Water treatment through solar-assisted advanced oxidation technology based on BiVO4 thin films in a photochemical reactor: antimicrobial activity, contaminants of emerging concern, and toxicity control

Abstract

A persistência de contaminantes de preocupação emergente (CECs) em ambientes aquáticos evidencia a necessidade urgente de tecnologias inovadoras e escaláveis para o tratamento de água. Entre essas, a fotocatálise utilizando materiais na forma de filmes finos destaca-se como uma abordagem promissora. A presente pesquisa investigou os desafios associados à aplicação de fotocatalisadores na forma de filmes finos para o tratamento de água e aplicou uma alternativa através do uso de filmes finos de vanadato de bismuto (BiVO4), acoplados a oxidantes, em um fotorreator anular sob irradiação solar, visando à remoção de CECs, à atividade antimicrobiana e à avaliação da toxicidade aguda. Destaca-se que a integração de filmes finos em reatores tubulares anulares no contexto do tratamento de água sob irradiação solar ainda não havia sido previamente investigada. Foi realizada uma revisão sistemática da literatura sobre a aplicação da fotocatálise em filmes finos, com foco na maturidade tecnológica e na viabilidade de engenharia. A revisão sistemática evidenciou uma lacuna crítica na aplicação de materiais fotocatalíticos alternativos, como o BiVO4, na forma de filmes finos para a remoção de CECs. Além disso, tendências recentes destacam a integração da fotocatálise com oxidantes químicos homogêneos como estratégia para aumentar a eficiência e a escalabilidade dos processos de tratamento. Os filmes finos de BiVO4 foram produzidos por magnetron sputtering, e a influência dos parâmetros operacionais foi avaliada. As amostras foram caracterizadas por técnicas como DRX, MEV/EDX, MET e AFM, além de avaliações fotocatalíticas. O desempenho antimicrobiano foi avaliado frente à Escherichia coli, de acordo com a norma britânica ISO 27447:2009, e a citotoxicidade foi investigada. Os filmes finos de BiVO4, suportados em um reator fotocatalítico anular do tipo FluHelik, foram empregados no tratamento de água ultrapura e de água superficial proveniente de um reservatório eutrófico. As propriedades hidrodinâmicas e fotoquímicas do reator foram avaliadas por meio da técnica de traçador-resposta e medições actinométricas, bem como realizada a modelagem por Fluidodinâmica Computacional (CFD). A radiação solar, por meio de um simulador de câmara solar, foi utilizada para a ativação de peróxido de hidrogênio (H2O2; 0,4, 1,5 e 3,0 mM) e persulfato de sódio (PS; 0,4, 1,5 e 3,0 mM), visando à remoção de uma mistura de seis CECs de diferentes classes (C₀ = 100 µg L-1, cada). Testes com sequestradores de espécies reativas foram empregados para elucidar os mecanismos de reação. Adicionalmente, o tratamento foi aplicado à água superficial de um reservatório eutrófico, avaliando-se a remoção de CECs em concentrações naturais. A toxicidade aguda para Aliivibrio fischeri foi avaliada antes e após o tratamento fotocatalítico. Sob condições ótimas de produção, os filmes finos de BiVO4 apresentaram atividade antimicrobiana não apenas sob luz visível, alcançando valores abaixo do limite de quantificação (< 1000 UFC 100 mL⁻¹) em 24 h, mas também na ausência de luz, com inativação completa em 48 h. Esse desempenho antimicrobiano não antes reportado na literatura indica elevado potencial para estratégias de desinfecção em sistemas de tratamento de água. Em relação à citotoxicidade, como o filme desprendido na forma de pó, foram observados diferentes níveis de resposta toxicológica para a linhagem de células intestinais humanas CACO-2 em diferentes concentrações do material. Nos experimentos fotoquímicos, a fotocatálise isolada com BiVO4 apresentou desempenho limitado na degradação de CECs, enquanto o acoplamento com oxidantes promoveu um significativo aumento da eficiência do processo. A ativação do H2O2 resultou em remoções de CECs entre 11 e 95%. Em contraste, a ativação do PS possibilitou a remoção de todos os CECs-alvo para abaixo do limite de quantificação do método cromatográfico (< 5 µg L⁻¹, >95%) em até 90 min em água ultrapura. As taxas de degradação foram mais elevadas em água superficial, atribuídas à presença de fotossensibilizadores naturais na matriz. Vias radicalares (HO•, SO4•⁻) e não radicalares (1O2) foram confirmadas. Além disso, o tratamento melhorou a qualidade da água do reservatório eutrófico sem induzir toxicidade aguda a A. fischeri. O sistema BiVO4/PS aplicado à água superficial contendo CECs de ocorrência natural (11 de 18 compostos quantificados, 1,3–1981,2 µg L-1) alcançou remoções substanciais (64,3–99,9%) em condições próximas às ambientais reais. Assim, os resultados demonstram que filmes finos de BiVO4, quando combinados com a ativação de PS em um reator fotoquímico assistido por energia solar, apresentam elevado potencial para a ampliação de tecnologias sustentáveis e eficazes de tratamento de água.