Publicação: Degradação fotocatalítica de azul de metileno utilizando pentóxido de nióbio em suspensão e em reator de membranas do tipo fibra oca
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Resumo
O pentóxido de nióbio (Nb2O5) é um dos semicondutores mais promissores a ser utilizado
em fotocatálise devido a sua estabilidade química e física, versatilidade, baixo potencial de
toxicidade e atividade fotocatalítica. Um dos principais fatores limitantes nos processos de
fotocatálise heterogênea na forma livre reside na dificuldade de recuperação do catalisador.
A utilização de membranas com catalisadores imobilizados em sua estrutura vem se
mostrando como uma alternativa para superar as limitações da recuperação do material.
Membranas com geometria do tipo fibra oca apresentam maior área por volume de
membrana, o que garante uma maior eficiência quando comparadas às membranas planas.
Neste trabalho o Nb2O5 foi proposto como catalisador em processos de fotodegradação do
corante azul de metileno utilizando luz ultravioleta C (UVC) como fonte de incidência
luminosa. Os ensaios fotocatalíticos foram investigados utilizando o Nb2O5 nas fases amorfa
e monoclínica, tanto na forma livre em solução quanto imobilizado em membranas com
morfologia do tipo fibra oca. Um processo de moagem por via úmida foi realizado de forma
a reduzir o diâmetro médio de partícula dos pós para que membranas com geometria do tipo
fibra oca pudessem ser formadas. As membranas foram produzidas pelo processo de
extrusão utilizando vazões de 10 e 15 mL min-1 para a suspensão cerâmica e o líquido
coagulante interno, respectivamente. O uso de solvente como coagulante interno produziu
membranas porosas com vastas regiões de microcanais. Para os testes fotocatalíticos dos pós
em fase livre o azul de metileno foi degradado totalmente após 120 min a partir de 1 g de
Nb2O5 amorfo a uma concentração inicial de 10 mg L-1 de corante em pH 5. A maior
porcentagem de degradação para o pó na fase monoclínica (60,1%) foi obtida para 1 g de
catalisador em 10 mg L-1 de corante após 240 min. Os resultados evidenciaram a influência
da estrutura cristalina do material na taxa de degradação do azul de metileno. Nos ensaios
utilizando as membranas produzidas com Nb2O5 monoclínico houve 100% de degradação
do corante após 210 min de experimento para uma concentração de azul de metileno de 10
mg L-1 em pH 11 quando 7 membranas recobertas com óxido de grafeno foram utilizadas.
As membranas produzidas com o pó Nb2O5 amorfo apresentaram maior degradação do azul
de metileno (92% após 240 min) quando 15 membranas cobertas com óxido de grafeno
foram utilizadas para uma concentração de 10 mg L-1 de corante em pH 11. O modelo de
pseudo-primeira ordem foi proposto para descrever os mecanismos de degradação
analisados, apresentando valores para o coeficiente de determinação próximos da unidade.
As membranas foram submetidas a ensaios de reuso por 4 ciclos sob as mesmas condições
experimentais e sem nenhum tratamento entre um ciclo e outro. Os valores obtidos
mostraram que houve uma redução na porcentagem de degradação do corante de cerca de
10% para ambas as membranas comparando-se os resultados obtidos ao fim do primeiro e
do quarto reuso. Os resultados observados evidenciam a potencial aplicação das membranas
produzidas em sistemas que demandam várias etapas de fotodegradação.
Abstract
Niobium pentoxide (Nb2O5) is one of the most promising semiconductors to be used in
photocatalysis due to its chemical and physical stability, versatility, non-toxicity and
photocatalytic activity. One of the main limiting factors in heterogeneous photocatalysis
processes in suspension lies on the difficulty of recovering the catalyst. The use of
membranes with catalysts immobilized in their structure has been shown to be an alternative
to overcome the limitations of material recovery. Membranes with hollow fiber geometry
have a larger area per membrane volume, which guarantees greater efficiency when
compared to flat membranes. In this study, Nb2O5 was proposed as a catalyst in
photodegradation processes of methylene blue dye using UVC light as a light source. The
photocatalytic assays were investigated using Nb2O5 in the amorphous and monoclinic
phases, in suspension solution and immobilized in membranes with hollow fiber
morphology. A wet ball milling process was carried out in order to reduce the average
particle diameter of the powders so membranes with hollow fiber geometry could be formed.
The membranes were produced by the extrusion process using flow rates of 10 and 15 mL
min-1 for the ceramic suspension and the internal coagulant liquid, respectively. The use of
solvent as an internal coagulant produced porous membranes with regions of microchannels.
For the photocatalytic tests using the powders in suspension, methylene blue was completely
degraded after 120 min using 1 g of amorphous Nb2O5 at an initial concentration of 10 mg
L-1 of dye at pH 5. The highest percentage of degradation for the powder in the monoclinic
phase (60.1%) was acquired using 1 g of catalyst in 10 mg L-1 of dye after 240 min. The
results showed the influence of the material's crystalline structure on the methylene blue
degradation rate. In analyses using membranes produced by monoclinic Nb2O5 there was
100% dye degradation after 210 min of experiment for methylene blue concentration of 10
mg L-1 at pH 11 when 7 membranes coated with graphene oxide were used. The membranes
produced with the amorphous Nb2O5 powder showed greater degradation of methylene blue
(92% after 240 min) when 15 membranes coated with graphene oxide were used for a
concentration of 10 mg L-1 of dye at pH 11. The pseudo-first order model was proposed to
describe the degradation processes, showing values for the coefficient of determination close
to unity. The membranes were submitted to reuse tests for 4 cycles using the same
experimental conditions and without any treatment between each cycle. The values obtained
showed that there was a reduction in the percentage of dye degradation of about 10% for
both membranes, comparing the results obtained at the end of the first and fourth reuse. The
observed results evidence the potential application of the produced membranes in systems
that need several steps of photodegradation.
Palavras-chave
pentóxido de nióbio, niobium pentoxide, fotocatálise heterogênea, óxido de grafeno, azul de metileno, membranas com morfologia do tipo fibra oca, heterogeneous photocatalysis, graphene oxide, methylene blue, hollow fiber membranes
Citação
FERREIRA, Eduardo de Paulo. Degradação fotocatalítica de azul de metileno utilizando pentóxido de nióbio em suspensão e em reator de membranas do tipo fibra oca. 2022. 110 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.453.