Avaliação da degradação de atrazina em reator de ozonização fotocatalítica

Abstract

RESUMO: A atrazina é um herbicida muito utilizado em culturas brasileiras de cana-de-açúcar, milho, soja e sorgo. Esse herbicida tem desencadeado problemas ambientais devido à poluição de solos, águas superficiais e subterrâneas. Os Processos Oxidativos Avançados (POAs) têm se mostrado uma alternativa na degradação de poluentes como atrazina e têm sido alvo de pesquisas por todo o mundo nos últimos anos. A fotocatálise utiliza partículas semicondutoras excitadas por radiações eletromagnéticas para a geração de radicais hidroxilas, altamente oxidantes, responsáveis por mineralizar os contaminantes orgânicos, convertendo-os em dióxido de carbono, água ou em compostos menos poluentes. Os semicondutores comerciais dióxido de titânio (TiO2) e óxido de zinco (ZnO) foram utilizados neste trabalho como fotocatalisadores. Os catalisadores foram caracterizados por difração de raios X (DRX), medidas de adsorção-dessorção de N2 (determinação da área específica, isotermas de adsorção, volume específico e diâmetro médio de poros), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDX), refletância total atenuada (ATR) e espectroscopia fotoacústica. Os ensaios reacionais foram realizados em um reator de ozonização fotocatalítica, em que foi possível realizar experimentos isolados ou em conjunto de adsorção, fotólise, fotocatálise, ozonização, ozonização fotolítica e ozonização fotocatalítica. Os testes foram executados com solução de 3,00 L de poluente contento atrazina e variando-se a concentração dos catalisadores em 0,00, 0,10, 0,50, 0,75 e 1,00 g/L, utilizando-se a vazão de ozônio de 2 L/min. Durante a realização de todos os experimentos, buscou-se manter constante a temperatura, a pressão no reator e o pH natural da solução aquosa contendo o contaminante. As condições de fotólise com radiação UVC apresentaram degradação em torno de 90% em 90 min de reação, enquanto que com radiação UVA não foi possível identificar degradação. Com a fotocatálise na presença de radiação UVC e ZnO como catalisador, a degradação do herbicida foi de aproximadamente 96%, enquanto que na presença de TiO2 a degradação do poluente foi cerca de 80%. Já na presença da radiação UVA e ZnO a degradação foi de aproximadamente 83%, enquanto que na presença de TiO2 foi de apenas 4%. Desta forma, nas condições estudadas, os melhores resultados de degradação foram obtidos com a radiação UVC e com o semicondutor ZnO. A influência da ozonização no processo catalítico foi evidente, em que todas as condições de ozonização fotocatalítica apresentaram melhores desempenhos em relação à fotocatálise. As melhores condições de degradação mostraram cinética de primeira ordem, seguidas por cinéticas de ordem meio e ordem zero. Fez-se uma comparação também com a cinética de pseudo-primeira ordem, a partir do modelo de Langmuir-Hinshelwood (L-H). Os tempos de meia-vida na degradação também foram analisados, em que os melhores resultados mostraram tempos de meia-vida próximos a 16 min

ABSTRACT: Atrazine is a very using herbicide in many Brazilian crops, like sugar cane, corn, soy and sorghum. This herbicide has triggered environmental issues due to pollution of soils, surface water and groundwater. Advanced Oxidative Processes (AOPs) have been shown as an alternative to the degradation of pollutants such as atrazine and it is subject in worldwide research in recent years. Photocatalysis uses semiconductor particles excited by electromagnetic radiation to generate highly oxidizing hydroxyl radicals, responsible for mineralizing organic contaminants by converting them to carbon dioxide, water or less polluting compounds. The commercial semiconductors titanium dioxide (TiO2) and zinc oxide (ZnO) were used in this work as photocatalysts. The catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), adsorption-desorption measurements of N2 (specific area determination, adsorption isotherms, specific volume and mean pore diameter), scanning electron microscopy (SEM), energy spectroscopy dispersive (EDX), attenuated total reflectance (ATR) and photoacoustic spectroscopy. The reactive tests were carried out in a photocatalytic ozonation reactor, where it was possible to perform isolated or combined experiments of adsorption, photolysis, photocatalysis, ozonation, photolytic ozonation and photocatalytic ozonation. The tests were performed with a solution of 3.00 L of atrazine-containing pollutant and varying the concentration of the catalysts at 0.00, 0.10, 0.50, 0.75 and 1.00 g/L, using the ozone flow rate of 2 L/min. During all the experiments, the temperature, the pressure in the reactor and the natural pH of the aqueous contaminant solution were kept constant. The conditions of photolysis with UVC radiation showed degradation around 90% in 90 min of reaction, whereas with UVA radiation it was not possible to identify degradation. In the photocatalysis with UVC radiation and ZnO as the catalyst, the herbicide degradation was near 96%, while in the presence of TiO2 the degradation was around 80%. Using UVA and ZnO the degradation was around 83%, while in the presence of TiO2 was only 4%. This way, in the studied conditions, the best degradation results were obtained with UVC radiation and ZnO as the semiconductor. In the photocatalytic ozonation, the best conditions were also using UVC and ZnO, reaching 98% degradation in the reaction time of 90 min. The influence of ozonation in the catalytic process was evident, in which all the conditions of photocatalytic ozonation presented better performances in relation to photocatalysis. The best degradation conditions showed first order kinetics, followed by kinetics of medium order and zero order. A comparison was also made with the kinetics of pseudo first order, from the Langmuir-Hinshelwood (L-H) model. The half-life times in the degradation were also analyzed, where the best results showed half-life times close to 16 min