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Programa Institucional de Iniciação Científica Relatório Final de Pesquisa Engenharias
Tratamento de efluentes oleosos por eletrofloculação com eletrodos de
diferentes materiais conectados a um reator eletroquímico – Piic/UFES
Edital: Edital Piic 20 22 /20 23 Grande Área do Conhecimento (CNPq): Engenharias Área do Conhecimento (CNPq): Engenharia Química Título do Projeto: Pesquisa Interdisciplinar em Energia, Engenharia, Tecnologia e Gestão Título do Subprojeto: Tratamento de efluentes oleosos por eletrofloculação com eletrodos de diferentes materiais conectados a um reator eletroquímico Professor Orientador: Prof. Dr. Paulo Sérgio da Silva Porto Estudante: Lucas Zacharias de Andrade Martins
Resumo
O descarte inadequado de resíduos oleosos impacta diretamente na diminuição da qualidade da água, resultando em alterações nos ecossistemas. Diversos métodos de separação, empregados pelas indústrias, possuem alto custo e nem sempre eficientes para remover partículas finas em suspensão. Assim, a presente pesquisa investigou-se o uso de um reator de eletrofloculação alterando o tipo de material dos eletrodos: alumínio, aço inox, latão de cobre e aço galvanizado para tratar efluente oleoso. Inicialmente, avaliou-se os melhores percentuais de remoção de óleo (%RO) utilizando-se eletrodos de alumínio (referência na literatura) sob diferentes tempos de inversão e vazão fixa de 2 mL/s. Também, foram determinados o pH, condutividade, concentração de sólidos totais e turbidez, para avaliar se o efluente tratado, atendia às exigências da legislação ambiental. Na sequência, testou-se as melhores condições obtidas variando-se os materiais. Os melhores resultados quanto ao %RO (90%) foram para os eletrodos de alumínio, enquanto os de placas de aço inox e galvanizado foram cerca de 80%. Os valores de pH (< 9,0) e demais parâmetros se mantiveram aceitáveis quanto a legislação. Verificou-se que o uso de eletrodos de aço galvanizado e inox podem ser uma forma alternativa, mas não alcançou %RO obtido pelos eletrodos de alumínio. Palavras-chave: Eletrofloculação. Eletrodos não convencionais. Remoção de óleo.
1 Introdução
A população encontra-se em constante crescimento, o que demanda o uso elevado de recursos naturais para suprir as suas necessidades. Alinhado a estes fatores, há uma preocupação quanto a preservação desses recursos controlando a sua contaminação devido aos grandes volumes de efluente descarregados anualmente, provenientes das diversas fontes comerciais e industriais (CORREA; FREITAS; PORTO, 2019). Neste conjunto destacam-se as indústrias petroquímicas, de processamento de petróleo, de fabricação de motores, automobilística e metal mecânica, que contribuem para geração de efluentes oleosos. (DEVLIN et al., 2019; AL JABERI et al., 2022). O descarte inadequado destes efluentes provoca alterações ambientais causados pela formação de filmes superficiais, acúmulos nas regiões costeiras e baixa biodegradabilidade (NOH et al., 2015).
Programa Institucional de Iniciação Científica Relatório Final de Pesquisa Engenharias Diante de diversos problemas, o desenvolvimento de pesquisas envolvendo o redimensionamento de equipamentos e ajustes de parâmetros de processos são constantemente realizados, para melhorar a eficiência de remoção de soluto, utilizando equipamentos robustos de pequeno porte que possam integrar a unidades de tratamento mais compactas para recuperar volumes de efluente, em menor tempo. Na seleção prima-se, preferencialmente, por aqueles que apresentam baixo consumo energético. Cabe ainda, empregar técnicas analíticas para analisar a qualidade do efluente tratado antes do lançamento ao meio ambiente (CORREA; FREITAS; PORTO, 2019). Na indústria diversas técnicas de tratamentos de efluentes convencionais de tratamento de efluentes oleosos visam remover ou reduzir a concentração de óleos e gorduras presentes nos efluentes. Dentre essas técnicas é possível citar a caixa de gordura, a flotação por ar dissolvido (FAD), a decantação primária, a filtração, a coagulação e floculação, “skimmer” (ou desengordurador mecânico), sedimentação, adsorção em carvão ativado. O uso combinado de várias dessas técnicas convencionais pode ser utilizado em um sistema de tratamento de efluentes oleosos para garantir uma eficiência máxima na remoção de óleos e gorduras. Além disso, a escolha adequada dessas técnicas é preciso lear em consideração a viabilidade econômica e ambiental. A eletrocoagulação vem sendo investigada e tem se destacada por apresentar eficiência na remoção, demandar baixo consumo de energia elétrica, além dos reatores de eletroflotação ser de fácil operacionalidade, manutenção e controle (MOLLAH et al., 2004). Nesta perspectiva de análise, a composição do material eletrolítico é, sem sombras de dúvidas, a parte mais importante em um processo de eletrocoagulação/eletrofloculação. Inúmeros materiais são usualmente aplicados e testados, o Ferro e Alumínio são os mais usuais, pois, ambos apresentam alta eficiência de coagulação, apesar de apresentarem baixo potencial de polarização e um elevado grau de solubilidade com as mais diversas emulsões, ocasionando dessa forma uma durabilidade reduzida do eletrodo. Ademais, é reportado constantemente que estes materiais podem liberar, ao final do processo, metais indesejados. (GRECCO, 2022). Portanto, este trabalho avaliou-se através dos conhecimentos de engenharia e tecnologia um reator contínuo, em uma unidade de bancada parcialmente monitorada, cujo o objetivo foi, através da técnica de eletrofloculação, com o uso de eletrodos não convencionais, remover óleo de uma emulsão sintética, observar se os parâmetros estabelecidos pela legislação ambiental vigente (CONAMA N° 430/2011) foram respeitados durante o processo e, por fim, é desejado avaliar em qual matéria eletrolítico (aço inox, latão de cobre e aço galvanizado) o processo foi mais eficiente.
2 Objetivos
2.1 Objetivo geral Analisar a eficiência do processo de eletrofloculação no tratamento de efluentes oleosos utilizando eletrodos constituídos de diferentes materiais (alumínio, ferro, latão e aço inox). 2.2 Objetivos específicos
- Obter a melhor condição experimental (tempo de inversão e vazão fixa de 2 mL/s) para eletrodos de alumínio e comparar utilizando eletrodos (ferro, latão e aço inox) nas mesmas condições experimentais realizadas para os eletrodos de alumínio;
Programa Institucional de Iniciação Científica Relatório Final de Pesquisa Engenharias 2017), que apresentaram uma redução de 38% da demanda química de oxigênio (DQO) quando utilizado para o tratamento de águas de uma indústria de bebidas; Níquel, que conforme (WANG et al., 2020), foi capaz de remover Cr (VI) em águas residuais; Magnésio que pode remover ferro em água potável (VASUDEVAN et al., 2009) e Zinco que, segundo (HUSSIN et al., 2017) pode ser aplicado na remoção de chumbo. A escolha dos materiais que compõem os eletrodos, bem como a otimização das condições operacionais, exige estudos avançados para determinar a eficácia do processo de eletrofloculação. Dessa forma, o presente estudo visa comparar a eficiência do processo de eletrofloculação comparando-se eletrodos de alumínio, ferro, latão e aço inox e galvanizado para remover óleo de efluentes oleosos emulsionados em água (emulsões do tipo O/A).
4 Metodologia
4 .1 Preparo da emulsão oleosa sintética A produção das amostras de emulsão oleosa sintética, em escala laboratorial, tem como elemento principal o óleo de motor semissintético 15W-40 da marca Havoline®. Para o preparo da emulsão, foi pesado 3g de massa de óleo, 0,3 g de emulsificante TWEEN 80 e 3,5 g de cloreto de sódio em um recipiente com a altura e diâmetro equivalentes. Por continuidade, adicionou-se 15 L de água destilada e com a finalidade de obter a emulsão óleo/água (O/A), utilizou-se o agitador Ultra Turrax da marca IKA, modelo T50, com velocidade de rotação de 8.800 rpm. A emulsão foi agitada continuamente em intervalos de 7 minutos, a fim de completar 3 ciclos de agitação e repouso. A quantidade de óleo, emulsificante e agitação tem como base o trabalho de (GOBBI, 2018) e a quantidade de cloreto de sódio a Resolução (CONAMA N° 357, 2005). 4 .2 Sistema operacional Os experimentos foram realizados em uma unidade de bancada composta por um tanque de alimentação retangular, um reator eletrolítico cilíndrico e um tanque de armazenamento retangular para o efluente tratado. O sistema foi operado em fluxo contínuo. Os tanques e o reator foram confeccionados em acrílico, para facilitar a visualização do processo. A Figura 1 detalha o desenho esquemático no qual serão realizados os experimentos. Figura 1 – Representação esquemática da bancada de eletrofloculação Fonte: Nascimento ( 2020 ).
Programa Institucional de Iniciação Científica Relatório Final de Pesquisa Engenharias Em que: (a) - Fonte de energia elétrica; (b) - Tanque de alimentação; (c) - Bomba; (d) - Inversor de polaridade; (e)
- Aparelho para conexão dos sensores de pH e temperatura; (f) - Reator de eletrofloculação; (g) - Tanque de armazenamento; (h) - Sensor de pH; (i) - Sensor de temperatura. Os eletrodos (Alumínio, aço galvanizado, latão e aço inox) possuíam formatos retangulares equitativamente espaçados. A configuração dos eletrodos é do tipo colmeia, composto por seis eletrodos, nos quais três ânodos e três cátodos arranjados paralelamente e disposto de forma alternada. As distâncias entre as placas foram mantidas fixas em 20 mm. No reator foi vinculado o inversor de polaridade que desempenhou a distribuição das intensidades de corrente, a fim de retardar o desgaste das placas. 4.3 Metodologia experimental O reator foi alimentado com a emulsão oleosa sintética. Em seguida, a fonte elétrica foi conectada ao conjunto das placas (ânodo e cátodo) que compõem os eletrodos. Uma vez alcançado o regime permanente, ligou-se a fonte de corrente contínua. Com auxílio de um cronômetro, alíquotas de aproximadamente 250 ml foram coletadas nos tempos (0 = in natura ; 5,0 min; 10 min; 15 min; 20 min; 25 min e 30 min). Estas alíquotas foram armazenadas em frascos e analisadas na sequência, após duas horas de repouso. 4.4 Metodologia analítica As amostras coletadas pelo processo de eletrofloculação são definidas ou caracterizadas pelas análises de teor de óleos e graxas (TOG), pH, condutividade elétrica e concentração de sólidos totais. As metodologias para essas análises estão descritas abaixo. 4.5 Teor de óleos e graxas (TOG) A determinação do TOG foi realizada pelo método colorimétrico 5520, adaptado do Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (APHA, 2005). Esta metodologia consiste em extrair a fase orgânica utilizando-se hexano como solvente. 4.6 Curva de calibração: Inicialmente, preparou-se uma solução padrão de óleo e hexano de 160 mg/L. Essa solução foi diluída sucessivas vezes em concentrações conhecidas. Cada solução foi transferida para uma cubeta de quartzo com 1 cm de caminho óptico. Em seguida, foi medida a absorbância de cada amostra diluída no espectrofotômetro da marca QUIMIS®, modelo 4802 UV/VIS Double Beam Spectrophotometer , com uma varredura, cujo comprimento de onda variou- se de 400 a 200 nm, em um passo de 1 nm. O procedimento foi realizado em duplicata. Desse modo, com os dados da absorbância em 277 nm, ajustou-se um modelo de regressão linear utilizando um software convencional para determinar curva de calibração do TOG (Figura 2).
Programa Institucional de Iniciação Científica Relatório Final de Pesquisa Engenharias %𝑇𝑂𝐺 = 𝑇𝑂𝐺𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙−𝑇𝑂𝐺𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑇𝑂𝐺𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙^.^100 (^2 ) Em que: 𝑇𝑂𝐺𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 representa a concentração de óleo presente na emulsão antes do processo e 𝑇𝑂𝐺𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 a concentração de óleo no final do processo. 4.8 pH, condutividade, concentração de sólidos totais e turbidez Os valores de pH, condutividade e concentração de sólidos (ppm) das amostras foram determinados utilizando-se um multiparâmetro da marca Hannah Instruments, modelo HI9811- 51. Para essas medições, mergulhou-se o eletrodo do equipamento nas alíquotas e aguardou-se a estabilização das medidas.
5 Resultados e Discussão
Os resultados obtidos quando utiliza eletrodos de alumínio para os tempos de inversão de polaridade (10, 20 e 30 s) e vazão de 2 mL/s encontram-se disponibilizados na Tabela 2. Verifica-se que à medida que se eleva o tempo de inversão (Ti), mantendo-se as placas equidistantes em 20 mm, eleva-se também o percentual de remoção de óleo. Logo, para avaliar qual placa é mais eficiente no processo de remoção de graxa, foi mantida a condição de Ti de 30 segundos. Além disso, a Tabela 1 demonstra os parâmetros medidos ao longo do processo. Tabela 1 – Parâmetros das alíquotas coletadas ao longo do processo Tempo (min) pH Cond ( 𝝁𝑺/𝒄𝒎) Sólidos Totais (ppm) Turbidez (NTU) 0 7,3 440 220 513 5 8,9 450 220 435 10 9,0 450 230 250 15 9,1 460 230 161 20 9,1 460 230 34, 25 9,2 460 230 38, 30 8,8 460 230 2, Fonte: Produção do próprio autor. Os dados da Tabela 1 aparecem duas vezes. A Tabela 2, por sua vez, retrata a Remoção de óleos para estes experimentos. Tabela 2 – %Remoção de óleo para eletrodos de alumínio Tempo de inversão (s) %Remoção (Exp 1) %Remoção (Exp 2) Média Desvio padrão 10 65,17 63,81 64,49 0, 20 69,08 74,43 71,75 3, 30 92,46 88,67 90,56 2, Fonte: Produção do próprio autor.
Programa Institucional de Iniciação Científica Relatório Final de Pesquisa Engenharias 5.1 Aço inox Abaixo segue a Tabela 3 , no qual são caracterizadas as variáveis de pH, Concentração de sólidos totais (CDS), condutividade e turbidez ao longo do processo. Tabela 3 – Experimento de Eletrofloculação com placas de Aço inox Tempo (min) pH Cond ( 𝝁𝑺/𝒄𝒎) Sólidos Totais (ppm) Turbidez (NTU) 0 6,2 450 230 465 5 6,7 470 230 145 10 6,9 460 230 62, 15 7,0 470 230 28, 20 7,0 460 230 18, 25 7,2 430 220 14, 30 7,0 470 230 13, Fonte: Autor. Abaixo segue a Tabela 4 , a qual representa a duplicada do processo para as placas de Aço inox. Tabela 4 – Duplicata do processo de Eletrocoagulação Tempo (min) pH Cond ( 𝝁𝑺/𝒄𝒎) Sólidos Totais (ppm) Turbidez (NTU) 0 6,4 560 280 579 5 6,6 510 250 110 10 6,7 490 250 38, 15 7,0 490 250 23, 20 7,4 480 240 22, 25 7,5 440 220 11, 30 7,7 470 240 14, Fonte: Autor. As tabelas evidenciam significativa diminuição da cor da emulsão (Turbidez), indicando que o óleo presente foi removido ao longo do tempo, além disso, demonstram que o pH se elevou ao longo do processo. As propriedades de condutividade e concentração de sólidos mantiveram-se constantes ou diminuíram sutilmente, indicando que durante as etapas de coagulação e flotação, o sal presente na emulsão era consumido enquanto os íons metálicos eram liberados. A Figura 3 representa a espuma rica em óleo e metais liberados da placa, ao final do procedimento de eletrocoagulação.
Programa Institucional de Iniciação Científica Relatório Final de Pesquisa Engenharias 5.2 Latão de Cobre As tabelas 5 e 6 retratam as mesmas propriedades analisadas para o Aço inox, entretanto, o material utilizado para construir os eletrodos foram de Latão de Cobre. Tabela 5 – Experimento de Eletrofloculação com placas de Latão de Cobre Tempo (min) pH Cond ( 𝝁𝑺/𝒄𝒎) Sólidos Totais (ppm) Turbidez (NTU) 0 7,7 460 230 502 5 8,4 470 230 463 10 8,8 460 230 333 15 9,0 450 230 253 20 9,1 460 230 152 25 9,0 460 230 103 30 8,8 480 240 83, Fonte: Autor. Tabela 6 – Duplicata do processo Tempo (min) pH Cond ( 𝝁𝑺/𝒄𝒎) Sólidos Totais (ppm) Turbidez (NTU) 0 8,0 470 230 587 5 8,7 470 240 531 10 9,0 480 240 437 15 8,9 480 240 300 20 9,0 490 250 79, 25 9,1 490 240 51, 30 9,2 520 260 41, Fonte: Autor. Tais dados demonstram que ocorreu significativa elevação do pH, ultrapassando o previsto por normas ambientais. Todavia, é válido mencionar que o processo removeu óleo de forma efetiva, já que a Turbidez foi reduzida e a Condutividade permaneceu constante. Abaixo segue a Figura 6, no qual retrata o lodo liberado ao longo do processo.
Programa Institucional de Iniciação Científica Relatório Final de Pesquisa Engenharias Figura 6 – Espuma ao final do processo Fonte: Autor. A Figura 7 retrata as alíquotas, da esquerda para direita os tempos 0,5,10,15,20,25 e 30 minutos, após o tempo previsto de 2 horas de repouso. Figura 7 – Alíquotas do experimento de Latão de Cobre Fonte: Autor. A imagem demonstra visualmente que o processo foi efetivo na remoção de óleo, porém, é observado metais esverdeados ao fundo das amostras. Tais componentes necessitam de análises minuciosas para descobrir sua composição e se ela é contaminante nos corpos hídricos. 5.3 Aço Galvanizado Abaixo seguem as Tabelas 7 e 8 que representam as variáveis estudadas, ao longo do processo, com placas de aço galvanizado.
Programa Institucional de Iniciação Científica Relatório Final de Pesquisa Engenharias Figura 8 – Lodo do processo de eletrofloculação com placas de aço galvanizado Fonte: O autor. Figura 9 – Amostras da operação Fonte: Autor. As alíquotas comprovam que o metal liberado ao longo do processo é sedimentado após a etapa de decantação, assim, podendo ser facilmente removidos por filtração. 5.4 TOG Com a finalidade de comparar a eficiência de remoção de óleo das placas, segue a Tabela 9. Tabela 9 – %Remoção de óleo e graxas dos experimentos Tipo de placa Experimento 1 (TOG) Duplicata (TOG) Média Desvio padrão Aço inox 92,20 91,96 92,08 0, Aço Galvanizado 79,59 88,30 83,94 6, Latão de Cobre 24,21 41,70 32,95 12. Fonte: Autor. Os experimentos de aço inox e aço galvanizado apresentarem remoção de óleo extremamente eficaz, o melhor tipo de eletrodo é o de aço inox, conforme verificado na Tabela 9. Ademais, é observado que as placas de latão de cobre apresentaram TOG inferior que o desejado, para a metodologia de análise utilizada neste trabalho.
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6 Conclusões
Ao final dos experimentos e das análises de dados é válido concluir e mencionar que foram alcançados dados satisfatórios para os eletrodos de aço inox e aço galvanizado, já que ambos foram capazes de remover quantidade significativa de óleo de uma emulsão sintética (acima de 80%). Entretanto, ao analisar os eletrodos de latão de cobre conclui-se que a remoção de óleo foi menor que o esperado, este acontecimento possivelmente ocorreu em virtude dos metais liberados ao longo do processo que porventura influenciaram na metodologia de análise pelo UV-VIS. Além disso, conclui-se que todas as placas apresentarem menor TOG que o melhor experimento das placas referências de alumínio (92,46%). Os valores de pH encontrado nos experimentos apresentaram variação significativa, porém estiveram próximos ao limite estipulado pela legislação ambiental vigente (5,0-9,0), onde os experimentos com o latão foram os que estiveram no limite de tolerância. Por fim, sugere-se que estudos da quantidade de metais liberador por eletrodos não convencionais sejam efetuados, para assegurar que estes metais apresentam concentração insignificante no ecossistema. Outrossim, estudos dos desgastes dessas placas podem ser efetuados, bem como o gasto energético no processo, assim, é possível identificar quais placas podem ser reaproveitadas e mais bem aplicadas no meio industrial.
Referências Bibliográficas
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