Application of nanomaterials in advenced oxidation of organic pollutants

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil (área de especialização em Perfil de Hidráulica e Ambiente)A constante preocupação com a preservação da saúde humana impulsiona o necessário desenvolvimento de novos e mais sustentáveis processos de tratamento para remoção de micropoluentes das águas, dado que alguns deles, como é o caso da matéria orgânica natural (MON), podem ser percussores de substâncias potencialmente cancerígenas e apresentar comportamento refratário às tecnologias convencionais instaladas na grande maioria das estações de tratamento de água (ETA). Estudos científicos recentes têm vindo a evidenciar a potencialidade da fotocatálise heterogénea (FH) e do efeito catalítico do dióxido de titânio (TiO2), na remoção eficaz de MON e outros micropoluentes orgânicos, assumindo-se como alternativa viável a outras formas de oxidação mais dispendiosas. O presente trabalho de investigação tem como objetivo principal o desenvolvimento e avaliação da eficiência da aplicação de técnicas de oxidação avançada na remoção de constituintes orgânicos (MON), baseada na utilização de nanopartículas de TiO2 suspensas na água. Neste documento são apresentadas as metodologias utilizadas na investigação efetuada, nomeadamente a definição da relação entre a concentração de ácido húmico (AH) e a absorvância, bem como a análise dos resultados (absorvância a 254 nm, pH, CQO, cloro livre e total) obtidos em ensaios de degradação de MON sob incidência de radiação solar e UV (TNN 15/32), com e sem o contributo catalítico das nanopartículas de TiO2. A eficiência e cinética de degradação foram estudadas considerando diferentes concentrações iniciais de MON, resultantes das diferentes matrizes aquosas utilizadas: água sintética, obtida por diluição de ácido húmico; água superficial natural, recolhida em dois pontos (com diferentes graus de poluição) da ribeira de Couros, em Guimarães; e água da rede pública de abastecimento à qual se adicionou uma solução com igual concentração inicial de AH. A melhor eficiência de degradação de MON foi de 99% tendo sido obtida sob incidência de radiação UV, numa água sintética com uma concentração inicial de AH igual a 8 mg/L e uma concentração de TiO2 de 5 mg/L. No sentido de avaliar se a oxidação efetuada conduz a águas tratadas ecotoxicologicamente mais seguras, este trabalho contempla ainda uma análise toxicológica dos subprodutos de oxidação da MON. Os testes de toxicidade realizados mostraram que o AH inicial e a solução resultante do tratamento fotocatalítico com TiO2 não induzem toxicidade nas matrizes de água estudadas.Preservation of human health has always been a main concern for society, drives the development required of new and more sustainable treatment processes for the removal of micropolluants of water, as somo of them, such as the natural organic matter (NOM), may be precursors of potentially carcinogenic substances and present refractory behavior to conventional technologies installed in most water treatment plants (WTP). Given the growing interest in solving this problem, this investigation has as its main goal the development and evaluation of the efficiency of the application of advanced oxidation techniques in the removal of organic constituents (NOM), which is based on the use of titanium dioxide that is suspended in water, assuming as a viable alternative to other forms of more expensive oxidation. This paper presents the methodologies used in research conducted, in particular the definition of the relationship between absorbance and concentration of humic acid (HA), as well as the analysis of the results (absorbance at 254 nm, pH, COD, free and total chlorine) of the trials made, which are based on the degradation of NOM under the incidence of solar radiation and UV (TNN 15/32), with and without the catalytic contribution of titanium dioxide nanosized particles. The efficiency and kinetics of degradation were studied considering different initial concentrations of MON. These different concentrations were the result of different types of water matrices used such as: synthetic water obtained by dilution of humic acid (HA); natural surface water samples collected at two points (with different degrees of pollution) in the Couros stream (Guimarães); and water of supply network with a solution of the same initial concentration of HA. The highest efficiency degradation of NOM recorded was 99%. This value was obtained under UV radiation , in a synthetic water with an initial concentration of HA equal to 8 mg / L and a TiO2 concentration of 5 mg/L. In order to assess if performed oxidation leads to safest ecotoxicological treates waters, this work also addresses a toxicological analysis of the byproducts of oxidation da MON. Toxicity tests have shown that initial HA and the resulting solution of the photocatalytic treatment with TiO2 do not induce toxicity in the water matrices studied