Intensificação de processos fotocatalíticos: avaliação do efeito de escala (mili/microcanais) e do arranjo do filme fotocatalítico e da fonte de luz

Abstract

Dispositivos microfluídicos são uma tecnologia com aplicações em diversas áreas do conhecimento como química, engenharia e biotecnologia. Estes são utilizados em diversas reações nas quais é necessário um controle preciso de temperatura e tempo e maior taxa de produção. Esses dispositivos têm o potencial de serem altamente eficazes para o uso como reatores fotocatalíticos devido à sua grande razão área/volume e facilidade de interface com luz UV. A principal vantagem dos microrreatores quando comparados a reatores convencionais é a homogeneidade na distribuição da intensidade luminosa no filme do fotocatalisador sólido depositado nas paredes internas. Neste trabalho, avaliou-se o desempenho de microrreatores irradiados com luz UVA convencional (fluorescente) e UVA-LED. Para tanto, um reator microfluídico com diâmetro equivalente de 133,5 µm foi utilizado. Além disso, avaliou-se o efeito da variação da escala sobre o desempenho de reatores fotocatalíticos utilizando reatores com três diâmetros internos (600, 1200 e 2300 µm), dois tempos de residência (30 e 60 s) e duas fontes de radiação UVA (A com irradiância de 115 W·m-2 e B com irradiância de 44 W·m-2), ambas com 365 nm. Também, uma investigação foi conduzida para se verificar a relação entre a configuração do filme de fotocatalisador e o efeito da escala sobre o desempenho de reatores fotocatalíticos, tanto experimentalmente quanto teoricamente. Para ambos os casos, o corante azul de metileno foi utilizado como poluente modelo e dióxido de titânio (TiO2 P25) como fotocatalisador depositado nas paredes internas dos reatores fotocatalíticos. Em relação ao uso de lâmpadas UVA-LED, os resultados demonstraram a viabilidade técnica da utilização destas neste processo. Os resultados mostraram que houve influência do diâmetro do reator na degradação do corante. Para o tempo de residência de 30 s, quanto menor o diâmetro do reator, maior foi a degradação (22, 18 e 6 %, respectivamente, para a lâmpada A). Para a lâmpada B, não houve diferença significativa entre os reatores de 600 e 1200 µm, somente de ambos em relação ao reator de 2300 µm (17, 16 e 8 %). Quando se levou em consideração o tempo de residência de 60 s, os reatores de 600 e 1200 mm de diâmetro interno não apresentaram eficiência de descoloração significativa entre si (32 e 34% respectivamente), somente em relação ao reator com diâmetro interno de 2300 mm (15%), quando a lâmpada A foi considerada. Considerando a lâmpada B, houve diferença significativa entre os três reatores (33, 28 e 14 %, respectivamente). Resultados de simulação computacional mostraram que há uma tendência de aumento da conversão do azul de metileno na saída do reator à medida que a dimensão do canal é reduzida. Um comportamento idêntico foi observado para a conversão em função da dimensão do reator fotoquímico quando as espessuras de fotocatalisador de 10 µm e 5 µm depositado na parede interna do dispositivo foram consideradas, mesmo quando a velocidade de alimentação foi variada em três níveis distintos. Quando a espessura do filme de fotocatalisador foi aumentada de 0,5 µm para 5 µm houve um aumento da conversão para todos os tempos de residência avaliados (12,5, 25, 50 e 100 s). Entretanto, quando a espessura do filme de fotocatalisador foi aumentada de 5 µm para 10 µm houve uma redução na conversão para todos os tempos de residência, indicando que há uma espessura ótima de filme de fotocatalisador para maximização do desempenho de dispositivos nos quais reações fotocatalíticas são conduzidas. Em relação aos ciclos de deposição (10 e 16 ciclos) de TiO2 nos reatores observa-se claramente, que para o maior tempo de residência (60 s) a diferença de conversão obtida para os dois procedimentos de deposição do filme de fotocatalisador (10 e 16 ciclos) foi mais pronunciada em relação ao menor tempo de residência (30 s) para os reatores com 600 e 1200 µm. Este comportamento vai ao encontro das observações teóricas obtidas a partir de modelagem computacional. Além disso, é conveniente destacar que os níveis de conversão obtidos experimentalmente estão de acordo com os resultados teóricos.

Abstract : Microfluidic devices are a technology with applications in several areas of knowledge such as chemistry, engineering and biotechnology. These devices are used in various reactions that require accurate control of temperature and reaction time and higher throughput. They have the potential to be highly effective for use as photocatalytic reactors due to their large area to volume ratio and ease of interfacing with UV light. The main advantage of these devices when compared to conventional reactors is the homogeneity in the light intensity distribution in the film of the solid photocatalyst deposited on the inner walls. In this work, the performance of microreactors irradiated with conventional (fluorescent) and UVA-LED UVA was evaluated. For this purpose, a microfluidic reactor with an equivalent diameter of 133.5 µm was used. In addition, the effect of scale variation on the performance of photochemical reactors was assessed using reactors with 3 internal diameters (600, 1200 and 2300 µm), 2 residence times (30 and 60 s) and two sources of UVA radiation (A with irradiance of 115 W·m-2 e B with irradiance of 44 W·m-2) both with 365 nm. Also, the relationship between the configuration of the photocatalyst film and the effect of the scale on the performance of photochemical reactors was experimentally and theoretically investigated. For both cases, the methylene blue dye was used as model pollutant and titanium dioxide (TiO2) as a photocatalyst deposited on the inner walls of photocatalytic reactors. Regarding the use of UVA-LED, the results showed the technical feasibility of using this process. The reactor diameter influenced the degradation of the dye. For the residence time of 30 s, the smaller the reactor diameter, the greater was the degradation (22, 18 and 6%, respectively, for lamp A). Considering the results for lamp B, no significant difference between the reactors with 600 and 1200 um was evidenced. However, the results of both was different of those obtained with the 2300 um reactor (17, 16 and 8 %, respectively). When the residence time of 60 s is considered, the reactors with 600 and 1200 um internal diameter presented no significant difference for decoloring of methylene blue (32% and 34%, respectively). However, the color removal for the 2300 um reactor (15%) was significantly different from the smaller diameter reactors, when the lamp A was used. Nevertheless, when the lamp B was used for irradiation of the reactors, the color removals of the three reactors were significantly different (33, 28 and 14%, respectively). Computational simulation results showed that there is a tendency to increase the methylene blue conversion at the exit of the reactor as the channel size is reduced. A similar behavior was observed for the conversion as a function of the size of the photochemical reactor, when the photocatalyst thicknesses of 10 µm and 5 µm deposited on the inner wall of the device were considered, even when the feed rate was varied at three different levels. When the thickness of the photocatalyst film was increased from 0.5 µm to 5 µm, there was an increase in conversion for all residence times evaluated (12.5, 25, 50 and 100 s). However, when the thickness of the photocatalyst film was further increased from 5 µm to 10 µm, a reduction in conversion to all residence times was observed. This behavior suggests there is an optimum thickness of photocatalyst film to maximize the performance of devices in which photocatalytic reactions are carried out. The conversion difference obtained for the two deposition procedures of the photocatalyst film (10 and 16 cycles) was more pronounced for the longer residence time (60 s) when compared to the shorter residence time (30 s). This behavior is in agreement with the theoretical observations obtained from the computational modeling. In addition, it should be noted that the conversion levels obtained experimentally are in accordance with the theoretical results.