Desenvolvimento de suportes poliméricos para a imobilização de fotocatalisadores para aplicação ambiental

Abstract

Os métodos convencionais utilizados nas estações de tratamento de água não são eficazes para remover contaminantes de carater emergentes, sendo que faz parte desses contaminantes um conjunto de compostos orgânicos, que são conhecidos por parabenos. Neste trabalho estudou-se um método de processos avançados de oxidação, a fotocatálise, para tratar 3 tipos mais comumente usado de parabenos que são: o metil, o etil e o propilparabeno. Nesta dissertação foi utilizado como catalisador o dióxido de titânio (TiO2) suportado em um material de base silicone o polidimetilsiloxano (PDMS). Para fixar o TiO2 na superfície polimérica utilizou-se a técnica de descarga de plasma a frio para tornar a superfície hidrofílica seguida de irradiação ultravioleta (UV) para fixar o catalisador nesta superfície. Foi primeiramente testado o efeito do tempo de exposição à radiação UV na fixação do catalisador, sendo analisados os tempos de 15, 30, 60, 90 e 120min tendo como melhor tempo os 60 min. Definida a técnica que seria usada para a fixação do catalisador, estudou-se o efeito da carga do catalisador no processo de fotodegradação, utilizando as concentrações de 70, 140, 280, 1000 e 10000mg/L. Analisando os resultados da percentagem de remoção dos parabenos através da fotocatálise com radiação solar chegou-se à conclusão de que a melhor concentração de catalisador era de 140 mg/L.Foram testados alguns fatores como a adsorção dos parabenos pela membrana, uma vez que isso poderia interferir nos resultados da fotocatálise, porém verificou-se que este processo não ocorre, tal como o processo da fotólise dos parabenos que é negligenciável. Também foi testado o dióxido de titânio não suportado de modo a analisar a eficiência do processo, tendo que o facto de imobilizar o catalisador melhora a sua aplicabilidade industrial, mas resulta numa perda de eficiência na fotodegradação. Outro parâmetro que influenciou na eficiência da fotocatálise foi o fluxo de fotões, verificando que nos dias em que esse valor era mais alto, o que ocorreu no final do Verão, a degradação foi mais eficaz, que no início do Outono. Também se utilizou uma lâmpada que emite radiação UVA que é a possivelmente a radiação mais responsável pelo processo de degradação. Os resultados obtidos com a radiação da luz solar foram melhores do que aqueles com a lâmpada uma vez que a potência UVA da lâmpada era inferior a potência que sol emite. Todos os resultados analisados na etapa da fotodegradação foram obtidos através da técnica de cromatografia líquida de alta-eficiência (HPLC). Caracterizou-se também a superfície da membrana e através das imagens do Microscópica eletrônica de varrimento (SEM) e espectroscopia de dispersão em energia (EDS), verificou-se a formação de aglomerados e também que a distribuição do catalisador na membrana não é uniforme. Ambos os fatores são prejudiciais ao processo da fotodegradação. Por último realizou-se uma análise do efeito da remoção dos parabenos no crescimento de uma bactéria Aliivibrio fischeri, de modo a analisar a toxicidade das amostras. Mostrou-se que a solução de parabenos é toxica ao longo do tempo e que o processo de degradação pode produzir produtos secundários que aumentam a taxa de inibição da bactéria.

The conventional methods used in wastewater treatment plants are not effective for removing contaminants of emerging concern, and part of these contaminants is a set of compounds, which are known as parabens. This work studied an advanced oxidation process, the photocatalysis, to treat the 3 most used types of parabens, which are: methyl, ethyl and propylparaben.In this dissertation, titanium dioxide (TiO2) supported on a silicone polydimethylsiloxane (PDMS) was used as catalyst. To fix TiO2 on the polymeric surface, the cold plasma discharge technique was used to make the surface hydrophilic followed by ultraviolet (UV) irradiation to fix the catalyst on this surface.It was firstly tested the effect of the exposure time to UV radiation for the catalyst supporting, analyzing the times of 15, 30, 60, 90 and 120 min which reveal that the best time was 60 min. Having defined the technique that would be used to fix the catalyst, the effect of the catalyst load on the photodegradation process was studied, using concentrations of 70, 140, 280, 1000 and 10000 mg/L. Analyzing the results of the percentage of removal of parabens, it was concluded that the best catalyst load was 140 mg/L.Some factors were tested, such as the adsorption of parabens on the membrane, since this could interfere with the photocatalysis results. However, it was found that this process does not occur, such as the process of photolysis of parabens that is negligible. Powdered titanium dioxide was also tested in order to analyze the efficiency of the process. In fact, catalyst immobilized improves its industrial applicability but results reveal a loss of efficiency in the photodegradation.Another parameter that influenced the efficiency of the photocatalysis is the photon flux, verifying that on the days when this value was higher, which occurred in the summer, the degradation was better, than the beginning of autumn. A lamp that emits UVA radiation was also used, which is the radiation responsible for the degradation process. The results obtained with sunlight radiation were better than those with the lamp, since the UVA power of the lamp was lower than the photon flux emitted by sunlight radiation. All the results analyzed in the photodegration stage were obtained using the high-performance liquid chromatography (HPLC) technique.The characterization of the membrane surface was made through scanning electron microscopic (SEM) and energy dispersion spectroscopy (EDS). Considering the results, the formation of agglomerates was verified and the distribution of the catalyst at the membrane is not uniform and these factors are harmful to the photodegradation process.Finally, an analysis of the effect of removing parabens on the luminescence inhibition of an Aliivibrio fischeri bacterium was carried out, to analyze the toxicity of the treated samples. It has been shown that the parabens solution is toxic over time and that the degradation process can produce side products that increase the rate of inhibition of the bacteria.