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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-6462-8548
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Desenvolvimento de sistema híbrido de dióxido de titânio e alga Chlorella vulgaris imobilizados em fibra oca de alumina para a redução de cromo(VI) por fotocatálise
Alternate title (s): Development of a hybrid system of titanium dioxide and Chlorella vulgaris algae immobilized in alumina hollow fiber for the reduction of chromium (VI) by photocatalysis
Author: Costa, Igor Geraldo Fiuza
First Advisor: Reis, Miria Hespanhol Miranda
Second Counselor: Batista, Fabiana Regina Xavier
First member of the Committee: Cardoso, Vicelma Luiz
Second member of the Committee: Tavares, Célia Regina Granhen
Third member of the Committee: Martins, Maria Inês
Summary: Devido ao crescimento populacional, têm-se aumentado a síntese de produtos e, consequentemente, a geração de efluentes com materiais tóxicos. Dentre eles, destaca-se o cromo. Em seu estado de oxidação 6+, o cromo (Cr) é tóxico e carcinogênico. Os tratamentos tradicionais de cromo demandam uma alta carga química, sendo oportuno o estudo de processos alternativos. Assim, os processos de sorção e de fotocatálise têm ganhado destaque na área científica devido ao aspecto mais sustentável e de bom rendimento. Nessa perspectiva, este trabalho teve como objetivo desenvolver um sistema híbrido de dióxido de titânio (TiO2) e alga verde Chlorella vulgaris imobilizados em fibra oca de alumina com distribuição de poros assimétrica para a redução de cromo hexavalente (Cr(VI)) por fotocatálise. Inicialmente, o TiO2 foi caracterizado por DRX, MEV e EDS. A alga foi caracterizada em relação ao seu crescimento celular, e a lâmpada do sistema foto- fermentativo em relação ao seu espectro luminoso. A isoterma e a cinética da sorção do Cr(VI) em titânio e alga foram estudadas. Posteriormente, os sistemas da fibra com dióxido de titânio e alga foram desenvolvidos e avaliados na fotocatálise do Cr(VI). Por fim, a fotoredução do Cr(VI) foi realizada em diversas condições, alterando-se o pH (2 e 7), o meio (água e meio Bold Basal modificado-BBM) e o agente de fotocatálise (TiO2, TiO2 incorporado na fibra, alga, e alga e TiO2). Assim, foi possível verificar que o pó de TiO2 utilizado está predominante na forma cristalina anatase, que a alga C. vulgaris não apresenta uma fase lag significativa e que a lâmpada de tungstênio utilizada apresenta um espectro luminoso adequado para o processo de fotocatálise. Em relação aos processos de sorção do Cr(VI), foi verificado que ambos são favoráveis. A adsorção de Cr(VI) pelo TiO2 foi melhor representada pelo modelo de Freundlich e sua cinética pelo modelo de pseudo-segunda ordem. Já a biossorção de Cr(VI) pela alga foi melhor representada pelo modelo de Langmuir e sua cinética não apresentou um modelo específico. Nas condições avaliadas, a máxima sorção do Cr(VI) no TiO2 e na alga foi de 2,87±0,09 mg Cr(VI)/g TiO2 e 15,933±0,09 mg Cr(VI)/g alga. A partir da metodologia escolhida para a imobilização do TiO2, foi possível obter o material distribuído nos filamentos da fibra. A metodologia escolhida para a imobilização da alga na fibra também foi satisfatória, obtendo-se uma distribuição de alga pela superfície da fibra sem se desprender em solução. Em relação aos ensaios de fotocatálise com o pó de TiO2, foi verificado que o pH 2 foi favorável ao processo, enquanto o meio BBM, apesar de não ter um efeito regular, também foi favorável. Para uma concentração inicial de 10 mg/L de Cr(VI) e dosagem de 1g/L de TiO2, a fibra com o titânio resultou em um rendimento de cerca de 95% de redução de cromo(VI) em pH 2 e água em 3 dias sob iluminação, enquanto o titânio puro reduziu cerca de 90%. Em relação aos ensaios com a alga, foi possível verificar que, novamente, o pH 2 foi favorável ao processo de fotoredução, porém desfavorável em relação ao crescimento da alga. Além disso, foi possível verificar o efeito anti-algal do dióxido de titânio, que também prejudicou o processo de fotocatálise. A fibra com TiO2 e alga obteve um rendimento de cerca de 100% de redução de cromo em pH 2 e água após 16 h de processo. Por fim, após 5 ciclos de reuso de 12h cada, a fibra com TiO2 e alga teve sua eficiência reduzida em 9%, mostrando-se viável para o processo de fotocatálise de Cr(VI). Assim, o sistema híbrido formado por TiO2 imobilizado nos filamentos da fibra oca de alumina com a alga C. vulgaris na superfície externa desta fibra mostrou-se favorável para redução do Cr(VI).
Abstract: Due to the population growth, the manufacture of products has been increased and, consequently, the generation of effluents with toxic materials. Among them, the chrome stands out. At its 6+ oxidation state, chromium (Cr) is toxic and carcinogenic. Traditional chrome treatments demand a high chemical load, being important the proposal of alternative processes. Thus, sorption and photocatalysis processes have gained prominence in the scientific area due to their more sustainable aspect and good yield. In this perspective, here we propose the development of a hybrid system of titanium dioxide (TiO2) and the green alga Chlorella vulgaris immobilized on asymmetric alumina hollow fibers for the reduction of hexavalent chromium (Cr(VI)) by photocatalysis. Initially, the titanium dioxide powder was characterized by XRD, SEM and EDS, the alga was characterized by its cell growth, and the lamp used in the photo-fermentation system was characterized by its luminous spectrum. Isotherm and kinetic studies of Cr(VI) sorption in titanium and in alga were carried out. Subsequently, the fiber systems with titanium dioxide and alga were developed. Finally, the photoreduction of Cr(VI) was carried out under different conditions, altering the pH (2 and 7), the medium (water and Modified Basal Bold medium-BBM) and the photocatalyst agent (TiO2, TiO2 incorporated in the fiber, seaweed, seaweed and TiO2). Thus, it was possible to verify that the used TiO2 powder is predominantly in the crystalline anatase form, that the C. vulgaris does not present a significant lag phase and that the tungsten lamp used presents a suitable luminous spectrum for the photocatalysis process. In relation to Cr(VI) sorption processes, both were found to be favorable. The adsorption of Cr(VI) by TiO2 was better represented by the Freundlich model and its kinetics by the pseudo-second order model. The Cr(VI) biosorption by the alga was better represented by the Langmuir model and its kinetics did not present a specific model. At the evaluated conditions, the maximum sorption of Cr(VI) in TiO2 and in the alga was of 2,87±0,09 mg Cr(VI)/g TiO2 e 15,933±0,09 mg Cr(VI)/g alga. The applied methodology enabled the immobilization of TiO2 and alga in the fiber microvoids and in the fiber outer surface, respectively. Related to the photocatalysis tests with the TiO2 powder, it was verified that the pH 2 was favorable to the process, while the BBM medium, although not presenting a regular effect, was also favorable. For an initial concentration of 10 mg/L Cr(VI) and a dosage of 1g/L of TiO2, the systems with TiO2 imobilized in the fiber yielded about 95% reduction of Cr(VI) at pH 2 and water for 3 days under illumination, while pure TiO2 reduced about 90%. In relation to the tests with the alga it was possible to verify that, again, pH 2 was favorable to the photoreduction process, but unfavorable in relation to alga growth. In addition, it was possible to verify the anti-algal effect of titanium dioxide, which also impaired the photocatalysis process. Fiber with TiO2 and alga yielded a yield of about 100% Cr(VI) reduction at pH 2 and in water medium after 16 h of process. Finally, after 5 cycles of reuse, the fiber with TiO2 and alga kept its efficiency reduced by 9%, proving to be viable for the Cr(VI) photocatalysis process. Thus, the development of a hybrid system composed by TiO2 imobilized in the alumina hollow fiber microvoids with the alga C. vulgaris imobilized in the fiber outer surface showed to be a suitable alternative for Cr(VI) reduction.
Keywords: cromo
sorção
fotocatálise
dióxido de titânio
microalga
Chlorella vulgaris
fibra oca
alumina
chromium
sorption
photocatalysis
titanium dioxide
microalga,
hollow fiber
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS BIOQUIMICOS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA::TRATAMENTOS E APROVEITAMENTO DE REJEITOS
Subject: Engenharia química
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: COSTA, Igor Geraldo Fiuza. Desenvolvimento de sistema híbrido de dióxido de titânio e alga Chlorella vulgaris imobilizados em fibra oca de alumina para a redução de cromo(VI) por fotocatálise. 2018. 91 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.6017.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.6017
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/31489
Date of defense: 12-Jul-2018
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