processo de destruição de compostos orgânicos perigosos e poluentes explorado nessa patente não é baseado em biorremediação de efluentes ou ambientes aquáticos contaminados, mas sim na remediação química, baseada em reações específicas e dirigidas, realizadas em um reator especial. A grande novidade dessa invenção não é exatamente o processo de destruição em si, pois este já é bastante conhecido e bem descrito na literatura, mas sim a estratégia de construção do reator e seu uso No final, tem-se um potencial de destruição bem maior que os métodos POA convencionais.

[006] Um dos pontos mais deficientes das invenções já reportadas, objetivando o tratamento de águas e efluentes, empregando métodos e dispositivos baseados em processos oxidativos avançados, POAs, é o desgaste do material, com sua consequente perda de eficiência. Sc o material oxidante, semicondutor ou não, estiver fixo cm um reator, em geral a passagem do efluente através deste reator arrasta partículas do material, comprometendo a vida útil do instrumento. Mesmo o uso do dióxido de titânio, se não for realizado com cuidado, pode inviabilizar o prOocesso. Outro inconveniente é o uso de radiação ultravioleta (UV), que muitas das vezes é dificultado, devido à engenharia do aparato, que leva a perdas de radiação, tornando o processo mais caro do que deveria.

[007] Entre as patentes depositadas no INP1, relacionadas com construção e/ou uso de reatores baseados em POAs, destacamos as que se encontram no quadro a seguir: [008] Em todos os inventos anteriormente citados, os procedimentos para preparo do reator, bem como as estratégias de aplicação do processo oxidativo avançado para destruição das moléculas orgânicas poluentes c tóxicas, são completamente diferentes daqueles mostrados na presente patente.

OBJETIVOS E ATIVIDADE INVENTIVA

[009] Este invento possui caráter bastante inovador, pois alia o desenvolvimento de novos produtos com a adoção de novas alternativas para remediação de ambientes contaminados. Assim, tem elevado impacto não só em relação às políticas publicas para tratamentos ambientais como também em relação ao lançamento de novos e promissores produtos no mercado nacional c internacional.

[010] O POA explorado na presente patente consiste na aplicação do T1O2 imobilizado, como fotocatalisador, bem como da radiação UV, para acelerar o processo de degradação dos compostos orgânicos tóxicos. Como novidade, tem-se a fixação do T1O2 em uma matriz polimérica, dispersa em um tubo cilíndrico de vidro temperado e resistente a elevadas temperaturas, revestido de um cilindro externo, feito cm silicato de cálcio ou fibra de vidro misturada a uma matriz polimérica. A matriz polimérica é de acetato de polivinila (PVA) ou de acetato de polivinila contendo grupamentos de estiril piridina (PVA-SbQ).

[011] Resumindo, podemos destacar, como inconvenientes relacionados com a maior parte dos processos que propõem uso dos radicais livres obtidos nos POAs, o elevado custo de alguns materiais oxidativos, bem como a sua perda, por desgaste das superfícies oxidantes dos reatores ou mesmo por desativação das espécies oxidantes. Na presente patente, esses inconvenientes são reduzidos, já que o material oxidativo, no caso o oxido de titânio, está encapsulado em um polímero, que faz com que não haja oxidação das partes metálicas do reator, embora disponibilize o oxigênio reativo ao longo do processo, facilitando a eliminação/destruição das substancias orgânicas tóxicas, incluindo microrganismos patogênicos.

[012] Foram estudados efeitos de alguns parâmetros, tais como o tempo de iluminação e concentração inicial dos compostos durante a degradação fotocatalítica de alguns pesticidas organoclorados, sendo suficientes apenas 30 minutos para reduzir cerca de 80% dos compostos, e cerca de lh para eliminar 100% dos compostos. Em relação aos microrganismos patogênicos, verificou-se que um tempo de contato de lh reduz em 95% as bactérias heterotróficas. A velocidade de passagem do efluente também foi estudada, tendo sido verificada que um fluxo de 0,5 a 2,3 mL/min, preferencialmcnte 1,2 mL/min é adequado para este fim.

PROCEDIMENTO DE CONSTRUÇÃO DO REATOR

[013] A invenção passará a ser descrita a seguir, com referência a todos os passos para a preparação do reator de POA. Ο T1O2 utilizado nos estudos, nos quais se empregou o fotocalisador imobilizado é de grau de pureza elevado (> 90%). O melhor material é comercialmentc conhecido como T1O2 P25, e possui as seguintes características: área superficial de 50 m:g''> tamanho médio de partícula de 30 nm, composição cristalina de 80% anatasc e 20% rutilo. O vidro para imobilização do fotocatalizador Ti02 P25 é temperado. O tratamento de têmpera do vidro consiste no aquecimento gradativo do vidro (rampa de temperatura com aumento de 3°C/h) até atingir a temperatura de 700°C (estado plástico) para então ser resfriado bruscamentc. O resfriamento se dá em câmara fria a 12°C . Com esse tratamento, o vidro passa a ser mais resistente à pressão e à flexão, c passa a suportar uma variação de temperatura de até ± 200°C.

Etapas de construção do reator 1- Imobiliza-se o fotocatalizador Ti02 P25 cm suporte de vidro temperado com formato cilíndrico, de forma que se ajuste à camisa de inox, formando o reator utilizado para os processos de fotodegradação. 2- Primeiramente, a superfície do suporte cilíndrico de vidro é limpa com detergente neutro (Extran) e etanol. O suporte é transferido para estufa a 150° C durante 12 h, e posteriormente resfriado em câmara fria. 3- Antes de realizar a imobilização do fotocatalisador T1O2 P25, passa-se hexano no cilindro a fim de retirar qualquer resíduo de gordura da superfície. 4- A pasta contendo T1O2 P25 é preparada conforme procedimento descrito a seguir: cm um recipiente de inox, adiciona-se uma solução alcoólica de acetato de poliviníla (PVA), de concentração entre 1,6% e % 2,5, preferencialmente 1,8% (m/v), sob vigorosa agitação (3000 a 6000 rpm, preferencialmente 5000 rpm) e aquecimento a uma faixa de temperatura de 60 a 90°C, preferencialmente 80°C, até completa dissolução do polímero. A concentração final do T1O2 na mistura deve estar entre 6 e 10 g/L, preferencialmcnte 8 g/L. 5- Em seguida, adiciona-se ο T1O2 P25 à solução e deixa-se a mistura sob aquecimento (entre 60 e 90°C, preferencialmente 80 °C) e agitação (de 2500 a 4000 rpm, preferencialmente 3000 rpm) por um tempo entre 30 min a 2h, preferencialmcnte 1 h. Obtém-se uma pasta homogênea, espessa e viscosa. 6- Passa-se então essa pasta na superfície interna do suporte cilíndrico de vidro temperado, com auxilio de um rolo de látex. Deixa-se secar a temperatura ambiente durante 10 a 14 h, preferencialmente 12 h. 7- Proccdc-se à calcinação do reator à temperatura de 400 a 600°C, preferencialmente 450 °C em mufla por 30 min a 2h, prefcrencialmente lh. Deixa-se o suporte contendo o fotocalalisador resinar naturalmente à temperatura ambiente. 8- O procedimento de imobilização do TiO: P25 ao suporte e posterior calcinação é repetido de 3 a 5 vezes, prefercncialmente 4 vezes, com o objetivo de aderir o máximo de catalisador na parede do cilindro. A espessura do filme de polímero contendo TiCU P25 não deve ultrapassar 1,0 cm. 9- O reator cilíndrico de vidro contendo o fotocatalizador é fechado nas extremidades, deixando dois orifícios nas extremidades do cilindro, uma para entrada e outro para saída do efluente. 10- O reator assim preparado é encamisado com um cilindro feito de material metálico (inox ou liga metálica) ou de um material resistente feito à base de pó de silicato de cálcio ou pó de fibra cerâmica misturado com PVA (proporção da mistura: 1:1).

USO DO REATOR

[014] O efluente deve ser bombeado c passado através do cilindro, ficando cm contato em tempo suficiente para destruição da matéria orgânica, em especial contaminantes químicos de natureza orgânica ou microrganismos patogênicos. Esse tempo foi testado em cerca de 30 min, mas o fluxo do efluente deve ser ajustado de modo a facilitar o contato. O fluxo de fluxo de 0,5 a 2,3 mL/min, preferencialmente 1,2 mL/min, é adequado para esse fim.

REIVINDICAÇÕES

Claims (3)

1. REATOR CILÍNDRICO DE VIDRO CONTENTO DIÓXIDO DE TITÂNIO PARA EMPREGO EM PURIFICAÇÃO DE ÁGUAS CONTAMINADAS COM POLUENTES ORGÂNICOS E/OU MICROORGANISMOS PATOGÊNICOS: CONSTRUÇÃO E USO. caracterizado por: a. Utilizar, para construção do reator, óxido de titânio, T1O2 de elevada pureza (> 90%), prcferencialmente o produto comercial T1O2 P25, sendo que este óxido é misturado a acetato de polivinila (PVA), em concentração 1,6% a 2,5%, preferencialmente 1,8% (m/v), sob agitação vigorosa (preferencialmente 5000 rpm), a mistura aquecida a 60-90°C (prefercncialmente 80°C), se ndo a concentração final do T1O2 de 6 a 10 g/Kg, preferencialmente 8 g/Kg; b. Ser essa mistura contendo ο T1O2 imobilizada em cilindro de vidro temperado, por aplicação manual (de 3 a 5 vezes, prcferencialmente 4 vezes), até obter uma camada de no máximo 1,0 cm na superfície interna do cilindro de vidro; c. Ser esse cilindro calcinado à temperatura de 400 a 6()0°C, preferencialmente 450°C, e deixado em reouso para resfriar a temperatura ambiente por 1 hora; d. Ser o reator fechado nas duas extremidades, deixando-se dois orifícios, para entrada e saída do efluente; c. Ser este reator encamisado com material metálico (inox ou liga metálica Fe-Carbono) ou com material feito pela mistura de pó de silicato de cálcio ou de fibra cerâmica c PVA (proporção 1:1).

2. REATOR CILÍNDRICO DE VIDRO CONTENTO DIÓXIDO DE TITÂNIO PARA EMPREGO EM PURIFICAÇÃO DE ÁGUAS CONTAMINADAS COM POLUENTES ORGÂNICOS E/OU MICROORGANISMOS PATOGÊNICOS: CONSTRUÇÃO E USO, de acordo com reivindicação 1, caracterizado por explorar o principio do processo oxidativo avançado (POA), sendo que o efluente doméstico, industrial ou agropecuário deverá passar pelo reator, cm uma velocidade entre de 0,5 a 2,3 niL/min, prcferencialmente 1,2 mL/min, adequado para se garantir o contato do efluente com as partículas oxidativas livres geradas pelo POA.

3. REATOR CILÍNDRICO DE VIDRO CONTENTO DIÓXIDO DE TITÂNIO PARA EMPREGO EM PURIFICAÇÃO DE ÁGUAS CONTAMINADAS COM POLUENTES ORGÂNICOS E/OU MICROORGANISMOS PATOGÊNICOS: CONSTRUÇÃO E USO, de acordo com reivindicações 1 e 2, caracterizado por ser este reator empregado na purificação de efluentes contendo substâncias orgânicas poluentes e tóxicas, tais como pesticidas organofosforados e outros, e/ou microrganismos patogênicos, tais como bactérias heterotróficas, vírus e outros.