Projeto Feup
2013/2014
Tratamento de efluentes por ozonização com radiação UV
Equipa:
Catarina Santos
Catarina Espregueira
Filipe Francisco
Helena Bernardo
João Costa
Rita Duarte
Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente Ano letivo: 2013/2014
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Agradecimentos
Concluída a elaboração do trabalho, o grupo e, nomeadamente, cada um dos seus
membros não puderam deixar de prestar um profundo agradecimento, em primeiro lugar, ao
coordenador da disciplina de Projeto FEUP do curso de Mestrado Integrado em Engenharia do
Ambiente, o Professor Doutor José Joaquim de Melo Órfão.
Dirigimos também o nosso profundo agradecimento à Engenheira Liliana Santos e à
Doutora Carla Orge que nos dias da realização da atividade laboratorial se disponibilizaram para
nos esclarecer acerca de todo o procedimento experimental bem como os fundamentos teóricos
associados a este. Também nos compete deixar uma palavra de gratidão à Doutora Carla Orge,
cuja tese sobre o “Desenvolvimento de novos materiais de carbono mesoporosos para a
ozonização de poluentes orgânicos” foi a base de algumas das informações que incluímos no
nosso trabalho.
Por fim, a nossa gratificação é especialmente dirigida às monitoras Sofia Lourenço e
Ana Silva pela paciência, disponibilidade e dedicação que sempre tiveram no decorrer de toda a
elaboração deste projecto, com merecido destaque para a monitora Ana Silva que foi a
responsável pela orientação do nosso grupo de trabalho.
Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente Ano letivo: 2013/2014
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Sumário
Há um objectivo principal na realização desta actividade experimental bem como deste
trabalho: perceber se o tratamento de efluentes por ozonização com radiação ultravioleta é
eficaz, relativamente ao processo de ozonização sem este tipo de radiação. Fez-se a observação
laboratorial da ozonização de soluções aquosas (neste caso de um corante), recolha (após
medição num espectrofotómetro), tratamento de dados e discussão dos resultados obtidos que
permitiram que se tirassem conclusões acerca do efeito da aplicação da radiação UV em várias
amostras da solução ozonizada, através das medições duplas da absorvância relativa a cada
amostra de diferente concentração de soluto, e através da medição do TOC - carbono orgânico
total.
Os efluentes provêm das ações antropogénicas, dos meios domésticos, industriais,
agrícolas, pluviais urbanos e dos lixiviados provenientes de depósitos de resíduos sólidos, como
aterros e lixeiras. Ora, o aumento da população mundial e da industrialização, trouxe uma
intensificação da produção de efluentes e do número das suas descargas diretamente no meio
ambiente que trouxeram consigo consequências adversas a nível ambiental, de saúde
pública e da biodiversidade das espécies. Ao aperceber-se do risco associado à poluição que se
gerava continuamente, o ser humano teve necessidade de estabelecer limites na emissão de
efluentes para a Natureza , encontrando soluções que minimizassem os seus efeitos nefastos.
No tratamento dos efluentes, são aplicadas várias técnicas do tratamento, através de processos
físicos, químicos e biológicos. Recentemente, desenvolveu-se o processo de ozonização que tem
por base, como o próprio nome indica, a utilização do ozono para diminuir a poluição que um
efluente pode causar, isto porque o ozono tem um elevado poder oxidante devido às suas
características moleculares, não deixando resíduos indesejáveis. Este processo é aplicado na
descontaminação de águas residuais (a eficácia deste processo chega mesmo a também
possibilitar, por vezes, o reaproveitamento das águas no processo industrial) e até de águas para
consumo.
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Índice
Índice de figuras ............................................................................................................................ 4
Introdução ..................................................................................................................................... 6
Efluentes .................................................................................................................................... 6
Resultados ................................................................................................................................... 11
Conclusão .................................................................................................................................... 15
Referências bibliográficas ........................................................................................................... 16
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Índice de figuras
Figura 1 - Exemplo de um efluente doméstico, os esgotos. .......................................................... 6
Figura 2 - Esquema dos tipos de técnicas utilizadas no tratamento de efluentes .......................... 7
Figura 3- Reator com papel de alumínio, antes do início da reacção de ozonização .................... 8
Figura 4 - Reator forrado a papel de alumínio, depois do início da reacção de ozonização ......... 9
Figura 5 - Retiragem de uma amostra de 6mL do reator ............................................................... 9
Figura 6 - Medição do pH da solução padrão após o final da experiência .................................. 10
Figura 7 - Amostras da solução padrão retiradas do reator após 0, 2, 5, 10, 15, 30, 60, 90 e 120
minutos do início da reação de ozonização. ................................................................................ 11
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Índice de tabelas
Tabela 1 – Absorvância observada ao longo do tempo em amostras submetidas ao processo de
ozonização com radiação UV ...................................................................................................... 11
Tabela 2– Absorvância observada ao longo do tempo em amostras submetidas ao processo de
ozonização sem radiação UV ...................................................................................................... 12
Tabela 3– Carbono orgânico total (TOC) observado ao longo do tempo em amostras submetidas
ao processo de ozonização sem radiação UV .............................................................................. 13
Tabela 4– Carbono orgânico total (TOC) observado ao longo do tempo em amostras submetidas
ao processo de ozonização sem radiação UV .............................................................................. 14
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Introdução
A realização desta atividade experimental, no âmbito da disciplina de Projeto FEUP, tem
por objetivo a observação laboratorial da ozonização de soluções aquosas (neste caso uma
soluçãodo corante cibacron Blue Br), recolha e tratamento de dados e discussão dos resultados
obtidos. Através da medição num aparelho apropriado – espectrofotómetro - e da recolha dos
dados medidos, pretende-se tirar conclusões acerca do efeito da aplicação da radiação UV em
várias amostras da solução ozonizada, através das medições duplas da absorvância relativa a
cada amostra de diferente concentração de soluto, e através da medição do TOC - carbono
orgânico total - dando assim resposta à pergunta que consiste em perceber se o tratamento de
efluentes por ozonização com radiação ultravioleta é eficaz, relativamente ao processo de
ozonização sem radiação ultravioleta.
Efluentes
Os efluentes podem ser encarados como “lixo” sob a forma líquida ou gasosa. Estes
resultam das ações antropogénicas e são provenientes dos meios domésticos, industriais,
agrícolas, pluviais urbanos e dos lixiviados provenientes de depósitos de resíduos sólidos, como
aterros e lixeiras.(Fig.1)
Figura 1 - Exemplo de um efluente doméstico, os esgotos.
Dado o aumento da população mundial e da industrialização, houve uma intensificação da
produção de efluentes e, consequentemente um aumento do número de descargas destes
diretamente no meio ambiente. Estas descargas causam consequências adversas tanto a nível
ambiental e de saúde pública como também a nível da biodiversidade das espécies. A poluição
das linhas de água superficiais, do ar, dos solos, das reservas freáticas profundas, a formação de
chuvas ácidas, o aumento do aquecimento global e do buraco da camada do ozono, são apenas
alguns exemplos dos problemas causados. Face a todas estas adversidades o ser humano
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apercebeu-se que colocaria a sua vida em risco se continuasse a proceder de igual forma. Assim,
foi necessário establecer limites na emissão de efluentes para a Natureza e foi também
necessário encontrar soluções que minimizassem os seus efeitos nefastos. Começaram então a
surgir como opções métodos que que têm por objetivo reduzir o carater tóxico e perigoso dos
efluentes de forma a, depois de tratados, estes serem enviados para a Natureza, sem a danificar.
São aplicadas várias técnicas do tratamento de efluentes, através de processos fícicos, químicos
e biológicos.(fig. 2)
Figura 2 - Esquema dos tipos de técnicas utilizadas no tratamento de efluentes
Recentemente, foi desenvolvido o processo de ozonização. Este consiste na utilização
de ozono para diminuir o efeito poluidor de um dado efluente. Dadas as suas características
moleculares, o ozono tem um elevado poder oxidante, pois é quimicamente instável,
decompondo-se com facilidade em oxigénio, não deixando resíduos indesejáveis. Este gás é
utilizado na descontaminação de águas e residuais e até de águas para consumo, pois é
facilmente solúvel em água e que aumenta a biodegradibilidade dos efluentes e, os produtos
formados não possuem carácter tóxico para o ambiente. (Carla Orge Fonseca, 2008)
O ozono é também eficaz na remoção de sulfuretos, que deixam na atmosfera um odor
desagradável e na precipitação de metais pesados. A eficácia deste processo é de tal ordem que
chega mesmo a possibilitar, por vezes, o reaproveitamento das águas no processo industrial.
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Procedimento experimental
A atividade experimental realizada tratou então o tratamento de efluentes por ozonização
com radiação ultra violeta.
Na primeira aula laboratorial, procedeu-se à diluição de uma solução-mãe corada
(100mg/l ), preparando se quatro outras soluções, com concentrações de 10, 20, 50 e 75mg/L.
Na segunda aula, inicialmente fez-se passar o oxigénio pelo gerador de ozono para a
produção deste gás. Seguidamente, retirou-se uma amostra da solução mãe, que deu origem às
outas quatro soluções diluídas e a qual não sofreu qualquer diluição, e mediu-se o seu pH, sendo
este de 5,57.
Após a medição pH, mediu-se 250mL de solução padrão e colocou-se no reator, onde se
encontrava uma barra magnética que se movia a uma velocidade de 400 rotações por minuto e
cuja função era manter a solução em agitação constante. Entretanto, procedeu-se à rotulação de
frascos de pequenas dimensões com o tempo em minutos em que as amostras iriam ser
retiradas.
Após a solução padrão se encontrar no interior do reator, colocou-se o difusor, onde
ocorria a entrada do ozono vindo do gerador para o reator, ainda com a válvula fechada.
Colocou-se também outro tubo por onde saía o ozono excedente, que passava por frascos
lavadores. Estes transformam o ozono novamente em oxigénio, e encaminham o gás para
chaminés a fim de o libertarem para a atmosfera. A utilização destes frascos lavadores é de
extrema importância porque permite que o ozono não seja libertado para a atmosfera o que
traria consequências adversas para a qualidade do ar e para o meio
ambiente.
Antes de ligar a lâmpada de raios ultra violeta, cobrimos
toda a superfície do reator, incluindo as suas entradas e saídas, com
papel de alumínio (Fig.3) de forma a minimizar o contacto visual
com este tipo de luz, pois esta pode trazer consequências
fisiológicas nefastas para a retina do olho e, concomitantemente,
para a visão. Assim, após este procedimento, ligou-se a lâmpada,
abriu-se a válvula, permitindo o ozono chegar até ao reator, e
iniciou-se a experiência.(Fig.4)
Figura 3- Reator com papel de
alumínio, antes do início da
reacção de ozonização
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A abertura da válvula fez com que houvesse uma quebra de pressão no gerador de ozono sendo,
por isso, necessário proceder a um acerto de pressão para o valor inicial de 0,5ppm.
Figura 4 -Reator forrado a papel de alumínio, depois do início da reacção de ozonização
No interior do reator, o ozono reagiu com o corante (molécula orgânica). O ozono vai
quebrar cada molécula de corante em duas, que podem ser mais perigosas do que a inicial.
Ocorre também uma oxidação avançada onde se formam radicais livres de hidroxilo que vão
quebrar as restantes moléculas até que estas se mineralizem.
Após 2 minutos do início da experiência, retirou-se uma amostra de 6mL do reator,
(Fig.5) através de uma seringa com o mesmo volume, e colocou-se no recipiente rotulado com
os respectivos instantes da recolha. Repetiu-se este procedimento para os tempos 5, 10, 15, 30,
60, 90 e 120 minutos. Foi necessário cuidado ao retirar todas as amostras do reator para evitar
inalar ozono.
Figura 5 - Retiragem de uma amostra de 6mL do reator
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Paralelamente, mediu-se a absorvância de cada uma das soluções diluídas e da solução-
mãe no espectrofotómetro. Para proceder a esta medição utilizou-se uma cuvete. Após a sua
lavagem com água destilada, encheu-se com a solução padrão, e depois de bem secas as paredes
da cuvete, colocou-se no interior do espectrofotómetro. Após o registo da absorvância da
solução padrão, retirou-se a cuvete do interior do aparelho, voltou-se a lavar com água destilada,
a encher-se com a solução mãe, a secar-se as paredes da cuvete e a medir-se a absorvância da
solução. A repetição desta medição é importante para evitar erros. No final faz-se a média dos
dois valores dados e têm-se um valor mais fiável da absorvância de uma dada solução. Repetiu-
se este processo para as quatro restantes soluções diluídas.
Por vezes foi necessário repetir mais de duas vezes a medição da absorvância de uma
solução, pois os dois primeiros valores registados diferiram bastante um em relação ao outro.
Assim, ao fazer uma terceira ou até uma quarta medição, são escolhidos os dois valores mais
aproximados, os quais ao fazer a sua média darão a absorvância da solução.
No espectrofotómetro, utilizou-se um comprimento de onda de 597nm, dado que é o
valor ótimo para que ocorra o máximo de absorvância. O zero da absorvância é correspondente
à água destilada.
À medida que se retiravam as amostras do reator, mediu-se também a sua absorvância,
repetindo o processo utilizado nas soluções diluídas e na solução mãe.
Após os 120 minutos de experiência, mediu-se o pH da solução padrão que se
encontrava no reator, sendo o seu valor de 3,1. (Fig. 6)
Figura 6 - Medição do pH da solução padrão após o final da experiência
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Resultados
Ao retirar as amostras do reator verificou-se, que ao longo do tempo, a cor azulada da
solução padrão foi desaparecendo. (Fig.7) Esta gradação de cores verifica-se mais
acentuadamente, comparando as duas primeiras amostras retiradas do reator, uma após dois e
outra após cinco minutos do início da reação de ozonização, com a solução mãe. Verificou-se
então que à medida que a solução mãe ia sofrendo o processo de ozonização, no interior do
reator, esta ia perdendo a sua cor azulada.
Figura 7 - Amostras da solução padrão retiradas do reator após 0, 2, 5, 10, 15, 30, 60, 90 e 120
minutos do início da reação de ozonização.
Depois de ter todas as medições da absorvância das amostras de solução padrão, sujeitas
ao processo de ozonização com raios UV, construiu-se a Tabela 1. A Tabela 2, trata-se das
medições da absorvância das amostras de solução padrão, sujeitas ao processo de ozonização
sem raios UV, elaborada pelas monitoras.
Tabela 1 – Absorvância observada ao longo do tempo em amostras submetidas ao processo de
ozonização com radiação UV
t(min) Abs(média) C(ppm) C/C0
0 0,7275 100,08 1,00
2 0,3246 44,66 0,45
5 0,0815 11,20 0,11
10 0,0064 0,88 0,01
15 0,0025 0,34 0
30 0,0017 0,23 0
60 0 0 0
90 0 0 0
120 0 0 0
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Tabela 2– Absorvância observada ao longo do tempo em amostras submetidas ao processo de
ozonização sem radiação UV
t(min) Abs(média) C(ppm) C/C0
0 0,7278 101,83 1,00
2 0,6147 86,09 0,85
5 0,5023 70,45 0,69
10 0,3121 43,98 0,43
15 0,1516 21,64 0,21
30 0,0383 5,87 0,06
60 0,0023 0,87 0,01
90 0,0015 0,75 0,01
120 0,0022 0,85 0,01
Nas Tabelas 1 e 2, temos os valores da absorvância das amostras retiradas do reator em
diferentes instantes. O conceito de absorvância consiste na quantidade de luz que é absorvida
por uma amostra. Este processo é baseado na propriedade dos diferentes compostos de absorver
radiações, medindo assim, a concentração do corante existente numa determinada amostra. Esta
concentração é directamente proporcional à quantidade de radiação absorvida. Em suma,
podemos concluir quanto maior for a radiação absorvida maior é a quantidade de corante
presente na solução.
Em ambas as tabelas podemos verificar que a absorvância média inicial da solução
padrão é muito semelhante. Ao longo da tabela, observamos que a absorvância da solução que
foi submetida ao processo de ozonização com radiação ultravioleta diminui mais rapidamente
do que a solução que não foi submetida a esta radiação. Por exemplo, a primeira, após dez
minutos têm uma absorvância de 0,0064, enquanto que a segunda tem uma absorvância de
0,3121. Além disso a solução submetida a raios UV atinge o zero de absorvância passado uma
hora de reação, enquanto que a solução não submetida a raios UV, após duas horas de reação
não atinge o zero de absorvância. Assim, para poder observar de forma mais clara esta variação
da absorvância das soluções ao longo do tempo, construiu-se o Gráfico 1, a partir das Ta
dasTabelas 1 e 2.
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Gráfico 1 - Comparação dos valores da absorvância ao longo do tempo das amostras submetidas
ao processo de ozonização com e sem radiação UV
Apesar das diferenças encontradas entre as absorvâncias, ambas tendem para zero.
Observamos que tanto as amostras submetidas ao processo de ozonização com raios UV como
as amostras submetidas ao processo de ozonização sem raios UV, vêem reduzida a quantidade
de corante nelas presente. Isto significa que a aplicação da radiação ultravioleta não tem um
papel fundamental na remoção do corante de soluções.
Mediu-se também o TOC - carbono orgânico total - das soluções ao longo do tempo. O
TOC é a quantidade de carbono orgânico total e com a sua medição, conseguimos perceber se
na solução existem grandes ou pequenas quantidades de compostos orgânicos. Construíram-se
duas tabelas, Tabela 3 e Tabela 4, cada uma delas com uma coluna com a percentagem de
remoção de TOC e outra com a razão entre a quantidade de TOC de uma amostra num dado
instante e o TOC inicial. A Tabela 3, é referente ao processo de ozonização com radiação
ultravioleta e a Tabela 4, é referente ao processo de ozonização sem radiação ultravioleta.
Tabela 3– Carbono orgânico total (TOC) observado ao longo do tempo em amostras submetidas
ao processo de ozonização com radiação UV
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 20 40 60 80 100 120
C/C
0
t(min)
Com UV
Sem UV
t(min) TOC/TOC0 %Remoção de TOC
0 1,000 0
15 0,810 19,000
60 0,469 53,100
120 0,347 65,300
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Tabela 4– Carbono orgânico total (TOC) observado ao longo do tempo em amostras submetidas
ao processo de ozonização sem radiação UV
Nestas duas tabelas, verificamos que existe uma discrepância significativa entre a
percentagem de remoção de TOC entre os dois processos. No reator onde se utilizou raios
ultravioleta, a percentagem de TOC removido, após 120 minutos, foi de 65,3%, enquanto que
no reator onde não foram utilizados raios UV, a percentagem de remoção de TOC foi de 26,4%.
Com os valores da % de remoção de TOC foi elaborada o Gráfico 2, de forma a sintetizar a
informação.
Gráfico 2 - Comparação dos valores da remoção do TOC observados ao longo do tempo em
amostras submetidas ao processo de ozonização com e sem radiação UV
Com a observação do Gráfico 2, podemos concluir que a aplicação de raios ultravioleta
no processo de ozonização de efluentes é uma mais valia, visto que permite que ocorra uma
maior remoção de compostos orgânicos e permite a descoloração de corantes, tornando a
solução menos poluente, reduzindo assim o seu impacte no meio ambiente.
0
20
40
60
80
100
15 60 120% R
em
oçã
o d
e T
OC
Tempo (min)
Com UV
Sem UV
t(min) TOC/TOC0 %Remoção de TOC
0 1 0
15 0,807 19,272
60 0,737 26,254
120 0,736 26,401
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Conclusão
Feita a experiência laboratorial, a recolha dos resultados e a análise dos mesmos, é-nos possível
obter algumas conclusões acerca da situação experimental em causa.
Ao longo do processo experimental, verificámos com acentuada curiosidade que a solução mãe,
com o decorrer processo de ozonização, ia perdendo a sua cor azulada. Não seria arriscado
concluir a priori que a eficácia do processo de ozonização na atenuação dos efeitos nefastos dos
efluentes é extremamente elevada. Contudo, a observação feita a olho nu e isenta de uma análise
detalhada aos picos de absorvância da solução e aos níveis do carbono orgânico total em cada
estádio da recolha da mistura não seria suficiente para concluirmos uma série de informações
importantes a reter.
Sabendo que a absorvância consiste na quantidade de luz que é absorvida por uma
amostra e que concentração de espécies químicas existentes numa determinada amostra é
directamente proporcional à quantidade de radiação absorvida, podemos também inferir que
quanto maior for a radiação absorvida maior é a quantidade de corante presente na solução.
Uma análise sumária dos dados obtidos e registados em ambas as tabelas permite verificar que a
absorvância média inicial da solução padrão é muito semelhante e que ao longo da tabela, a
absorvância da solução que foi submetida ao processo de ozonização com radiação ultravioleta
diminui mais rapidamente do que a solução que não foi submetida à mesma radiação.
Apesar das diferenças encontradas entre as absorvâncias, dado que ambas tendem para
zero foi necessário medir-se também o TOC das soluções ao longo do tempo, que corresponde à
quantidade de carbono orgânico total, medição esta que nos fez perceber se na solução existem
grandes ou pequenas quantidades de compostos orgânicos. Analisando os dados obtidos
verificamos que existe uma diferença significativa entre a percentagem de remoção de TOC
entre os dois processos (no reator onde se utilizaram raios ultravioleta, a percentagem de TOC
removido, após 120 minutos, foi de 65,3%, enquanto que no reator onde não foram utilizados
raios UV, a percentagem de remoção de TOC foi de 26,4%). Isto permite-nos concluir, sem
margem para dúvida, que a aplicação de raios ultravioleta no processo de ozonização de
efluentes é de extrema vantagem, dado que ocorre uma maior eliminação de compostos
orgânicos, tornando os efluentes menos poluentes e atenuando o seu impacto no meio ambiente.
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Referências bibliográficas
Foram consultados os seguintes endereços:
http://www.google.pt/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0CFwQFjAH&url
=http%3A%2F%2Fwww.hvacmercosul.com.br%2Fuploads%2Fartigos%2F2013_01_15_16_17
_13_1_trabalho%2520final%2520%2520oz%25202003%2520congresso%2520ar%2520v3.pdf
&ei=P7tiUpK-
NuWw7Qbb54D4CQ&usg=AFQjCNHsAaAoVsd4qtHcFwJ3bQ6DRcxhzQ&bvm=bv.5493425
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Orge, Carla, 2008. Desenvolvimento de novos materiais de carbono mesoporosos para a
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http://www.ufrgs.br/leo/site_espec/componentes.html, em 25/10/2013