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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.75.2020.tde-11012021-175500
Documento
Autor
Nome completo
Pedro Ivo Isá Barrenha
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2020
Orientador
Banca examinadora
Azevedo, Eduardo Bessa (Presidente)
Daniel, Luiz Antonio
Pointer-Malpass, Geoffroy Roger
Sousa, Diana Nara Ribeiro de
Zuin, Vânia Gomes
Título em português
Aprimoramento do processo UV/H2O2 pelo uso das micro-ondas em um novo conceito de reator
Palavras-chave em português
bisfenol A
micro-ondas
parabenos
planejamento experimental
processos oxidativos avançados (POA)
Resumo em português
Nesta Tese, foi proposto um novo conceito de reator para sistemas UV/H2O2/MO sem o uso das lâmpadas de descarga sem eletrodo. O reator permite a comparação direta de POAs na presença e ausência das micro-ondas (MO), bem como avaliar os efeitos de tal radiação na remoção de contaminantes emergentes. Para a otimização do sistema, por meio da metodologia de superfícies de resposta (MSR), foi selecionado o bisfenol A (BPA, concentração inicial de 100 µ L-1), dada sua importância ambiental. Os fatores selecionados para o estudo foram concentração de H2O2 (CH2O2), vazão do sistema reacional (Q) e potência do forno de MO (P). Os resultados iniciais mostraram que as MO apresentaram um efeito estatisticamente significativo na remoção do BPA, com tendência a melhores resultados no nível mais baixo do intervalo estudado. As condições ótimas de degradação foram: CH2O2 = 20 mg L-1, Q = 700 mL min-1 e P = 245 W. Nessas condições, não houve diferenças significativas entre os sistemas UV/H2O2/MO e UV/H2O2. No entanto, em condições mais brandas de degradação (CH2O2 = 5 mg L-1, Q = 600 mL min-1 e P = 245 W), a remoção do BPA aumentou de 65 para 95% (em 60 min) com o uso das MO. Além disso, a taxa inicial de remoção do BPA dobrou (0,046 para 0,100 min-1) e a capacidade máxima de oxidação (CMO) do sistema passou de 86 para 100%. Com o intuito de se verificar o efeito das MO sem a possível influência do aquecimento delas resultante, o forno de MO foi substituído por um sistema de aquecimento convencional capaz de fornecer a mesma taxa de aquecimento. Os dois modos de aquecimento foram comparados considerando-se os produtos de degradação identificados ao longo das degradações. Foram encontradas estruturas diferentes entre os sistemas, sugerindo a existência de efeitos específicos das MO. Para se verificar se a irradiação de MO poderia influenciar o mecanismo de degradação de moléculas estruturalmente semelhantes, foram selecionados quatro parabenos com diferentes radicais alcoxila (metil, etil, propil e isobutilparabeno). Os resultados dos planejamentos fatoriais 23 completos (mesmos fatores e níveis utilizados na etapa preliminar da MSR) mostraram que as MO tiveram efeitos diferentes com cada parabeno, sendo o metilparabeno o único beneficiado pelo aumento da potência do forno. Etil, propil e isobutilparabenos apresentaram melhores resultados na potência mais baixa, sendo observado um aumento na intensidade do efeito das MO com o aumento do radical alcoxila. Avaliando-se os produtos de degradação dos sistemas com aquecimento por MO ou convencional, observaram-se diferenças entre as intensidades dos sinais obtidos relativos a produtos observados em ambos os reatores, corroborando a hipótese da existência de efeitos específicos das MO (neste caso, favorecimento de mecanismos e modificações na seletividade).
Título em inglês
Enhancement of the UV/H2O2 Process by Microwaves with a New Reactor Concept
Palavras-chave em inglês
advanced oxidation processes (AOP)
bisphenol A
experimental design
microwaves
parabens
Resumo em inglês
Within this Thesis, a new concept of reactor for UV/H2O2/MW systems without using electrodless discharge lamps was proposed. The reactor allows for the direct comparison of AOPs, with and without the presence of microwave (MW) irradiation, as well as evaluate the effects of such radiation for removing emerging contaminants. To optimize the system, using the Response Surface Methodology (RSM), bisphenol A (BPA, initial concentration of 100 µg L-1) was selected, due to its environmental importance. Selected factors for this study were H2O2 concentration (CH2O2), flow rate (Q), and MW oven power (P). Initial results showed that MW had a statistically significant effect on the removal of BPA, with a trend of better results at the lower level of the evaluated interval. Optimal conditions for degradation were: CH2O2 = 20 mg L-1, Q = 700 mL min -1 and P = 245 W. With those conditions, there were no significant differences between the UV/H2O2/MW and UV/H2O2 systems. However, with milder conditions of degradation (CH2O2 = 5 mg L-1, Q = 600 mL min-1 e P = 245 W), BPA removal increased from 65 to 95% (within 60 min) when the MW was used. Moreover, the initial BPA removal rate doubled (from 0,046 to 0,100 min-1) and the maximal oxidative capacity (MOC) increased from 86 to 100%. In order to evaluate the MW effects without the possible influence of the heating they generate, the MW oven was replaced by a conventional heating system able to mimic the MW heating rate. Both systems were compared, considering the degradation products identified throughout degradation. Different structures were found in both systems, implying the existence of specific effects of MW. To verify whether MW radiation could influence the degradation mechanism of structural-similar molecules, four parabens with different alkoxyl radicals were selected (methyl, ethyl, propyl, and isobutylparaben). The 23 full factorial design (same factors and levels used for the preliminary stage of RSM) showed that the MW had different effects on each paraben, with methylparaben being the only one to benefit from the increment of MW power. Ethyl, propyl, and isobutylparaben had better results with the lower power, being noticed an increase of the intensity of the MW effect for molecules with bigger alkoxyl radicals. Evaluating the degradation products from the systems with MW and conventional heating, it was noticed differences among the intensities of the obtained relative signals for compounds achieved for both reactors, reassuring the hypothesis of the existence of MW-specific effects (in this case, favoring mechanisms and modifying selectivity).
 
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Data de Publicação
2021-01-12
 
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