Simulação numérica do escoamento reativo no reator FluHelik: investigação da degradação fotocatalítica da oxitetraciclina

Abstract

A poluição das águas é considerada hoje um dos principais problemas ambientais, apenas cerca de 3% da água encontrada no planeta é considerada apta para o consumo humano (água doce), assim, o desenvolvimento e aprimoramento de métodos de tratamentos são indispensáveis para o controle e remediação das águas. Os processos oxidativos avançados (POAs) apresentam-se como uma proposta promissora na degradação de compostos orgânicos de alta toxicidade e resistentes aos métodos de tratamento convencionais (os chamados contaminantes emergentes). Considerada uma ferramenta importante no estudo e análise de processos fotoquímicos a fluidodinâmica computacional (CFD) apresenta-se de forma bastante completa, sendo possível o desenvolvimento de balanços de massa, energia (radiação) e movimento, além de, apresentar vantagens sobre as técnicas experimentais minimizando custos e o tempo de processo, permite ainda uma análise profunda e detalhada dos sistemas empregados. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo computacional, baseado no código CFD, para investigar o processo UVC/H_2 O_2 aplicado a um reator fotoquímico anular, FluHelik, usando a ferramenta computacional CFD e uma cinética proposta para a degradação da oxitetraciclina. O modelo proposto foi comparado e validado a partir de dados experimentais. As simulações foram realizadas no software Comsol Multuphysics® (versão 5.3a). Os resultados da simulação CFD demonstraram uma ótima concordância com os dados experimentais relatados por (Espíndola et al., 2019), observou-se também que diversas variáveis podem influenciar no processo de degradação da OTC, especialmente a intensidade de radiação UV, altos valores de intensidade de radiação (2 kW) apresentaram conversões de 90% garantindo ainda a utilização de menores concentrações do agente oxidante (H_2 O_2) e a eliminação da etapa de purificação do efluente pós reação fotoquímica. O estudo apresentou ainda uma degradação homogênea em todo o reator, fato que pode ser explicado pela localização da fonte de irradiação.

Abstract: Water pollution is considered today one of the main environmental problems, only about 3% of the water found on the planet is considered fit for human consumption (fresh water), thus, the development and improvement of treatment methods are indispensable for the control and remediation of water. Advanced oxidative processes (POAs) present a promising proposal for the degradation of highly toxic organic compounds that are resistant to conventional treatment methods (so-called emerging contaminants). Considered an important tool in the study and analysis of photochemical processes, computational fluid dynamics (CFD) is presented in a very complete way, making it possible to develop mass, energy (radiation) and movement balances, in addition to presenting advantages over experimental techniques. minimizing costs and process time, it also allows a deep and detailed analysis of the systems employed. The objective of this work is to develop a computational model, based on the CFD code, to investigate the UVC/H_2 O_2 process applied to an annular photochemical reactor, FluHelik, using the CFD computational tool and a proposed kinetics for the degradation of oxytetracycline. The proposed model was compared and validated from experimental data. The simulations were performed using the Comsol Multuphysics® software (version 5.3a). The results of the CFD simulation demonstrated an excellent agreement with the experimental data reported by (Espíndola et al., 2019), it was also observed that several variables can influence the OTC degradation process, especially the intensity of UV radiation, high values of radiation intensity (2 kW) showed conversions of 90%, still guaranteeing the use of lower concentrations of the oxidizing agent (H_2 O_2) and the elimination of the effluent purification step after photochemical reaction. The study also showed homogeneous degradation throughout the reactor, a fact that can be explained by the location of the irradiation source.