Desenvolvimento de catalisadores a partir de materiais residuais para aplicação nos processos Fenton

Abstract

O processo de Fenton e suas variantes (e.g., foto-Fenton) é um processo de oxidação avançado (POA) que surge no seguimento do aparecimento de compostos complexos, como os compostos orgânicos halogenados adsorvíveis (AOX), em águas residuais domésticas e nos efluentes produzidos pelas indústrias, e na urgente procura pela sua correta degradação. Associados a estes POA estão os consumos de químicos, nomeadamente, peróxido de hidrogénio (H2O2, oxidante) e iões ferrosos (Fe2+,catalisador), e também de energia (sobretudo no foto-Fenton), condicionando uma aplicação industrial mais ampla. Este trabalho tem como principal objetivo a substituição, total ou parcial, do catalisador de ferro (virgem), convencionalmente usado, por materiais residuais ricos em ferro, e avaliar a capacidade catalítica dos mesmos quando aplicados nos processos Fenton para remoção de AOX do efluente da etapa de branqueamento (D0) de uma indústria da pasta e papel. Foram selecionados 6 materiais residuais sólidos como potenciais candidatos à catálise dos processos de Fenton, sendo o pó de ferro aquele que apresentou resultados mais promissores, foi estudado em três variantes do processo de Fenton, i.e, “Fenton homogéneo”, “foto-Fenton homogéneo” e “Fenton heterogéneo”. A substituição da fonte de ferro (virgem) pelo pó de ferro, implicou a existência de uma etapa de lixiviação numa razão lixiviante/sólido (L/S) de 10 L/kg, por um tempo de 10 minutos, a montante da etapa de reação (ou tratamento), cujo lixiviante é precisamente o efluente (D0) que se pretende tratar. A remoção global de AOX nos processos de “Fenton homogéneo”, “foto-Fenton homogéneo” e “Fenton heterogéneo”, por um tempo de tratamento de 10 minutos, foi de 65 %, 74 % e 81 %, respetivamente. Nos processos “Fenton convencionais” a remoção global AOX foi, respetivamente, 92 % e 85 % nos ensaios de Fenton com ferro no estado de oxidação 2+ e 3+, por sua vez nos ensaios foto-Fenton foi de 96 % e 88 %, com ferro no estado de oxidação 2+ e 3+, respetivamente. Estudada a reutilização do pó de ferro com o efluente D0_5, numa razão (L/S)=100 L/kg, por 5 ciclos de lixiviação sucessivos, verificou-se uma remoção média de AOX no final do processo Fenton de 58%. Ao longo dos ensaios experimentais houve a necessidade de utilizar diferentes lotes, quer de pó de ferro quer de efluente D0, tendo comprovado que o lote de efluente D0 é determinante na quantidade de ferro mobilizado para o lixiviante. A estimativa dos custos operacionais dos processos “Fenton modificados” foi inferior quando comparada com os processos “ Fenton convencionais”. Nos processos “Fenton modificados” o custo estimado foi de 65 [€/m3 efluente tratado] já no processo “foto-Fenton homogéneo” foi de 69 [€/m3 efluente tratado]. Apesar de se tratar de um trabalho exploratório, os resultados obtidos foram animadores, além disso, permitem um alinhamento com os princípios de uma economia circular, uma vez que está a ser valorizado um resíduo (pó de ferro).

The Fenton process and its variants (eg, photo-Fenton) is an advanced oxidation process (POA) that follows the appearance of complex compounds, such as adsorbable halogenated organic compounds (AOX), in domestic wastewater and in effluents produced by the industries, and in the urgent search for their correct degradation. Associated with these POA are the consumption of chemicals, namely, hydrogen peroxide (H2O2, oxidizer) and ferrous ions (Fe2 +, catalyst), and also energy (especially in photo-Fenton), conditioning a broader industrial application. This work has as main objective the replacement, total or partial, of the iron catalyst (virgin), conventionally used, by residual materials rich in iron, and to evaluate their catalytic capacity when applied in the Fenton processes to remove AOX from the effluent of the bleaching stage (D0) of a pulp and paper industry. Six solid residual materials were selected as potential candidates for the catalysis of Fenton's processes, with iron powder being the one with the most promising results, it was studied in the three variants of the Fenton process, i.e, “homogeneous Fenton”, “homogeneous photo-Fenton” and "Heterogeneous Fenton". The replacement of the source of iron (virgin) by iron powder, implied the existence of a leaching step in a leaching/solid ratio (L/S) of 10 L/kg, for a time of 10 minutes, upstream of the reaction (or treatment), whose leacher is precisely the effluent (D0) to be treated. The overall removal of AOX in the “homogeneous Fenton”, “homogeneous photo-Fenton” and “heterogeneous Fenton” processes, for a treatment time of 10 minutes, was 65%, 74% and 81%, respectively. In the “conventional Fenton” processes, the overall AOX removal was, respectively, 92% and 85% in the Fenton tests with iron in the oxidation state 2+ and 3+ , in turn in the photo-Fenton tests it was 96% and 88% , with iron in the oxidation state 2+ and 3+, respectively. Studied the reuse of iron powder with effluent D0_5, in a ratio (L/S) = 100 L / kg, for 5 successive leach cycles, there was an average removal of AOX at the end of the Fenton process of 58%. Throughout the experimental tests there was a need to use different batches, either of iron powder or D0 effluent, having proved that the batch of effluent D0 is determinant in the amount of iron mobilized for the leacher. The estimated operating costs of the “modified Fenton” processes were lower when compared to the “conventional Fenton” processes. In the “modified Fenton” processes the estimated cost was 65 [€/m3 effluent_treated] while in the “homogeneous photoFenton” process it was 69 [€/m3 effluent_treated]. Although this was an exploratory work, the results obtained were encouraging, in addition, they allow an alignment with the principles of a circular economy, since a waste (iron powder) is being valued.