Degradação do corante Preto Reativo 5 através do processo foto-Fenton heterogêneo com catalisador à base de óxidos mistos de ferro e titânio

FACEPE As indústrias têxteis são fonte de desenvolvimento econômico no Nordeste brasileiro, principalmente no agreste pernambucano. O lançamento de efluentes coloridos leva ao desequilíbrio ecológico dos corpos hídricos, sendo necessária a aplicação de processos avançados no tratamento de efluentes. Os processos oxidativos avançados constituem tecnologias eficientes para degradação de corantes reativos. A fotocatálise e o foto-Fenton heterogêneo possibilitam a recuperação do catalisador para sua reutilização, e por ser possível o emprego de luz solar. Compostos de óxidos de ferro e titânio apresentam boas características para aplicação em reações fotocatalíticas ativadas por luz solar, pois aliam a elevada eficiência do TiO2 com o baixo bandgap do óxido de ferro. O objetivo deste trabalho foi sintetizar e caracterizar catalisadores de óxidos de ferro e titânio utilizando o método Pechini modificado para degradação do corante Preto Reativo 5 utilizando processos oxidativos avançados, sob luz solar simulada. Os catalisadores foram sintetizados nas proporções mássicas 60:40 e 80:20 de α–Fe₂O₃/TiO₂, sendo chamados 60Fe/Ti e 80Fe/Ti, respectivamente. Os precursores catalíticos foram calcinados nas temperaturas de 500, 600 e 700 °C, codificados da seguinte forma: 60Fe/Ti–1 e 80Fe/Ti–1, calcinados a 500 °C; 60Fe/Ti–2 e 80Fe/Ti–2, calcinados a 600 °C; 60Fe/Ti–3 e 80Fe/Ti–3, calcinados a 700 °C. Foi realizada caracterização estrutural, textural, morfológica e óptica dos materiais e as amostras 60Fe/Ti–1 e 80Fe/Ti–1 apresentaram propriedades catalíticas promissoras, com fases da α–Fe₂O₃, do TiO₂ anatase e do Fe₃O₄, elevadas áreas superficiais específicas e valores de bandgap favoráveis para as trocas eletrônicas. Os seis catalisadores foram aplicados para fotocatálise e foto-Fenton heterogêneo na degradação do corante e o catalisador 60Fe/Ti–1 apresentou o melhor desempenho. O planeamento experimental 2³ foi realizado e foram estabelecidas as melhores condições de reação: [catalisador] = 0,40 g L⁻¹, [H₂O₂] = 12 mM, [RB5] = 10 mg L⁻¹, pH 2,5 e vazão de ar de 0,5 L min⁻¹, atingindo 100% de eficiência na degradação do corante. A cinética da reação de degradação do corante foi avaliada utilizando o método das velocidades iniciais, por meio da variação da concentração inicial de corante e de catalisador. Os dados experimentais obtidos nas curvas cinéticas foram ajustados no modelo de equação de Langmuir-Hinshelwood. O catalisador 60Fe/Ti–1 teve sua estabilidade química avaliada por meio de testes de reuso, onde foram feitos 4 ciclos consecutivos e foi observada perda de apenas 10% na eficiência de degradação do corante ao final do quarto ciclo. O mecanismo de reação proposto foi elaborado com base no estudo cinético da variação dos parâmetros de reação e através da adição de sequestrantes de radicais •OH e da lacuna (h⁺), onde foi observado que as duas espécies têm grande importância na degradação do corante. A toxicidade do efluente tratado também foi avaliada utilizado sementes de alface (Lactuca sativa), no qual foi observado que mesmo após a completa degradação do corante, o efluente tratado apresentou caráter tóxico. Textile industries are a source of economic development in the Brazilian Northeast, especially in rural Pernambuco region. However, the release of colored effluents leads to ecological imbalance of water bodies, requiring the application of advanced oxidative processes of wastewater treatment. Advanced Oxidative Processes are efficient technologies for the degradation of reactive dyes through the generation of hydroxyl radicals. Photocatalysis and heterogeneous photo-Fenton have a prominent position because they are processes that allow the recovery of the catalyst for reuse, and because it is possible to use sunlight in order to make the process more sustainable. Iron oxide and titanium compounds have good properties for application in photocatalytic reactions activated by sunlight, because they combine the high TiO2 efficiency with the low bandgap energy of iron oxide producing promising catalysts. Thus, the objective of this work was to synthesize and characterize catalysts of iron and titanium oxides by modified Pechini method route for degradation of commercial Reactive Black 5 using heterogeneous photo-Fenton under simulated sunlight. Catalysts were synthesized with 60:40 and 80:20 mass proportions of α–Fe₂O₃/TiO₂, called 60Fe/Ti and 80Fe/Ti, respectively. The catalytic precursors were calcined at the temperatures 500, 600 and 700 °C, named as follows: 60Fe/Ti–1 and 80Fe/Ti–1, calcined at 500 °C; 60Fe/Ti–2 and 80Fe/Ti–2, calcined at 600 °C; 60Fe/Ti–3 and 80Fe/Ti–3, calcined at 700 °C. Structural, textural, morphological and optical characterization of materials was made and the 60Fe/Ti–1 and 80Fe/Ti-1 samples had the most promising catalytic properties, with α–Fe₂O₃, TiO₂ anatase and Fe₃O₄ phases, high specific surface areas and bandgap values favorable for electronic exchanges. The catalysts were applied in photocatalysis and photo-Fenton heterogeneous for degradation of the textile dye. The 60Fe/Ti–1 catalyst showed the best performance and was selected for design of experiments 2³, which the best conditions were established in [catalyst] = 0,40 g L⁻¹, [H₂O₂] = 12 mM, [RB5] = 10 mg L⁻¹, pH 2,5 and air flow of 0,5 L min⁻¹, with 100% efficiency. The kinetic study was study using the initial velocity method, varying the initial concentration of dye and catalyst. The experimental data obtained in the kinetic curves were adjusted in the Langmuir-Hinshelwood equation model. The 60Fe/Ti–1 catalyst had its chemical stability evaluated with reuse tests, where 4 consecutive cycles were made and a loss of only 10% in the degradation efficiency of the dye at the end of the fourth cycle was observed. The proposed reaction mechanism was elaborated based on the kinetic study and through the addition of •OH radicals and vacancy (h⁺), where it was observed that the two species have great importance in the degradation of the dye. The toxicity of the treated effluent was also evaluated through a phytotoxicity test using lettuce seeds (Lactuca sativa), in which it was observed that even after the complete degradation of the dye, the treated effluent was toxic to lettuce seeds.