Publicação: Investigação numérica e experimental de sistemas de concentração solar com lentes de Fresnel para desinfecção de água
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::TRATAMENTO DE AGUAS DE ABASTECIMENTO E RESIDUARIAS::TECNICAS AVANCADAS DE TRATAMENTO DE AGUAS, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::AGUA, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::REATORES QUIMICOS
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Orientador
Coorientador
Vieira, Luiz Gustavo Martins
Resumo
O acesso universal à água é um direito fundamental do ser humano e um dos 17 objetivos de
desenvolvimento sustentável da Organização das Nações Unidas. Fatores como pobreza
extrema, isolamento geográfico e mudanças climáticas são os principais desafios para garantir
o acesso à água de forma segura para uma parcela considerável da população global,
principalmente em comunidades rurais de países subdesenvolvidos e em desenvolvimento.
Entre as tecnologias existentes para tratamento de água para regiões remotas, destaca-se a
desinfecção solar da água (SODIS) que pode ser intensificada com a utilização de
concentradores solares que aumentam a intensidade de raios solares, reduzem o tempo
necessário de exposição e aumentam a taxa de inativação de microrganismos. Este trabalho
avaliou o potencial de concentradores solares alternativos como as lentes de Fresnel pontual e
linear em processos fotoativados como a SODIS através do uso de fluidodinâmica
computacional para resolução das equações de movimento, radiação e transporte de espécies.
Para isso, duas unidades experimentais e seus respectivos modelos computacionais foram
desenvolvidos e validados experimentalmente através de actinometria com ferrioxalato de
potássio. Planejamentos de simulações foram conduzidos com o intuito de se avaliar o efeito
das variáveis operacionais nas principais respostas que caracterizam o desempenho destes
concentradores. Nos modelos computacionais foi implementada uma cinética mecanicista de
desinfecção de E. coli baseado na geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) e inativação
de enzimas de proteção celular disponível na literatura para avaliação numérica do desempenho
destes sistemas concentradores Fresnel. Os resultados obtidos indicam que os modelos
computacionais desenvolvidos reproduziram satisfatoriamente os campos de radiação e
velocidade, e foi observado um alto potencial de intensificação de radiação nos reatores com o
uso das lentes. No sistema concentrador Fresnel linear foi constatado que a vazão de
recirculação possui um efeito pequeno na taxa de reação dentro da faixa de 0,4 L·min-1 a 3,95
L·min-1 e a conversão depende fortemente da posição do reator e da irradiação solar. Resultados
de cinética de desinfecção mostraram que para a lente pontual é importante se garantir uma boa
distribuição de radiação enquanto na unidade com lente linear é necessário buscar um ponto de
equilíbrio entre o aumento do tempo de residência no reator e a fluidodinâmica dentro do reator
tubular. Ambos os sistemas concentradores simulados foram capazes de reduzir
substancialmente o tempo de tratamento da SODIS convencional considerando as dimensões
das unidades experimentais projetadas e os diferentes tipos de lente de Fresnel utilizados.
Abstract
Universal access to water is one of the United Nation’s 17 sustainable development goals and
a fundamental human right. However, factors such as extreme poverty, geographical isolation,
and climate change pose challenges to ensuring access to safe water for populations located
mainly in rural communities in underdeveloped and developing countries. Among the existing
technologies for water treatment in remote regions, solar water disinfection (SODIS) stands
out, which can be intensified by solar concentrators that increase the intensity of sunlight,
shortening the time required for exposure and increasing the rate of microorganism inactivation.
This study evaluated the potential of alternative solar concentrators, such as point and linear
Fresnel lenses, in photoactivated processes such as SODIS using computational fluid dynamics
to solve the equations of momentum, radiation, and species transport. To this end, two
experimental units and their respective computational models were developed and validated
experimentally through actinometry with potassium ferrioxalate, and a simulation design was
conducted to evaluate the effect of operational variables on the main responses that characterize
the performance of these concentrators. A mechanistic model of E. coli disinfection based on
the generation of reactive oxygen species (ROS) and inactivation of cell protection enzymes
available in the literature was implemented in the computational models to enable the numerical
evaluation of the performance of these Fresnel lens concentrator systems. The results obtained
indicate that the computational models developed reproduced the radiation and velocity fields
properly, and a high potential for radiation intensification in the reactors was observed using
the lenses. In the linear Fresnel concentrator system, it was found that the recirculation flow
rate has a small effect on the reaction rate within the range of 0.4 L·min-1 to 3.95 L·min-1, and
the conversion depends mainly on the position of the reactor and solar irradiation. Disinfection
kinetics results showed that for the point lens it is important to ensure adequate radiation
distribution, while in the unit with a linear lens it is necessary to seek a balance between
increasing the fluid’s residence time in the reactor and the fluid dynamics inside the tubular
reactor. Both solar concentrator systems were able to substantially reduce the treatment time of
conventional SODIS to just a few minutes of operation, based on the dimensions of the
development of the experimental rigs.
Palavras-chave
CFD, Fotorreator, Photoreactor, Radiação solar, Solar radiation, DOM, SODIS, E. coli
Citação
ULLMANN, Gregori. Investigação numérica e experimental de sistemas de concentração solar com lentes de Fresnel para desinfecção de água. 2025. 188 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.454
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