Photocatalytic processes optimization using supported TiO2 to oxidize pollutants in liquid effluents

Abstract

A grande variedade de produtos farmacêuticos disponíveis para consumo humano e veterinário é considerada um avanço na saúde, mas a sua excreção para a água deve merecer uma especial atenção. Estes compostos têm um impacto negativo no ambiente, uma vez que as estações de tratamento de águas residuais (ETAR) não são eficientes para a remoção de tais componentes devido ao carácter refratário, sendo necessário utilizar uma tecnologia adequada. Neste sentido, os processos avançados de oxidação, tais como a oxidação fotocatalítica, surgem como uma alternativa aos métodos tradicionais.O principal objetivo deste estudo é promover a degradação do sulfamethoxazole (SMX) usando TiO2 suportado num material cerâmico, LECA, como fotocatalisador. Esta escolha vem da dificuldade em recuperar o TiO2 como pó, devido ao tamanho das nanopartículas, embora seja relevante manter a eficiência quando o suporte é utilizado. Foram utilizadas duas configurações diferentes de reatores, um slurry e um reator de leito fixo. Foram avaliados vários parâmetros, tais como a quantidade de fotocatalisador ou a mistura na solução, a fim de compreender quais as melhores condições para a degradação do SMX. O primeiro passo foi produzir o fotocatalisador suportado em LECA, onde foram utilizadas duas concentrações de suspensão de TiO2, 3,6% (m/m) e 5% (m/m), impregnadas em LECA. O impacto da quantidade de fotocatalisador revela que o aumento da dose melhora a degradação SMX, atingindo cerca de 53,5% quando se utiliza uma radiação UV-A e uma bomba de ar para a quantidade maior de fotocatalisador. Após a seleção da melhor dosagem, foi estudado o efeito do layout do reator. Dois tipos diferentes de contacto, uma bomba de ar e um agitador magnético foram testados para o reator slurry. O agitador magnético teve os melhores resultados em termos de degradação SMX, mas teve uma maior libertação de nanopartículas de TiO2 para a solução líquida. Portanto, a bomba de ar é considerada a melhor opção para promover a mistura do meio reacional. O tipo de radiação, solar e radiação UV-A, foi comparado para ambas as configurações de reatores. Durante 120 min de reação, o reator slurry atingiu cerca de 92% de degradação SMX (5% (p/p) de fotocatalisador), e o reator de leito fixo, durante o mesmo tempo e a quantidade de fotocatalisador atingiu 69% de degradação. Após estes efeitos, foi também testado o modo de distribuição do fotocatalisador para o reator de leito fixo. Os resultados foram considerados semelhantes, cerca de 75% a 80% da remoção. Finalmente, o caudal de recirculação foi comparado para o reator de leito fixo, eliminando 91,5% SMX quando o fluxo foi mais baixo (0,006 L min-1) para o mesmo tempo total de reação. A perda de TiO2 durante a reação do leito fixo foi semelhante entre si, que foi de cerca de 20%. Quando a reutilização do fotocatalisador foi testada para o reator de leito fixo após três ciclos e a eficiência diminuiu 6% no final do terceiro ciclo.Em resumo, a configuração dos dois reatores tem vantagens e desvantagens, mas em termos de taxas de degradação SMX, o reactor slurry para as condições testadas teve os melhores resultados.

The great variety of pharmaceuticals available for human and veterinary consumption is considered a health advance, but their expelling into water bodies is a matter of concern. These compounds impact negatively the environment, since the wastewater treatment plants (WWTP) are not efficient for the removal of such components due to the refractory character, and it is necessary to use a suitable technology. In this sense, advanced oxidation processes such as photocatalytic oxidation appear as a suitable alternative.The main objective of this thesis is to promote sulfamethoxazole (SMX) degradation using TiO2 supported in a ceramic material called LECA as a photocatalyst. This choice comes from the difficulty of recovering TiO2 as a powder due to the nanoparticle size, although it is relevant to retain the efficiency when the support is used. Two different reactor configurations were used, a slurry reactor and a fixed bed reactor. Several parameters were tested, such as the amount of photocatalyst, and mixing conditions of the solution, to understand which were the best results for the SMX degradation. The first step was to produce the photocatalyst supported in LECA, where were used two concentrations of TiO2 suspension, 3.6% (w/w) and 5% (w/w), impregnated in LECA, The impact of photocatalyst amount reveals that the increase in the dosage improves the SMX degradation reaching about 53.5% when using UV-A radiation and an air pump for the higher amount of photocatalyst . After selecting the best dosage, the effect of the reactor layout was studied. Two different contact types, an air pump, and a magnetic stirrer were tested for the slurry reactor. The magnetic stirrer had the best results in terms of SMX degradation but had higher loss of TiO2 nanoparticles for the liquid solution. Therefore, the air pump is considered a better option to promote the mixing of the reactional medium. The radiation type, solar and UV-A radiation, was compared for both reactor configurations. For 120 min of reaction time, the slurry reactor reached about 92% of SMX degradation (5% (w/w) of photocatalyst), and the fixed bed reactor, for the same time and the photocatalyst amount reached 69% of degradation. Following these effects, it was also tested the photocatalyst distribution mode for the fixed bed reactor. The results were considered similar, around 75% to 80% of removal. Lastly, the recirculation rate was compared for the fixed bed reactor, leading to 91.5% of SMX elimination when the lower flowrate (0.006 L min-1) was used for the same total reaction time. The TiO2 loss during the fixed bed tests was similar to each other, which was around 20%. When the reuse of the photocatalyst was tested for the fixed bed reactor after three cycles, the efficiency decreased by 6% at the end of the third cycle.In summary, the two-reactor configuration has advantages and disadvantages, but in terms of SMX degradation rates, the slurry reactor for the conditions tested had the best results.