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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-6425-813X
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Degradação fotocatalítica de azul de metileno utilizando pentóxido de nióbio em suspensão e em reator de membranas do tipo fibra oca
Alternate title (s): Photocatalytic degradation of methylene blue using niobium pentoxide in aqueous solution and in hollow fiber membrane reactor
Author: Ferreira, Eduardo de Paulo
First Advisor: Cardoso, Vicelma Luiz
First member of the Committee: Resende, Miriam Maria de
Second member of the Committee: Vieira, Patrícia Angélica
Third member of the Committee: Cruz, Antônio José Gonçalves da
Fourth member of the Committee: Cardoso, Vicelma Luiz
Fifth member of the Committee: Finzer, José Roberto Delalibera
Summary: 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.
Keywords: 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
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Subject: Engenharia Química
Semicondutores
Catalisadores
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: 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.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.453
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36200
Date of defense: 12-Aug-2022
Appears in Collections:TESE - Engenharia Química

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