Process intensification in the refinery effluent treatment using a photocatalytic membrane reactor

Abstract

A primeira parte do presente trabalho apresenta uma síntese ambientalmente amigável de nanopartículas de TiO2 assistida por microondas, a partir de tetracloreto de titânio e água, com potencial para tratamento de efluentes de refinaria de petróleo. Partículas nanocristalinas de anatásio com tamanho médio de cristalito de 14 nm foram obtidas de acordo com a caracterização por DRX, MET e EELS. A atividade fotocatalítica do catalisador foi testada primeiramente pela degradação da molécula padrão de azul de metileno e 95% de degradação foram verificados após 300 minutos de reação. Testes cinéticos com o corante indicaram ajuste à cinética de primeira ordem. O permeado de UF de um Biorreator de Membrana tratando efluente real de refinaria de petróleo constituído majoritamente de compostos biologicamente recalcitrantes foi submetido a fotodegradação na presença do catalisador sintetizado sob irradiação UV-C. As maiores porcentagens de remoção de COT e NT obtidas foram de 32% e 67%, respectivamente, em condições de pH igual a 10 e concentração de catalisador de 100 mg L-1 em 90 minutos de reação. Para essa condição, a Electric Energy per Order (EE0) calculada foi 356,29 KWh m-3 ordem-1. O catalisador exibiu estabilidade na fotoatividade durante 4 ciclos. Na segunda parte do estudo, um sistema híbrido denominado Reator Fotocatalítico de Membrana (PMR) foi construído e testado para tratamento do efluente previamente mencionado. A configuração do PMR baseou-se na utilização do catalisador dióxido de titânio sintetizado por via mais limpa e membranas de osmose inversa recicladas por oxidação química com hipoclorito de sódio. O sistema se mostrou eficiente na remoção de compostos recalcitrantes do permeado de UF com valores de até aproximadamente 60% de remoção de DQO. Verificou-se que a fotocatálise exerce o maior impacto na remoção de matéria orgânica (21%) quando comparada aos valores de fotólise com luz UV (15%) e somente separação pela membrana (9%). Os fluxos de permeado da membrana reciclada permaneceram praticamente constantes nos testes com a presença do catalisador no PMR, mostrando que este reduz a incrustação, confirmada também pela resistência do fouling 7,3 vezes menor nos testes executados com a presença do óxido. Não foram detectados indícios de que o catalisador danificou a estrutura da membrana. Ao contrário, foram verificadas estabilidades nos fluxos e na fotocatálise pelos testes de reuso. As análises de MEV da membrana antes da permeação revelaram uma estrutura não rugosa. Alterações morfológicas não foram observadas na superfície da membrana após permeações. No entanto, depósitos de TiO2 foram visualizados e confirmados por EDS. A análise de EDS em vários campos do permeado do PMR não identificou o elemento titânio mostrando que a membrana reciclada é capaz de reter o catalisador. Os compostos presentes no efluente estão principalmente associados a produtos microbianos como SMPs e EPS que tiveram suas concentrações reduzidas com base no desaparecimento das bandas 3300 cm-1, 1620 cm-1 e 609 cm-1 do espectro de infravermelho. Os dados obtidos mostraram que o sistema é uma tecnologia promissora para a remoção de matéria orgânica recalcitrante residual do permeado do UF-MBR e tem potencial uso como etapa prévia aos processos de polimento do efluente de refinaria com vistas ao reuso.