APLICAÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR AO
TRATAMENTO DE ÁGUAS E
EFLUENTES INDUSTRIAIS
FOTOCATÁLISE
SOLAR
TiO2
FOTOCATÁLISE
DE COMPOSTOS
BIODEGRADABILIDADE
TOXICIDADE
R&D
FOTO-FENTON
BIOTRATAMENTO
RECALCITRANTES
OPTIMIZAÇÃO
INVESTIGADORES: VÍTOR JORGE PAIS VILAR
RUI ALFREDO DA ROCHA BOAVENTURA
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
09 MAY 2008
CONTEÚDOS
RADIAÇÃO SOLAR
PROCESSOS E APLICAÇÕES DA RADIAÇÃO SOLAR
FOTOCATÁLISE SOLAR
– HETEROGÉNEA (TiO2)
– HOMOGÉNEA (FOTO-FENTON)
COLECTORES SOLARES
– COLECTORES CONCENTRADORES PARABÓLICOS
– COLECTORES NÃO-CONCENTRADORES
– COLECTORES PARABÓLICOS COMPOSTOS
PROJECTOS
– PROJECTO SOLÁGUA
– PROJECTO FOTOSOLAR
CONCLUSÕES
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
2
RADIAÇÃO SOLAR EM PORTUGAL
INSOLAÇÃO MÉDIA ANUAL
RADIAÇÃO GLOBAL MÉDIA ANUAL
PORTO – 2458 h; 14.7 MJ/m2
LISBOA – 2581; 16.3 MJ/m2
ÉVORA – 2732; 16.8 MJ/m2
FARO – 2974; 17.0 MJ/m2
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
3
RADIAÇÃO SOLAR NA EUROPA
PORTUGAL, A PAR DA GRÉCIA
E ESPANHA, É DOS PAÍSES
COM MAIOR POTENCIAL DE
APROVEITAMENTO DE
ENERGIA SOLAR NA EUROPA
COM MAIS DE 2300 HORAS/ANO
DE INSOLAÇÃO NA REGIÃO
NORTE E 3000 NO ALGARVE,
PORTUGAL DISPÕE DE UMA
SITUAÇÃO PRIVILEGIADA PARA
O APROVEITAMENTO DA
ENERGIA SOLAR
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
4
PROCESSOS E APLICAÇÕES DA RADIAÇÃO SOLAR
DESINFECÇÃO
SOLAR DE ÁGUA
DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
FOTOCATÁLISE SOLAR
DESSALINIZAÇÃO
DE ÁGUA DO MAR
AR
ÁGUA
RECURSOS RENOVÁVEIS
RADIAÇÃO
SOLAR
3.5% -
PRODUÇÃO DE ENERGIA
DESSALINIZAÇÃO
DE ÁGUA DO MAR
8%
RADIAÇÃO UV
DESTOXIFICAÇÃO DESINFECÇÃO
DE EFLUENTES
DE ÁGUA
FOTOCATÁLISE SOLAR
DESTOXIFICAÇÃO
DE AR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
5
PROCESSOS DE OXIDAÇÃO AVANÇADOS
H2O2/O3/UV
H2O2/UV
O3/UV

OH
TiO2/UV
H2O2/O3
PROCESSOS
FOTOCATALÍTICOS
FOTOCATÁLISE
SOLAR
Fe3+/H2O2/UV
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
6
FOTOCATÁLISE SOLAR
UV/TiO2


TiO 2  h  TiO 2 e  h
 


ad


Material

ad
TiO 2 h  OH  TiO 2  OH
SnO 2
ZnS
ZnO
TiO2
WO3
CdS
GaP
Fe2O 3
CdO
Gradiente
Energético (eV)
3.9
3.7
3.2
3.0
2.8
2.5
2.3
2.2
2.1
 para a Formação
- +
de e /h (nm)
318
336
380
390
443
497
540
565
590
RESISTÊNCIA QUÍMICA
RESISTÊNCIA À FOTOCORROSÃO
SEGURANÇA NO MANUSEAMENTO
BAIXO CUSTO
 < 390 nm (RADIAÇÃO SOLAR)
FOTOCATÁLISE SOLAR
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7
FOTOCATÁLISE SOLAR
HOMOGÉNEA
Fe 2 (FOTO-FENTON)
 H2O2  Fe 3  OH  OH
UV/Fe3+/H2O2
Fe
3
h
 H2O Fe
2


 H  OH
FOTO-FENTON
VANTAGENS
VELOCIDADE DE REACÇÃO ELEVADA
BARATO, REAGENTES NÃO TÓXICOS
(Fe, H2O2, ÁCIDO, BASE)
 < 580 nm (RADIAÇÃO SOLAR)
DESVANTAGENS
AJUSTE DO pH (2.6-2.8)
REMOÇÃO DO FERRO
COMPLEXOS PERSISTENTES COM O
FERRO LEVAM À PARAGEM DA REACÇÃO
FOTOCATÁLISE SOLAR
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8
COLECTORES SOLARES
COLECTOR
CONCENTRADOR
PARABÓLICO
COLECTOR NÃOCONCENTRADOR
FOTOCATÁLISE SOLAR
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9
COLECTOR PARABÓLICO COMPOSTO
VANTAGENS PRINCIPAIS:
FACTOR DE CONCENTRAÇÃO = 1 (1 SOL CPC)
CONDIÇÕES DE ESCOAMENTO TURBULENTO
NENHUM SISTEMA DE PROCURA SOLAR
RADIAÇÃO DIRECTA E DIFUSA
BAIXO CUSTO
INEXISTÊNCIA DE CONTAMINAÇÃO
CATALISADORES SUPORTADOS
RESISTÊNCIA ÀS CONDIÇÕES ATMOSFÉRICAS
INEXISTÊNCIA DE SUPERAQUECIMENTO
EFICIÊNCIA ÓPTICA ELEVADA
REDIMENTO QUÂNTICO ELEVADO
FOTOCATÁLISE SOLAR
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10
COLECTORES PARABÓLICOS COMPOSTOS
RADIAÇÃO DIRECTA E DIFUSA
SUPERFÍCIE
REFLECTORA
FOTOREACTOR
FOTOCATÁLISE SOLAR
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11
COLECTOR PARABÓLICO COMPOSTO
SUPERFÍCIE REFLECTORA
ELEVADA REFLECTIVIDADE NA GAMA UV
DURABILIDADE ACEITÁVEL AO AR LIVRE
CUSTO RAZOÁVEL
ALUMÍNIO ANODIZADO
ELECTROPOLIDO
FILMES DE PLÁSTICO COM
REVESTIMENTO DE ALUMÍNIO
REACTOR FOTOCATALÍTICO
DEVE CONTER O CATALISADOR
CONFIGURAÇÃO TUBULAR
TRANSPARENTE À RADIAÇÃO UV
RESISTENTE À RADIAÇÃO UV
RESISTENTE A TEMPERATURAS MODERADAS E pH
ÁCIDO
FLUOROPOLÍMEROS
POLÍMEROS ACRÍLICOS
QUEDA DE PRESSÃO MÍNIMA AO LONGO DO SISTEMA VIDRO DE BOROSSILICATO
CUSTOS RAZOÁVEIS E DURABILIDADE
FOTOCATÁLISE SOLAR
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12
PROJECTOS
PROJECTO SOLÁGUA
– DESINFECÇÃO SOLAR DE ÁGUA POR FOTOCATÁLISE SOLAR
USANDO COLECTORES PARABÓLICOS COMPOSTOS
– PROJECTO FINANCIADO PELA EMPRESA ÁGUAS DO DOURO E
PAIVA
PROJECTO FOTOSOLAR
– DESTOXIFICAÇÃO DE EFLUENTES E PRÉ-TRATAMENTO DE
ÁGUAS POR FOTOCATÁLISE SOLAR
– PROJECTO FINANCIADO PELA EMPRESA EFACEC AMBIENTE
FOTOCATÁLISE SOLAR
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13
Desinfecção de Água por Fotocatálise Solar
PROJECTO SOLÁGUA
RADIÓMETRO UV
CÉLULA
QUADRO
FOTOVOLTAICA
ELÉCTRICO
35 W
VÁLVULASTANQUE DE
RECIRCULAÇÃO
BATERIA
BATERIA
TANQUE DE
RECIRCULAÇÃO
BOMBA
COLECTOR PARABÓLICO COMPOSTO
0.6 m2; V = 20 L; QMAX = 15 L/min
COLECTOR DE
AMOSTRAS
INSTALAÇÃO PILOTO
SOLÁGUA
FOTOCATÁLISE SOLAR
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14
PROJECTO SOLÁGUA
TIO2 SUSPENSO
CÉLULA
TANQUE DE
FOTOVOLTAICA
RECIRCULAÇÃO
RADIÓMETRO
COLECTOR
PARABÓLICO
COMPOSTO
ÁGUA
LIMPA
TIO2 IMOBILIZADO
MATRIZ DE PAPEL NW10
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
15
Desinfecção de Água por Fotocatálise Solar
PROJECTO SOLÁGUA
FOTÓLISE
E. coli
• [Ci] = 103 UFC/mL  2 kJ/L
• [Ci] = 104 UFC/mL  4 kJ/L
• [Ci] = 105 UFC/mL  7 kJ/L
Enterococcus
• [Ci] = 103 UFC/mL  15 kJ/L
• [Ci] = 104 UFC/mL  30 kJ/L
• [Ci] = 105 UFC/mL  35 kJ/L
FOTOCATÁLISE
TIO2 EM SUSPENSÃO
BASTANTE EFICAZ
1 kJUV/L ( 10 MIN)
REDUÇÃO 4 LOG PARA E. coli
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
16
PROJECTO FOTOSOLAR
RADIÓMETRO UV
TANQUE DE
CONDICIONAMENTO
COLECTORES PARABÓLICOS
COMPOSTOS (4.4 m2)
INSTALAÇÃO PILOTO
FOTOSOLAR
FOTOCATÁLISE SOLAR
TANQUES DE
RECIRCULAÇÃO
REACTOR DE
BIOMASSA
IMOBILIZADA
QUADRO
ELÉCTRICO
TANQUE DE
SEDIMENTAÇÃO
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
17
PROJECTO FOTOSOLAR
AJUSTE DO pH
ÁGUA RESIDUAL
Fe < 0.5 mg/L
ÁGUA LIMPA
TANQUE DE
SEDIMENTAÇÃO
TANQUE DE
RECIRCULAÇÃO
SUSPENSÃO
DE Fe
ADIÇÃO
DE H2O2
ADIÇÃO
DE Fe
ADIÇÃO
DE H2SO4
pH ~ 2.8
MINERALIZAÇÃO DA
ÁGUA
CONTAMINADA
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
18
PROJECTO FOTOSOLAR
AJUSTE DO pH
TANQUE DE
ARMAZENAMENTO
CONTROLO
DO pH
Fe < 0.5 mg/L
BASE
TANQUE DE
SEDIMENTAÇÃO
TANQUE DE
RECIRCULAÇÃO
ÁCIDO
TANQUE DE
CONDICIONAMENTO
CONTROLO DE
OD
ENTRADA
DE H2O2
SUSPENSÃO
DE Fe
ÁGUA
LIMPA
INJECÇÃO DE AR
ENTRADA
DE Fe
ENTRADA
DE H2SO4
REACTOR DE BIOMASSA
IMOBILIZADA
pH ~ 2.8
FOTOTRATAMENTO
EFLUENTE
BIODEGRADÁVEL
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
19
COMBINAÇÃO DA FOTOCATÁLISE SOLAR COM TRATAMENTO BIOLÓGICO
O TEMPO DE FOTOTRATAMENTO DEVE SER O SUFICIENTE PARA OBTER UMA
ELEVADA EFICIÊNCIA NO TRATAMENTO BIOLÓGICO
DIMINUIÇÃO DO TEMPO
DE FOTOTRATAMENTO
REDUÇÃO DA ÁREA DA
INSTALAÇÃO
REDUÇÃO DOS CUSTOS
AUMENTO DA EFICIÊNCIA
GLOBAL DO PROCESSO
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
20
TRATAMENTO DE LIXIVIADOS DE UM ATERRO SANITÁRIO PELA REACÇÃO
FOTO-FENTON
LIXIVIADO BRUTO
LIXIVIADO APÓS UM DIA DE
EXPOSIÇÃO SOLAR
LIXIVIADO APÓS MEIO DIA
DE EXPOSIÇÃO SOLAR
FOTOCATÁLISE SOLAR
LIXIVIADO BRUTO
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
21
TRATAMENTO DE LIXIVIADOS DE UM ATERRO SANITÁRIO PELA
REACÇÃO FOTO-FENTON
110
DOC
OUR
Polyphenols
Abs. 254 nm
100
90
80
DOC (mg/L)
700
70
600
60
500
50
400
40
300
30
200
20
100
10
0
12
10
8
6
0
0
40
80
120
160
200
240
4
0.8
0.6
0.4
0.2
Absorbance 254 nm (dil. 1:25)
800
1.0
-3
900
14
OUR (mol O2/(mol C x h)) x 10
RAD-ON
Polyphenols (mg caffeic acid/L)
1000
CONDIÇÕES ÓPTIMAS DE FOTOTRATAMENTO
• 70 kJUV/L
• 120 mM H2O2 CONSUMIDO
• CODFINAL = 333 mg/L
• 56% MINERALIZAÇÃO DOS LIXIVIADOS
0.0
280
H2O2 consumed (mM)
3600
4
RAD-ON
3200
DOC
COD
AOS
2
2400
1
2000
0
1600
AOS
DOC, COD (mg/L)
2800
3
-1
1200
-2
800
-3
400
0
-4
0
40
80
120
160
200
240
280
H2O2 consumed (mM)
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
22
TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS DA COZEDURA DA CORTIÇA
PELA REACÇÃO FOTO-FENTON
EFLUENTE
BRUTO
EFLUENTE APÓS 1 DIA DE
EXPOSIÇÃO SOLAR
EFLUENTE APÓS 2 DIAS DE
EXPOSIÇÃO SOLAR
EVOLUÇÃO DA COR AO
LONGO DO
FOTOTRATAMENTO
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
23
TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS DA COZEDURA DA CORTIÇA
PELA REACÇÃO FOTO-FENTON
EFLUENTE
BRUTO
EFLUENTE APÓS 2 DIAS DE
EXPOSIÇÃO SOLAR
1 TANQUE DE RECIRCULAÇÃO (300 L); 1 BOMBA DE RECIRCULAÇÃO (20 L/min)
7 UNIDADES DE CPCs; 16 TUBOS DE VIDRO DE BOROSSILICATO
ÁREA DOS CPCs = 15.0 m2; Vt = 300 L; Vi = 110 L; Vi/Vt = 0.37; di = 30 mm
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
24
TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS DA INDÚSTRIA DA CORTIÇA
PELA REACÇÃO FOTO-FENTON
600
30
100
RAD-ON
40
DOC
Fe
H2O2 cons.
20
Abs 254 nm
200
100
0.3
0.2
0.1
20
• 15 kJUV/L
15
10
• 33 mM H2O2 CONSUMIDO
• CODFINAL = 300 mg/L (CODINICIAL = 777 mg/L)
• 49% MINERALIZAÇÃO DA ÁGUA DE LAVAGEM
5
H2O2 cons.
0
0
0
10
20
30
0.0
Abs 254 nm
DOC
2200
0
Fe
400
24
RAD-ON
40
2.4
2000
QUV (kJ/L)
350
1600
2.0
CONDIÇÕES ÓPTIMAS DE FOTOTRATAMENTO
1200
• 114 kJUV/L
• 151 mM H2O2 CONSUMIDO
• CODFINAL = 1130 mg/L (CODINICIAL = 1748 mg/L)
250
200
800
150
3
100
2
400
50
• 48% MINERALIZAÇÃO DA ÁGUA DE
1.6
1.2
0.8
0.4
16
12
8
4
1
0
COZEDURA DA CORTIÇA
H2O2 consumed (mM)
300
20
0
0
50
100
150
200
0.0
0
250
QUV (kJ/L)
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
25
Fe (mg/L)
300
CONDIÇÕES ÓPTIMAS DE FOTOTRATAMENTO
Absorbance 254 nm (dil. 1:25)
60
0.4
25
DOC (mg/L)
DOC (mg/L)
400
H2O2 consumed (mM)
80
Fe (mg/L)
500
Absorbance 254 nm (dil. 1:25)
0.5
CONCLUSÕES
O PROCESSO FOTOCATALÍTICO APENAS FAZ SENTIDO PARA O TRATAMENTO DE
POLUENTES RECALCITRANTES;
A COMBINAÇÃO DA FOTOCATÁLISE SOLAR COM O BIOTRATAMENTO PERMITE
OBTER UM SISTEMA EFICIENTE E BARATO.
A DESTOXIFICAÇÃO SOLAR É UM VERDADEIRO PROCESSO DE TRATAMENTO,
ENQUANTO QUE OS OUTROS SÃO APENAS TECNOLOGIAS DE SEPARAÇÃO DA
CONTAMINAÇÃO.
A DESTOXIFICAÇÃO SOLAR APRESENTA ALGUMAS VANTAGENS:
 A UTILIZAÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR COMO FONTE DE FOTÕES, O QUE
SIGNIFICA QUE É UMA TECNOLOGIA LIMPA;
 O PROCESSO PODE SER HETEROGÉNEO (TiO2) OU HOMOGÉNEO (FOTOFENTON), COM A POSSIBILIDADE DE OBTER DIFERENTES REACÇÕES QUÍMICAS
E INTERACÇÕES DE SUPERFÍCIE NÃO DISPONÍVEIS EM OUTROS SISTEMAS DE
TRATAMENTO;
 PODE OPERAR EM FASE LÍQUIDA OU GASOSA EM CONTRASTE COM OUTROS
PROCESSOS, COMO A OXIDAÇÃO COM OZONO OU PERÓXIDO DE HIDROGÉNIO,
OS QUAIS SÃO APLICADOS GERALMENTE EM FASE LÍQUIDA;
 A DESTOXIFICAÇÃO SOLAR É UMA TECNOLOGIA MODULADA POSSIBILITANDO
A FLEXIBILIDADE DO SISTEMA, O QUE É IMPORTANTE QUANDO SE PRETENDE
TRATAR CAUDAIS MODERADOS OU BAIXOS.
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
26
1
AGRADECIMENTOS
SUPERVISORES
− DOUTOR RUI ALFREDO DA ROCHA BOAVENTURA (LSRE-FEUP)
− DOUTOR MANUEL IGNACIO MALDONADO (CIEMAT-PSA)
MEIOS DISPONIBILIZADOS E SUPORTE TÉCNICO
− FEUP (FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO)
− LSRE (LABORATÓRIO DE PROCESSOS DE SEPARAÇÃO E REACÇÃO)
− PSA (PLATAFORMA SOLAR DE ALMERIA)
− AdDP (ÁGUAS DO DOURO E PAIVA)
− EFACEC AMBIENTE
– FCT (FUNDAÇÃO PARA A CIÊNCIA E A TECNOLOGIA)
– BOLSA DE PÓS-DOC (REF.ª SFRH/BPD/34184/2006)
FOTOCATÁLISE SOLAR
VÍTOR JORGE PAIS VILAR
27