Micropollutants removal by photo-catalytic filtration using functionalized porous media

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia CivilA contaminação e poluição do meio ambiente têm sido apontadas como um dos maiores problemas da sociedade moderna. 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 podem ser precursores 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 micropoluentes orgânicos refratários, assumindo-se como alternativa viável a outras formas de oxidação mais dispendiosas. Neste contexto, o presente trabalho de investigação tem como objetivo principal o desenvolvimento e avaliação da eficiência da aplicação de técnicas de fotocatálise heterogénea na remoção de antibióticos e pesticidas (neste caso, o cloridrato de oxitetraciclina (OTC) e atrazina (ATZ)), em meio aquoso, baseada na utilização de filtros fotooxidativos. Na funcionalização do meio poroso foi utilizado o método sol gel, que se baseia na utilização de nanopartículas TiO2, imobilizadas em grãos de quartzo. Na presente dissertação são apresentadas as metodologias e os resultados experimentais obtidos nos ensaios de degradação de OTC e ATZ, sob incidência de radiação solar com contributo das nanopartículas de TiO2, em duas colunas de filtração com meios porosos de dimensão diferente. A determinação da concentração dos poluentes foi realizada por espectrometria UV – visível. A dissertação contempla ainda a análise toxicológica dos subprodutos da adsorção. As eficiências e cinéticas de degradação da OTC e ATZ foram obtidas através dos resultados dos ensaios efetuados no reator fotocatalítico de fluxo contínuo, para diferentes caudais e concentrações iniciais de 20 mg/L e 5 mg/L, respetivamente, usando uma matriz de água sintética. A melhor eficiência de fotodegradação da OTC e ATZ foi de 98% e 13%, com uma quantidade de energia solar acumulada de 1832 kJ/L e 1648 KJ/L respetivamente, obtida para um caudal de 12 L/h na coluna reativa com meio poroso de menor dimensão, em sistema fechado. O teste de toxicidade realizado às soluções resultantes do tratamento por adsorção mostrou que a presença de TiO2 não incrementa nem induz toxicidade na água filtrada.The contamination and pollution of the environment have been identified as one of the biggest problems of modern society. Preservation of human health has always been a main concern for society, which drives the required development of new and more sustainable treatment processes for micropollutants removal from water. Those can be precursors of potentially carcinogenic substances and can present refractory behavior to conventional technologies installed in most existing Water Treatment Plants (WTP). Recent scientific studies have demonstrated the potential of heterogeneous photocatalysis (HP) and the photocatalytic effect of the titanium dioxide (TiO2), in refractory organic micropollutants removal, assuming it as a viable alternative to other more expensive oxidation techniques. In this context, the present research work aims to contribute to the development and evaluating of heterogeneous photocatalysis efficiencies in antibiotics and pesticides removal (in this case, oxytetracycline hydrochloride (OTC), and atrazine (ATZ)) from water, based on photo-oxidative filters application. The functionalization of the porous medium was made by sol-gel method, which is based on the use of TiO2 nanoparticles immobilized on quartz grains. In the present dissertation are shown the methodologies and the results by testing OTC and ATZ degradation under solar radiation with the contribution TiO2 nanoparticles, in two filtration columns with porous environment of different sizes. The pollutant concentration measurement was performed by spectrometry UV- visible. A simplified toxicological analysis way carried out using a normalized biotests of water samples taken before and after the adsorption process. The efficiencies and kinetics of OTC and ATZ degradation were defined using the results of tests performed in a photocatalytic reactor in continuous flow. The tests were executed for different flow rates and initial concentrations of 20 mg/L and 5 mg/L of OTC and ATZ, respectively, using a synthetic matrix of water. The best OTC and ATZ photodegradation efficiency was 98 % and 13 %, with an amount of stored solar energy of 1832 KJ/L and 1648 KJ/L, obtained at a flow rate of 12 L/hr in a reactive column with smaller porous environment in a closed circuit. The toxicity tests performed showed that the resulting solutions from the treatment by adsorption with TiO2 do not increase or induce toxicity in the filtered water