Reactive filtration in porous media photo-oxidative

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia CivilO crescente aparecimento de micropoluentes orgânicos refratários às tecnologias convencionais instaladas na grande maioria das estações de tratamento de águas existentes (ETA e ETAR) e a sua introdução contínua no ambiente representam um risco latente para a saúde pública, agravado pelo seu caráter de bioacumulação e persistência, sendo já conhecidos efeitos nefastos nos seres vivos, tais como disfunções nos sistemas endócrino e reprodutivo, a ocorrência de abortos espontâneos, a incidência de neoplasias malignas e a indução de bactérias mais resistentes aos antibióticos. Neste contexto, o presente trabalho de investigação pretende dar um contributo para o desenvolvimento e aplicação de filtros foto-oxidativos na remoção de antibióticos (neste caso, o cloridrato de oxitetraciclina (OTC)), em meio aquoso, através da avaliação das eficiências do processo de fotocatálise heterogénea promovido durante a filtração. O método utilizado para a funcionalização do meio poroso concebido baseia-se na utilização de nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2) imobilizadas em grãos de quartzo pelo método sol-gel. Nesta dissertação são apresentadas as metodologias desenvolvidas e aplicadas, bem como os resultados experimentais relativos aos ensaios de degradação da OTC efetuados em colunas de filtração expostas à radiação solar, com e sem o contributo de nanopartículas de TiO2, usado como catalisador. A determinação da concentração da OTC foi realizada por espectrometria UV – visível. No sentido de se avaliar se os subprodutos do processo de oxidação induzem ou não uma toxidade acrescida nas soluções aquosas, foi ainda efetuada uma análise ecotoxicológica através da realização de bioensaios a amostras retiradas antes e após esse processo. As eficiências e cinéticas de degradação de OTC foram definidas através dos resultados dos ensaios efetuados num reator fotocatalítico de fluxo contínuo, para diferentes caudais e concentrações iniciais de OTC, usando uma matriz de água sintética (diluição do composto em água destilada). A melhor eficiência de degradação de OTC com o contributo das nanopartículas foi de 99%, obtida para uma concentração inicial de 20 mg L-1 de OTC, um caudal de 6 L h-1 em circuito fechado e uma quantidade de energia solar acumulada de 805 kJ L-1. Os testes de toxicidade realizados mostraram que as soluções resultantes do tratamento por fotocatálise heterogénea (FH) com TiO2 não incrementam nem induzem toxicidade na água filtrada.The increasing incidence of refractory organic micropollutants to conventional technologies installed in most existing water treatment plants and its continued introduction into the environment represent a latent risk to public health. This exposure is compounded by its bioaccumulation and persistence nature, being known adverse effects in living beings such as dysfunction in the endocrine and reproductive systems, in the spontaneous abortions, the incidence of malignant neoplasms and the induction of more antibiotic resistant bacteria. In this context, the present research work aims to contribute to the development and application of photo-oxidative filters in removing antibiotics (in this case, oxytetracycline hydrochloride (OTC)) in aqueous environment, by evaluating the process efficiencies of heterogeneous photocatalysis promoted during filtration. The method used for the functionalization of the designed porous medium is based on the use of titanium dioxide nanoparticles (TiO2) immobilized on quartz fragments by sol-gel method. This thesis presents the developed and applied methodologies, as well as the experimental results for the OTC degradation runs during filtration columns exposure to solar radiation, with and without the contribution of TiO2 nanoparticles, used as a catalyst. The OTC concentration measurement was performed by spectrometry UV- visible. In order to assess whether the by-products of the oxidation process induce or not an increased toxicity in the aqueous solutions, was further performed an ecotoxicological analysis by carrying out the bioassay to samples taken before and after this process. The efficiencies and kinetics of OTC degradation were established using the results of tests carried out in a photocatalytic reactor with continuous flow, at different flow rates and initial concentrations of OTC using a matrix of synthetic water (dilution of the compound in distilled water). The best OTC degradation efficiency with the help of the nanoparticles was 99%, obtained for an initial concentration of 20 mg L-1 of TBT, a flow rate of 6 L h-1 in loop and a quantity of stored solar energy 805 kJ L-1. The toxicity tests carried out showed that the resulting solutions from the treatment by photocatalysis heterogeneous (FH) with TiO2 do not increase or induce toxicity in the filtered water