Publicação: Uso do Basalto como catalisador heterogêneo natural na degradação da Atrazina por Foto-Fenton
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::TRATAMENTOS E APROVEITAMENTO DE REJEITOS
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Resumo
O uso de catalisadores heterogêneos de fonte natural tem sido recentemente abordado
como alternativa aos processos Fenton e foto-Fenton tradicionais, devido ao potencial de
reuso, baixo custo e sustentabilidade. Uma vez que o Brasil é um país com alto potencial
geológico, o qual possui um diversificado patrimônio em rochas ricas em minerais como o
basalto, neste presente estudo, foi avaliada a aplicabilidade do pó deste tipo de rocha como
um novo catalisador natural no processo foto-Fenton sob diferentes fontes de irradiação (UV C e visível) para degradação do herbicida atrazina (ATZ) em matriz aquosa. A caracterização
do basalto foi realizada pelas técnicas de fluorescência de raios X (FRX), microscopia
eletrônica de varredura acoplada a espectroscopia de energia dispersiva (MEV-EDS), difração
de raios X (DRX), espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier com reflexão
total atenuada (FTIR-ATR). As isotermas de adsorção-dessorção de nitrogênio e a área
superficial específica foram determinadas a partir da forma linear da equação de Brunauer–
Emmett–Teller (BET), e o volume total e o tamanho médio dos poros pelo método de Barrett Joyner-Halenda (BJH), além do potencial zeta. As amostras de basalto apresentaram uma
estrutura disforme e pouco porosa com teor de 13,5% (m/m) de Fe2O3 altamente disperso na
superfície das partículas de carga superficial negativa. Um estudo de foto-oxidação foi
realizado, aplicando os processos de fotólise, fotocatálise, fotoperoxidação e foto-Fenton sob
UV-C e visível, em que foi possível avaliar os mecanismos e reações que contribuem para o
processo foto-Fenton heterogêneo com basalto. Os efeitos dos parâmetros operacionais, como
pH (2–7), dosagem de catalisador (0,25–1,00 g L−1) e concentração de H2O2 (0,8–6,4 mM)
foram otimizados. Técnicas de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) e varredura
espectral em espectrofotômetro ultravioleta-visível (UV-vis) foram usadas para identificar a
ATZ e seus metabólitos deetilatrazina (DEA), deisopropilatrazina (DIA) e hidroxiatrazina
(HA). O material após tratamento térmico à temperatura de 600 °C apresentou eficiência
catalítica, atingindo 96% e 56% de remoção de atrazina em 180 min nos processos foto Fenton heterogêneos sob irradiação de luz UV-C e visível, respectivamente, nas seguintes
condições operacionais: dosagem de catalisador de 0,50 g L-1
(UV-C) e 0,75 g L− 1 (vis),
concentração inicial de H2O2 de 1,6 mM e pH em 6. Foi proposto que o mecanismo de
adsorção do pesticida na superfície do catalisador desencadeou ação do basalto como
catalisador foto-Fenton e que desalquilação foi a principal via de degradação da atrazina.
Após os tratamentos os efluentes apresentaram menor toxicidade aguda (fitotoxicidade e
atividade antibacteriana) do que a solução de atrazina inicial de 5 mg L-1
. Em condições
ótimas, a inibição da eficiência de remoção de ATZ foi avaliada diante da adição de
isopropanol e clorofórmio como capturadores de radicais, enfatizando o papel significativo
dos radicais hidroxila sobre o superóxido na oxidação de ATZ por processo do tipo foto Fenton. O catalisador sinterizado apresentou alta estabilidade e eficácia no processo foto Fenton sob UV-C após três ciclos sucessivos de reutilização, com remoção maior que 91%,
sendo possível ajustar sua cinética de remoção ao modelo de primeira ordem, com k igual a
0,0169 min-1
. A remoção de atrazina por foto-Fenton sob irradiação solar também foi
avaliada, como alternativa as fontes artificiais, atingindo 31,4% de remoção em
aproximadamente 60 min. O comportamento cinético foi semelhante ao processo sob
irradiação de luz visível. Além disso, o potencial do oxidante persulfato também foi avaliado,
promovendo as remoções de 91%, 62% e 76% de ATZ após 180 min, nos processos do tipo
foto-Fenton sob UV-C, vis e solar, respectivamente. Os resultados mostraram que o pó de
basalto pode ser utilizado com sucesso como um catalisador natural no processo foto-Fenton
heterogêneo para degradação do herbicida atrazina.
Abstract
The use of heterogeneous catalysts from natural sources has recently been
approached as an alternative to traditional Fenton and photo-Fenton processes, due to the
potential for reuse, low cost and sustainability. In view of Brazil is a country with high
geological potential, which it has a diversified wealth in rocks rich in minerals such as basalt,
in this present study, for the first time, the applicability of basalt powder as a new natural
catalyst was evaluated in the photo-Fenton process under different sources of irradiation
(UV-C and visible) to remove the herbicide atrazine (ATZ) in aqueous matrix. Basalt was
characterized by X-ray fluorescence (XRF), scanning electron microscopy coupled with
energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS), X-ray diffraction (XRD) and infrared
spectroscopy by Fourier transform with attenuated total reflection (IR/FR-ATR). Adsorption desorption isotherms and specific surface area were determined from the linear Brunauer–
Emmett–Teller (BET) release form, and the total volume and average pore size by the
Barrett-Joyner-Halenda method. (BJH), beyond the zeta potential. The basalt samples
showed a heterogeneous structure and low porosity with a content of 13.5% (m/m) of Fe2O3
highly dispersed on the surface of the particles. A photo-oxidation study was carried out,
applying the processes of photolysis, photocatalysis, photo-peroxidation, and photo-Fenton
under UV-C and visible light. It was possible to evaluate the mechanisms and reactions that
contribute to the photo-Fenton heterogeneous process with basalt as the catalyst. The effects
of operating parameters such as pH (2–7), catalyst dosage (0.25–1.00 g L−1), and H2O2
concentration (0.8–6.4 mM) were optimized. High performance liquid chromatography
(HPLC) and UV-vis spectral scanning techniques were used to identify ATZ and its
metabolites of desethylatrazine (DEA), deisopropylatrazine (DIA) and hydroxyatrazine (HA).
The material after thermal treatment at 600 °C showed excellent catalytic efficiency,
removing 96.0% and 56% of atrazine in 180 min in heterogeneous photo-Fenton processes
under UV-C and visible irradiation, respectively, following operating conditions: catalyst
dosage of 0.50 g L-1
(UV-C) and 0.75 g L-1
(vis), initial concentration of H2O2 of 1.6 mM and
pH at 6. It was proposed that the adsorption mechanism on the catalyst surface started the
action of basalt as a photo-Fenton catalyst and dealkylation was the main pathway of
atrazine degradation. After treatments, the effluents showed lower acute toxicity
(phytotoxicity and antibacterial activity) than the initial atrazine solution at 5 mg L-1
. Under
optimal conditions, the inhibition of ATZ removal efficiency was evaluated with the addition
of isopropanol and chloroform as radical scavengers, emphasizing the significant role of
hydroxyl radicals on superoxide in ATZ oxidation by photo-Fenton type process. The sintered
catalyst has high stability and efficiency in the photo-Fenton process under UV-C after three
successive cycles of reuse, with removal greater than 91%, and it was possible to adjust its
removal kinetics to the first-order model, with k equal to 0.0169 min-1
. Atrazine removal by
photo-Fenton solar was also evaluated reaching 31.4% of ATZ in approximately 60 min. The
kinetic behavior was like the process under visible light irradiation. In addition, the
persulfate oxidant potential was also evaluated, promoting removals of 91%, 62% and 76%
of ATZ, in photo-Fenton processes under UV-C, vis and solar, respectively. The results
showed that basalt powder can be successfully used as a natural catalyst in the heterogeneous
photo-Fenton process for the degradation of the herbicide atrazine.
Palavras-chave
Herbicida, Pesticide, Processo oxidativo avançado, Advanced oxidative process, Via de degradação, Degradation pathway, Toxicidade, Toxicity
Citação
ROCHA, Amanda Carmelo da. Uso do basalto como catalisador heterogêneo natural na
degradação da Atrazina por Foto-Fenton. 2023. 119 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.290.
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