Use of a thermally treated bentonite as a photo-Fenton catalyst for the degradation in aqueous solutions

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESThe presence of toxic organic and inorganic compounds in surface waters is one of the major environmental pollution problems. The textile industries generate a large amount of effluents containing organic dyes, such as Rhodamine B and Methylene Blue. These present toxicity, mutagenic and carcinogenic properties, as well as low biodegradability. Thus, they significantly compromise the equilibrium of the aquatic ecosystem and public health, with the need for pretreatment of effluents. Thus, the main objective of this work was the discoloration and degradation by heterogeneous photo-Fenton reaction of the dyes Rhodamine B and Methylene Blue from aqueous solutions using as an catalyst an thermally treated bentonite at 200ºC. The catalyst was characterized by XRD, adsorption and desorption isotherm of N2, pore size distribution, surface area, volume and pore size, FTIR and SEM-EDS. The evaluation of the photocatalytic activity of the material using Rhodamine B as contaminant was examined under constant conditions of pH and mass of the catalyst. Iron leaching was evaluated by atomic absorption spectroscopy. To evaluate the effects of pH variation and catalyst mass on the Methylene Blue dye discoloration rate, the RCCD experimental design was performed (22). The experimental temperature was the ambient for both works. It was verified that the bentonite has a mesoporous structure, surface area corresponding to 99.18m2.g-1 and pore size of 5.55nm. For the conditions studied, the results showed a significant discoloration and degradation of the dyes. For 30, 65 and 100mg.L-1 of the Rhodamine B dye the discoloration reached, respectively, 94%, 67% and 56% and the partial degradation was proved through LC-MS, both in 300 minutes of reaction. The catalyst showed to be a highly stable material, since the iron final concentration in the solution was 1.71mg.L-1. Through RCCD 22, it was possible to optimize the operational conditions. The optimal point was at pH = 2.4 and m = 0.02g, achieving a decolorization efficiency of the methylene blue dye equivalent to 93.9%, in the time of 180 minutes of photo-Fenton reaction, for an initial concentration of 50mg.L-1. For these same conditions, its degradation occurred partially, because the presence of the dye in the solution was reduced and occurred its transformation into intermediate products. Thus, the treated bentonite can be considered a promising catalyst in the heterogeneous photo-Fenton reaction for the discoloration and degradation of organic dyes in aqueous solution.A presença de compostos tóxicos orgânicos e inorgânicos nas águas superficiais é um dos grandes problemas de poluição ambiental. As indústrias têxteis geram uma grande quantidade de efluentes contendo corantes orgânicos, como a Rodamina B e o Azul de Metileno. Estes apresentam toxicidade, propriedades mutagênicas e carcinogênicas, além de baixa biodegradabilidade. Assim, comprometem significativamente o equilíbrio do ecossistema aquático e a saúde pública, havendo a necessidade de tratamento prévio dos efluentes. Desta forma, o objetivo principal deste trabalho consistiu na descoloração e degradação por reação foto-Fenton heterogêneo dos corantes Rodamina B e Azul de Metileno a partir de soluções aquosas utilizando como catalisador uma bentonita tratada termicamente a 200ºC. O catalisador foi caracterizado por DRX, isoterma de adsorção e dessorção de N2, distribuição do tamanho dos poros, área de superfície, volume e tamanho dos poros, FTIR e MEV-EDS. A avaliação da atividade fotocatalítica do material utilizando Rodamina B como contaminante foi examinada sob condições constantes de pH e massa do catalisador. A lixiviação de ferro foi avaliada por espectroscopia de absorção atômica. Para avaliar os efeitos da variação do pH e da massa do catalisador sobre a taxa de descoloração do corante Azul de Metileno foi realizado o planejamento experimental DCCR (22). A temperatura experimental foi a ambiente para ambos os trabalhos. Verificou-se que a bentonita possui estrutura mesoporosa, área de superfície correspondente a 99,18m2.g-1 e tamanho de poros de 5,55nm. Para as condições estudadas, os resultados demonstraram uma significativa descoloração e degradação dos corantes. Para 30, 65 e 100mg.L-1 do corante Rodamina B a descoloração atingiu, respectivamente, 94%, 67% e 56% e a degradação parcial foi comprovada através do LC-MS, ambas em 300min de reação. O catalisador mostrou-se um material com alta estabilidade, visto que a concentração final de ferro na solução foi de 1,71mg.L-1. Através do DCCR 22 foi possível otimizar as condições operacionais, constatando-se que o ponto ótimo foi em pH = 2,4 e m = 0,02g, alcançando uma eficiência de descoloração do corante Azul de Metileno equivalente a 93,9%, em 180min de reação foto-Fenton, para uma concentração inicial de 50mg.L-1. Para estas mesmas condições, a sua degradação ocorreu de forma parcial, visto que houve a redução da presença do corante na solução e a transformação deste em produtos intermediários. Desta forma, a bentonita tratada pode ser considerada um catalisador promissor na reação heterogênea foto-Fenton para a descoloração e degradação de corantes orgânicos em solução aquosa