Estudo da mineralização de cafeína pelos processos Fenton e foto-Fenton e influência da adição de TiO2

Abstract

Poluentes emergentes têm chamado a atenção da comunidade científica, em função de seu potencial de acumulação em corpos hídricos que abastecem a população com água para consumo. Diante disso, faz-se necessário desenvolver métodos para otimização do tratamento aplicado à água e efluentes líquidos. Neste cenário, processos que utilizam o reagente de Fenton (Fe2+/H2O2) surgem como uma alternativa promissora, em decorrência de seu potencial de mineralizar poluentes emergentes presentes em matrizes aquosas. Além disso, a fotocatálise heterogênea com dióxido de titânio (TiO2/UV) é outro processo oxidativo avançado que pode contribuir para o cumprimento de padrões de qualidade de água e efluentes. Em vista disso, o presente estudo procura averiguar a eficiência dos processos Fenton e foto Fenton na mineralização de cafeína, bem como avaliar a influência da adição de TiO2 ao processo foto-Fenton, de modo a combiná-lo com a fotocatálise heterogênea. Para tanto, foram realizados ensaios laboratoriais em batelada com soluções de 20 mg/L de cafeína e diferentes proporções do reagente de Fenton (concentrações de Fe2+ de 5 e 10 mg/L, concentrações de H2O2 variando de 20 a 300 mg/L) e de TiO2 (5 e 50 mg/L). Amostras foram coletadas nos intervalos de 15, 30, 45 e 60 min e enviadas para análise de cromatografia líquida de alta performance (HPLC) e carbono orgânico total (COT) para quantificar o grau de degradação e mineralização da cafeína. Os resultados obtidos demonstraram que o processo Fenton foi capaz apenas de degradar a cafeína, convertendo-a em subprodutos orgânicos. Por outro lado, o processo foto-Fenton foi capaz de mineralizar o poluente em até 64,8% após 60 min, convertendo-o parcialmente em espécies inorgânicas de menor impacto ambiental. Com isso, foi observado que a incidência de radiação UV tornou o tratamento mais eficiente. Dentre as condições utilizadas, a condição ótima determinada que maximizou a mineralização foi de 10 mg/L de Fe2+ e 200 mg/L de H2O2. Além disso, foi observado que a adição de TiO2 não contribuiu para a eficiência global do processo foto-Fenton, de modo que o processo homogêneo foi o que apresentou melhores resultados.

Emerging pollutants have drawn the attention of the scientific community, due to their potential to accumulate in water bodies that supply the population with water for consumption. Therefore, it is necessary to find methods to optimize the treatment applied to water and wastewater. In this regard, processes that use Fenton's reagent (Fe2+/H2O2) appear as a promising alternative, due to its potential to mineralize emerging pollutants present in aqueous matrices. In addition, heterogeneous titanium dioxide photocatalysis (TiO2/UV) is another advanced oxidative process that can contribute to achieve water and wastewater quality standards. Thus, the present study intends to investigate the efficiency of Fenton and photo-Fenton processes in the mineralization of caffeine, as well as to evaluate the influence of TiO2 addition to the photo-Fenton process, in order to combine it with the heterogeneous photocatalysis. For this purpose, laboratory tests were carried out in batch with 20 mg/L caffeine solutions and different proportions of Fenton's reagent (5 and 10 mg/L for Fe2+ concentration, 20 to 300 mg/L for H2O2 concentration) and TiO2 (5 and 50 mg/L). Samples were collected after 15, 30, 45 and 60 min and sent to high performance liquid chromatography (HPLC) and total organic carbon (TOC) analysis to quantify caffeine degradation and mineralization. The results showed that the Fenton process was only able to degrade caffeine, converting it into organic by-products. On the other hand, the photo-Fenton process was able to mineralize the pollutant up to 64.8%, partially converting it into inorganic species with lower environmental impact. Therefore, it was observed that the incidence of UV radiation made the treatment more efficient. Among the conditions used, the optimal condition determined to maximize mineralization was 10 mg/L of Fe2+ and 200 mg/L of H2O2. Furthermore, it was observed that the addition of TiO2 did not contribute to the global efficiency of the photo-Fenton process, so that the homogeneous process was the one that presented better results.