Aplicação de técnicas eletroquímicas na remoção de
boro de efluentes líquidos
Rio de Janeiro, 17 de Novembro de 2016
Thiago da Silva RibeiroOrientador: Mauricio Leonardo Torem
Co-orientador: Antonio Gutiérrez Merma
Sumário1. INTRODUÇÃO2. JUSTIFICATIVAS E OBJETIVOS DO TRABALHO3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
i. PRINCÍPIOS DA ELETROQUÍMICAii. PRINCÍPIOS DA ELETROCOAGULAÇÃO
4. METODOLOGIAi. PREPARAÇÃO DA SOLUÇÃO CONTENDO BOROii. DESENHO DE EQUIPAMENTOSiii. LINHA EXPERIMENTALiv. MÉTODO EXPERIMENTALv. METODOLOGIA ANALÍTICA PARA BORO
5. ENSAIOS EXPLORATÓRIOS6. PRINCIPAIS REFERÊNCIAS
Introdução Boratos (bórax - Na2B4O7.10H2O)
Ambientes aquáticos erosão de rochas sedimentares ricas em argila e por fontes antropogênicas
Ácido fraco de Lewis (pKa = 9,24 à 25ºC)
Figura - Diagrama de distribuição do ácido bórico.FARHAT, Ali; AHMAD, Farrukh; ARAFAT, Hassan. Analytical techniques for boron quantification supporting desalination processes: A review. Desalination, v. 310, p. 9-17, 2013.
Introdução Setores Demandantes
Toxicologia
-Plantas > 2,0mg.L-1 (metabolismo celular);
-Humanos > 8,25mg.L-1 (náuseas, vômitos, diarreia, ...).
Introdução Padrões de potabilidade para boro
-Organização Mundial da Saúde: 2,4mg.L-1;-Brasil: A Portaria MS 2.914/2011 não define critérios para boro.
Situação atual do parâmetro boro no Brasil
-CONAMA 357/2005: 0,5mg.L-1 (águas doces - classes 1 e 2);-CONAMA 430/2011: 5,0mg.L-1 (não se aplica para o lançamento em águas salinas).
Introdução A remoção de boro pode ser alcançada por diversos
métodos, incluindo
-Adsorção com óxidos;-Troca iônica com resinas de bases fortes;-Extração por solventes após complexação;-Eletrocoagulação!!!
Justificativa Crescente valorização dos recursos hídricos
Agricultura (limites toleráveis!)
Grandes desafios (águas de produção de petróleo - 250/80, dessalinização, ...)
Não há uma tecnologia consolidada (alta eficiência & subproduto sólido)
Eletrocoagulação: versatilidade, segurança, seletividade e compatibilidade com o meio ambiente
Objetivos Objetivo Geral
Avaliar a eficiência da eletrocoagulação na remoção de boro em uma solução sintética.
Objetivos Específicos
-Avaliar a influência dos parâmetros do processo de eletrocoagulação;-Determinar as curvas cinéticas da remoção de boro;-Estimar o consumo mínimo de eletrodos para os parâmetros estudados;-Determinar e otimizar o consumo de energia do processo;-Design e construção de um reator de eletrocoagulação de fluxo contínuo.
Fundamentos Teóricos
Flotação Coagulação
Eletroquímica
Eletroflotação Eletrocoagulação
Parâmetros operacionais (ex.: densidade de corrente)
Dosagem do coagulante
Densidade de Bolhas
Remoção por Flotação
Remoçãopor
Sedimentação
Modelo de
contatoCinética
Figura - Diagrama de Venn das áreas de conhecimento da eletrocoagulação.HOLT, Peter K.; BARTON, Geoffrey W.; MITCHELL, Cynthia A. The future for electrocoagulation as a localised water treatment technology. Chemosphere, v. 59, n. 3, p. 355-367, 2005.
Fundamentos TeóricosPrincípios da Eletroquímica
A eletroquímica é o estudo das interfaces carregadas eletricamente e dos fenômenos que ocorrem nestas interfaces
(reações heterogêneas), as quais são consideradas superfícies de separação entre um condutor eletrônico (metal)
e um condutor iônico (eletrólito).
Fundamentos Teóricos
e- e-
Anode
Cathode
e- e-
influent
effluentRed
Ox Red
OxM
Mn+Mn+
M
1. Electrooxidation 2. Electroreduction
3. Electrodissolution 4. Electrodeposition
5. Migration of anions
5. Migration of cations
Figura - Esquema de uma célula eletroquímica.CORRÊA, Jeferson M. et al. An electrochemical-based fuel-cell model suitable for electrical engineering automation approach. IEEE, v. 51, n. 5, p. 1103-1112, 2004.
Fundamentos Teóricos Lei de Faraday - Eficiência de corrente
Termodinâmica do equilíbrio eletroquímico - Equação de Nernst; Diagramas Eh-pH
Cinética eletroquímica - Polarização por ativação ou por concentração
Parâmetros que afetam a Eletrocoagulação - Densidade de corrente; Relação S/V;Efeito do pH inicial; Distância entre eletrodos; ...
Fundamentos TeóricosPrincípios da Eletrocoagulação
Figura - Diagrama esquemático do mecanismo de eletrocoagulação.QEDRA, Belal K.; MOGHEIR, Yunes K. Boron removal from seawater by Hybrid Solar Photovoltaic Electrocoagulation (SPEC) Process. 2015.
Anodo
Catodo
Fundamentos Teóricos
Figura - Diagrama de solubilidade do hidróxido de alumínio.
MetodologiaPreparação da solução contendo boro
As soluções sintéticas foram preparadas com água destilada nas concentrações de boro de 10, 50 e 100 mg.L-1 a partir do ácido bórico (H3BO3)
MetodologiaDesenho de equipamentos
1
2
1 - Eletrodos2 - Célula
Metodologia Os eletrodos foram perfurados para aumentar o transporte
de massa no interior dos eletrodos e evitar o sobreaquecimento da solução, além de facilitar a liberação dos gases gerados
150 cm² de área superficial
Metodologia Na literatura recomenda-se uma configuração de eletrodos
monopolares em paralelo, logo foi utilizado neste trabalho esta configuração com 4 eletrodos (dois anodos e dois catodos)
1
21 - Catodos monopolares em paralelo2 - Anodos monopolares em paralelo
MetodologiaLinha experimental
1
2
3
4
5
1 - pHmetro2 - Célula3 - Retirada das alíquotas4 - Agitador magnético5 - Fonte de tensão
MetodologiaMétodo experimental
As seguintes variáveis serão avaliadas
Densidade de corrente [mA/cm²] 6,25 12,50 18,75 Espaçamento entre eletrodos
[mm] 3,00 5,00 10,00 15,00 20,00 pH [inicial] 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00[B] mg/L 10,00 50,00 100,00
Metodologia Para determinar o efeito de cada variável no processo de
eletrocoagulação utilizou-se o método experimental de um fator por vez, que consiste em uma serie de experimentos em que são fixadas todas as variáveis, exceto a variável a ser avaliada
pH [inicial] pH [final] t = 60min
[NaCl] = 15mM/L; RPM = 150; d =
10mm; [B] = 50mg/L; J = 6.248mA/cm²
pH inicial
5,00 6,00 7,00 8,00 9,00
10,00
MetodologiaJ [mA/cm²] t = 5min pH [final] t = 10min pH [final] t = 60min
[NaCl] = 15mM/L; RPM = 150; d = 10mm; [B] =
50mg/L; pH[inicial] = ótimoJ [mA/cm²]
6,25 12,50
18,75
[B] mg/L t = 5min pH [final] t = 10min pH [final] t = 60min
[NaCl] = 15mM/L; RPM = 150; d =
10mm; pH[inicial] = ótimo; J = ótimo[B] mg/L
10,00 50,00
100,00
d [mm] t = 60min
Espaçamento entre
eletrodos [mm]
3 5
10 15 20
MetodologiaMetodologia analítica para Boro
Plasma Indutivamente Acoplado a Espectrometria de Emissão Ótica (ICPOES)
Ensaios exploratóriosOs ensaios exploratórios permitiram determinar o tempo de eletrolise e valores de pH.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 508.75
9.00
9.25
9.50
pH inicial = 8.9
Tempo [min]
pH
Tensão [V] 5,3
Corrente [A] 2,82
H3BO3 [g] 2,86 B [mg/L] 100 RPM 800
NaCl [g] 4,38 NaCl [mM/L] 15
d [mm] 10
Ensaios exploratórios
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 505.505.756.006.256.506.757.007.257.507.758.008.258.508.759.009.259.50
pH inicial = 5.9
Tempo [min]
pH
Tensão [V] 5,3
Corrente [A] 2,82
H3BO3 [g] 2,86 B [mg/L] 100 RPM 800
NaCl [g] 4,38 NaCl [mM/L] 15
d [mm] 10
Cronograma
Muito obrigado pela atenção e presença!!!
Principais Referências
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