Projeto de reator fotocatalítico para degradação de poluentes hídricos assistido por CFD e experimentação

Abstract

Há décadas a demanda de recursos hídricos tem aumentado devido à expansão populacional e industrial. Juntamente com essa demanda, ocorreu o aumento de contaminantes em águas superficiais e subterrâneas. Dentre esses poluentes, aqueles encontrados em baixas concentrações, e, portanto, emergentes, vêm ganhando foco nas últimas décadas. Isso ocorre por que não existe uma legislação referente à toxicidade desses compostos e a eficiência de remoção por tratamentos convencionais é baixa. O ácido salicílico é um poluente emergente em ascensão, uma vez que é aplicado em produtos de cuidados pessoais e é um metabólito da aspirina. Desta forma, tratamentos alternativos vêm ganhando força no combate aos poluentes emergentes, a exemplo da fotocatálise heterogênea com catalisador imobilizado. Dentro desse contexto, esse trabalho realiza um estudo do processo fotocatalítico com catalisador imobilizado assistido por CFD e experimentação a fim de melhorar a eficiência dos reatores fotocatalíticos na degradação de poluentes hídricos. Para esse estudo foi realizada uma validação prévia dos modelos matemáticos do processo fotocatalítico (equações de Navier-Stokes, equações de transferência de radiação e equações de transferência de massa da espécie química com reação) com dados da literatura. Com intuito de melhorar a capacidade de predição do modelo matemático do processo fotocatalítico, avaliou-se a sensibilidade do número de Schmidt turbulento para sistemas com diferentes resistências à transferência de massa externa utilizando os modelos de turbulência k- e padrão, AKN e RSM. Em seguida, realizou-se a montagem de uma unidade experimental com um reator fotocatalítico diferencial projetado de forma assistida por CFD. A unidade foi desenvolvida para gerar dados experimentais a fim de validar os modelos matemáticos e obter a cinética intrínseca de degradação fotocatalítica do ácido salicílico em fase líquida utilizando TiO2 imobilizado. Antes de realizar a cinética, verificou-se a capacidade do processo fotocatalítico em mineralizar o ácido salicílico, avaliou-se um método de imobilização com boa eficiência de degradação e baixa lixiviação e verificou-se os efeitos da concentração inicial de poluente e da vazão de escoamento frente a eficiência de degradação. O modelo cinético obtido foi utilizado como condição de contorno de parede nas simulações de CFD com intuito de otimizar um reator anular com labirinto por meio de um planejamento estatístico Box Behnken e do método função desejabilidade. Os resultados referentes às validações dos modelos matemáticos laminar e turbulento do processo fotocatalítico fundamentados em dados da literatura mostraram que os mesmos são capazes de predizer os fenômenos de transferência de quantidade de momento, de transferência de massa da espécie química e de transferência da radiação. Com base no estudo de sensibilidade do número de Schmidt turbulento, verificou-se que esse tem um efeito significativo na predição em sistemas com alta limitação à transferência de massa e que o mesmo tem sensibilidade diferente dependendo do modelo de turbulência utilizado. Entre os modelos de turbulência, observou-se que o modelo AKN com Sct igual a 0,8 forneceu a melhor resposta na predição da transferência de massa nos processos fotocatalíticos com alta limitação a transferência de massa. No entanto, o modelo k-e padrão com Sct igual a 0,2 pode ser uma alternativa para simular casos complexos, uma vez que esse modelo apresentou menor custo computacional e maior estabilidade numérica em relação aos demais. Dos experimentos de imobilização, observou-se que o método de imobilização denominado calcinação foi o mais adequado para utilização nos experimentos de degradação do ácido salicílico, uma vez que teve boa eficiência e baixa lixiviação do catalisador. Ainda fundamentado nos experimentos de bancada, concluiu-se que o processo fotocatalítico com TiO2 imobilizado e luz UVC é capaz de realizar não só a degradação, mas também a mineralização do ácido salicílico e que esse processo segue uma cinética de primeira ordem, tanto em relação à concentração quanto em relação à intensidade de luz. Por fim, concluiu-se que a combinação de ferramentas estatísticas e de fluidodinâmica computacional pode ser uma boa alternativa para realização de projetos e otimizações de reatores fotocatalíticos, uma vez que o reator fotocatalítico anular otimizado neste trabalho apresentou um tempo de degradação e um valor energético operacional 53% inferior do que os valores de tempo e energia de um reator anular convencional.

Abstract: For decades, the demand for water resources has increased due to population and industrial expansion. Along with this demand, there was an increase in contaminants in surface and groundwater. Among these pollutants, those found in low concentrations, and therefore emerging, have been gaining focus in recent decades. This focus is due to the fact that there is no legislation on the toxicity of these compounds and the removal efficiency by conventional treatments is low. Salicylic acid is an emerging pollutant on the rise, as it is applied in personal care products and it is a metabolite of aspirin. Thus, alternative treatments are gaining power in the fight against emerging pollutants, such as heterogeneous photocatalysis with immobilized catalyst. Within this context, this work carries out a study of the photocatalytic process with immobilized catalyst assisted by CFD and experiments in order to improve the efficiency of photocatalytic reactors in the degradation of water pollutants. For this study, a previous validation of the mathematical models of the photocatalytic process (Navier-Stokes equations, radiation transfer equations and chemical transfer mass equations with reaction) was performed with data from the literature. In order to improve the predictive capacity of the mathematical model of the photocatalytic process, the sensitivity of the turbulent Schmidt number for systems with different resistance to external mass transfer was evaluated using the standard k-e, AKN and RSM turbulence models. Then, an experimental unit was assembled with a differential photocatalytic reactor designed in a CFD-assisted manner. The unit was developed to generate experimental data to validate the mathematical models and obtain the intrinsic kinetics of photocatalytic degradation of salicylic acid in liquid phase using immobilized TiO2. Before performing the kinetics, the capacity of the photocatalytic process to mineralize salicylic acid was verified. Also, the immobilization method, the initial pollutant concentration and the flow rate of the process were verified with aim of obtain a good degradation efficiency and low leaching. The kinetic model obtained was used as a wall boundary condition in CFD simulations in order to optimize an annular reactor with labyrinth through Box Behnken statistical planning and the desirability function method. The results from the validations of the laminar and turbulent mathematical models of the photocatalytic process based on data from the literature showed that they are capable of predicting the phenomena of momentum quantity transfer, chemical mass transfer and radiation transfer. Based on the sensitivity study of the turbulent Schmidt number, it was found that this has a significant effect on the prediction in systems with high limitation to mass transfer and that it has different sensitivity depending on the turbulence model selected. Among the turbulence models, it was observed that the AKN model with Sct equal to 0.8 provided the best response in the prediction of mass transfer in photocatalytic processes with high limitation to mass transfer. However, the standard k-e model with Sct equal to 0.2 can be an alternative to simulate complex cases, since this model presented lower computational cost and greater numerical stability in relation to the others. From the immobilization experiments, it was observed that the immobilization method called calcination was the most suitable for use in degradation experiments of salicylic acid, since it had good efficiency and low leaching of the catalyst. Still based on bench experiments, it was concluded that the photocatalytic process with immobilized TiO2 and UVC light is capable of performing not only the degradation, but also the mineralization of salicylic acid and that this process follows a first order kinetics, both in relation to concentration as to light intensity. Finally, it was concluded that the combination of statistical tools and computational fluid dynamics can be a good alternative to perform projects and optimizations of photocatalytic reactors, since the annular photocatalytic reactor optimized in this work presented a degradation time and an energy value operational 53% lower than the time and energy values of a conventional annular reactor.