Publicação: Development of a system containing titanium dioxide and algae for hexavalent chromium reduction by photocatalysis
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Resumo
Due to population growth, the manufacture of products has increased and, consequently, the
generation of effluents with toxic materials. Among them, chromium(Cr) stands out. In its 6+
oxidation state, chromium is toxic and carcinogenic. Traditional chromium treatments demand
a high chemical load, and it is important to propose alternative processes. Thus, photocatalysis
processes have gained prominence in the scientific area due to their more sustainable aspect
and good yield. In a previous work, we developed a hybrid system of titanium dioxide (TiO2)
and the green alga Chlorella vulgaris immobilized in hollow asymmetric alumina fibers for the
reduction of hexavalent chromium (Cr(VI)) by photocatalysis. However, some points needed to
be improved, so we decided to focus on two different areas: TiO2 and the reactor. For TiO2, the
particles were doped with Ag nanoparticles to reduce the bandgap of the catalyst using a simple
process and the use of ultrasound. Furthermore, the produced particles were internally and
externally immobilized on a hollow alumina fiber membrane. Finally, for the reactor, the
experiments were carried out in a raceway reactor using sunlight as an energy source and the
microalgae Scenedesmus acutus and Scenedesmus obliquus. For the influence of dissolved
oxygen, a system under magnetic stirring, injection of oxygen and nitrogen and the comparison
between the efficiency of TiO2 and that of seaweed were used at 1 g/L. The ultrasonic
methodology produced AgNP-TIO2 particles with a content of 5 to 50% by weight of Ag content.
Although the Ag content of AgNP40-TiO2 and AgNP50-TiO2 particles were higher, the efficiency
of these particles is reduced due to Ag oxidation. Immobilization methodologies produced
hollow fibers with immobilized particles. Dispersed and immobilized particles performed
similarly. However, after 10 cycles of 12 h of reuse, the immobilized particles had a superior
performance, being a good alternative for cost reduction. The penetration of sunlight into the
raceway reactor followed Beer Lambert's law. The correlation between the specific absorption
coefficient and the algal concentration was determined. For conditions of initial Cr(VI)
concentration of 1, 5 and 10 g/L, pH 3 and 8, algal concentration of 0.5 and 1g/L, Scenedesmus
acutus and Scenedesmus obliquus and low and high lighting for 3 h, the species of algal
cultivation was the only factor that did not present a significant influence on Cr(VI)
photoreduction. From the best pH 3 conditions, 0.5 g/L S. obliquus and high light intensity, using
50 mg/L of Cr(VI) it was possible to obtain a reduction of 44.43% and a reduction gradient of
22.22 mg/L Cr(VI). The dissolved oxygen concentration did not influence the application of TiO2
while the anaerobic condition favored the process with seaweed
Abstract
Devido ao crescimento populacional, a fabricação de produtos tem aumentado e,
consequentemente, a geração de efluentes com materiais tóxicos. Entre eles, o cromo(Cr) se
destaca. Em seu estado de oxidação 6+, o cromo é tóxico e cancerígeno. Os tratamentos
tradicionais de cromo demandam uma alta carga química, sendo importante a proposta de
processos alternativos. Assim, os processos de fotocatálise ganharam destaque na área
científica devido ao seu aspecto mais sustentável e eficiente. Em trabalho anterior,
desenvolvemos um sistema híbrido de dióxido de titânio (TiO2) e a alga verde Chlorella
vulgaris imobilizados em fibras ocas de alumina assimétrica para a redução de cromo
hexavalente (Cr(VI)) por fotocatálise. No entanto, alguns pontos precisavam ser melhorados
e, por isso, decidimos focar em duas áreas diferentes: o TiO2 e o reator. Para o TiO2, as
partículas foram dopadas com nanopartículas de Ag a fim de reduzir o band-gap do catalisador
utilizando um processo simples e ultrassom. Além disso, as partículas produzidas foram
imobilizadas interna e externamente em uma membrana de fibra oca de alumina. Os
experimentos foram realizados em um reator do tipo raceway utilizando a luz solar como fonte
de energia e as microalgas Scenedesmus acutus e Scenedesmus obliquus. Para a análise da
influência do oxigênio dissolvido, foi utilizado um sistema sob agitação magnética, injeção de
oxigênio e nitrogênio e a comparação entre a eficiência do TiO2 e da alga a 1 g/L. A
metodologia ultrassônica produziu partículas de AgNP-TIO2 com teor de 5 a 50% em peso de
teor de Ag. Embora o conteúdo de Ag das partículas de AgNP40-TiO2 e do AgNP50-TiO2
tenham sido maiores, a eficiência dessas partículas é reduzida devido à oxidação do Ag. As
metodologias de imobilização produziram fibras ocas com partículas imobilizadas. As
partículas dispersas e imobilizadas tiveram desempenho semelhante. No entanto, após 10
ciclos de 12 h de reutilização, as partículas imobilizadas tiveram um desempenho superior,
sendo uma boa alternativa para redução de custos. A penetração da luz solar no reator
raceway seguiu a lei de Beer Lambert. A correlação entre o coeficiente de absorção específico
e a concentração de alga foi determinada. Para condições de concentração inicial de Cr(VI)
de 1, 5 e 10 g/L, pH 3 e 8, concentração de alga de 0,5 e 1g/L, Scenedesmus acutus e
Scenedesmus obliquus e iluminação baixa e alta para experimentos de 3 h, a espécie de
cultivo de algas foi o único fator que não apresentou influência significativa para a fotoredução
do Cr(VI). A partir das melhores condições obtidas de pH 3, 0.5 g/L S. obliquus e alta
intensidade luminosa, utilizando 50 mg/L de Cr(VI) foi possível obter uma redução de 44.43%
e um gradiente de redução de 22.22 mg/L Cr(VI). A concentração de oxigênio dissolvido não
influenciou a aplicação de TiO2 enquanto a condição anaeróbica favoreceu o processo com
alga.
Palavras-chave
cromo, dióxido de titânio, prata, nanopartículas, dopagem, fibra oca, fotocatálise, alga verde, reator raceway
Citação
COSTA, Igor Geraldo Fiuza. Development of a system containing titanium dioxide and algae for
hexavalent chromium reduction by photocatalysis. 2022. 90 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.8022
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