Verificação e validação de um protótipo com elétrodos revestidos por diamante dopado com boro para remediação de poluentes em águas

Abstract

O trabalho desenvolvido teve como objetivos a verificação e validação de um protótipo que tem por funcionalidade a degradação de poluentes aquáticos por eletro-oxidação, utilizando elétrodos de filmes finos de diamante dopado com boro. Procedeu-se à simulação computacional estrutural e de dinâmica de fluidos (CFD) com recurso ao software SolidWorks, para prever o desempenho do protótipo e indicar eventuais melhorias na sua estrutura. Nas simulações CFD, procedeu-se inicialmente à comparação dos valores teóricos das velocidades do fluxo de águas calculados com os valores obtidos pela simulação num tubo simples. Os resultados foram promissores uma vez que os erros relativos foram inferiores a 12 % para a velocidade de saída e inferiores a 1 % para a pressão de entrada, o que permitiu ter confiança nos mesmos. Foram realizadas simulações CFD nas mesmas condições experimentais utilizadas em laboratório (caudais de 1,5 L/h, 3 L/h e 4 L/h), concluindo-se que com o aumento do caudal a velocidade no interior do módulo também aumenta. Realizou-se também uma simulação estrutural em condições estáticas, em que as forças aplicadas foram previamente extraídas de uma simulação de fluidos para um caudal de 10 L/h, com o objetivo de verificar se os materiais constituintes resistiriam às forças exercidas pelo fluido para um caudal bastante mais elevado do que o máximo testado laboratorialmente. Os resultados indicaram que o módulo é robusto e capaz para a aplicação pretendida. Para a validação do protótipo, foram realizados ensaios laboratoriais de eletro-oxidação sob condições estáticas e dinâmicas, seguidos por espetroscopia de ultravioleta-visível. Obtiveram-se valores de percentagem de degradação de 30–35% para os ensaios dinâmicos e caudais mais baixos, o que está de acordo com o indicado pelas simulações dinâmicas que demonstraram que o aumento do caudal faz também aumentar a velocidade dentro do módulo, pelo que se pode concluir que reduz o tempo de contacto do fluido com os elétrodos e que, por sua vez, reduz a percentagem de degradação dos poluentes. Para os ensaios em condições estáticas as percentagens foram superiores às dos ensaios dinâmicos em cerca de 10– 15%. Os resultados da degradação dos poluentes em condições estáticas e dinâmicas permitiram validar o protótipo para utilização em escala laboratorial nas seguintes condições de serviço: água contaminada, com caudal 1,5 L/h, 3 L/h e 4 L/h, à temperatura ambiente e sujeito a pressão atmosférica, na entrada e saída da água.

The work carried out is aimed at the verification and validation of a prototype for the degradation of water pollutants by an electrooxidation process, using boron-doped diamond thin-film electrodes. Structural and computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed using SolidWorks software, which allowed the evaluation of the performance of the prototype and indicated possible improvements in its structure. In the CFD simulations, the theoretical values of the calculated water flow velocities were initially compared with those obtained by simulation in a simple tube. The results were promising since the relative errors were lower than 12% for the outlet speed and lower than 1% for the inlet pressure, which allows reliability in the CFD results. CFD simulations were then carried out under the same experimental conditions used in the laboratory (flow rates of 1,5 L/h, 3 L/h, and 4 L/h), concluding that as the flow increases, the speed inside the module also increases. A structural simulation was also carried out, under static conditions, in which the applied forces were previously extracted from a CFD simulation carried out at a flow rate of 10 L/h, to verify whether the constituent materials would resist the forces exerted by the fluid at a flow rate higher than the ones tested in the laboratory. The results indicated that the module is robust and capable of the intended application. For the prototype's validation, electrooxidation tests were performed in the laboratory, under static and dynamic conditions, followed by Ultraviolet-Visible Spectroscopy. The obtained degradation percentage values were in the range of 30% to 35% with dynamic conditions using lower flow rates, which is in line with the CFD simulation which had demonstrated that the increase of the flow also results in the augmentation of the speed inside the model, which allows the conclusion that there is a reduction of the contact time of the fluid with the electrodes, and as a result, there is a reduction of the degradation of the pollutants. For the tests in the static conditions, the percentages were higher than the ones obtained in the dynamic tests in the range of 10% to 15%. The results of pollutant degradation in static and dynamic conditions allowed the prototype to be validated for use on a laboratorial scale for the following service conditions: contaminated water with a flow rate of 1,5 L/h, 3 L/h, and 4 L/h, at room temperature and subject to atmospheric pressure at the entrance and exit of the water.