Processo para destruição de compostos orgnicos e inorganicos voláteis em fase gasosa por fotocatalise heterogenea

  • Número do pedido da patente:
  • PI 9700500-2 A2
  • Data do depósito:
  • 04/04/1997
  • Data da publicação:
  • 03/11/1998
Inventores:
  • Classificação:
  • B01J 101/50
    Descri??o n?o cadastrada.
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Patente de Invenção "PROCESSO PARA DESTRUIÇÃO DE COMPOSTOS ORGNICOS E INORGNICOS VOLATEIS EM FASE GASOSA POR FOTOCATALISE HETEROGENEA", do tipo que baseia-se no emprego de um semicondutor, que deve ser iluminado por fonte de luz natural ou artificial.

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Documento

Relatório Descritivo da Patente de Invenção '‘PROCESSO PARA DESTRUIÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS VOLÁTEIS EM FASE GASOSA POR FOTO-CATALISE HETEROGENEA".

5,    Refere-se o presente relató

rio a um processo para destruição de compostos orgânicos e inorgânicos voláteis em fase gasosa por fotocatãlise heterogênea, ditos compostos estando presentes em ambientes internos ou externos (atmosferas confinadas ou não), 10. sendo esta destruição baseada em um processo redox (processo químico) que ocorre na superfície de um semicondutor quando iluminado.

Por definição, compostos orgânicos voláteis (VOCs) são um sub-grupo dos compostos 15. orgânicos caracterizados pela sua tendência a evaporar (volatilisar) à uma temperatura ambiente.

Em geral, possuem ponto de e-bulição < 100 graus centígrados e /ou pressão de vapor > lmm Hg a 25 graus centígrados.

20.    Muito embora não se aplique o

termo VOC também é usado para alguns compostos inorgânicos (tais como H2S, NHg, etc.) e nesta patente será utilizado indistintamente para caracterizar tanto compostos orgânicos como inorgânicos.

Basicamente, o processo em questão pode ser descrito através dos seguintes passos: quando iluminado por fótons, um semicondutor pode promover elétrons da sua banda de valência para a banda de condução. Este processo depende da energia do fóton e da diferença de energia que existe entre estas duas bandas no semicondutor, ou seja, da natureza do semicondutor. Ao promover este elétron, o semicondutor passa a se comportar como um condutor, e a partir do momento que há um receptor e um doador de elétrons, a partícula comporta-se como num "curto-circuito".

Isto significa que na superfície do semicondutor encontram-se sítios altamente oxi-dantes e sítios altamente redutores. Estes fundamentos foram descritos em detalhes por Nogueira e Jardim (1993).

São estes sítios os responsáveis diretos e indiretos pela destruição dos VOCs.

Dentre as tecnologias emergentes aplicadas ao tratamento e abate de poluentes, gran de parte delas tem sido voltada para processos destrutivos e não mais para aqueles tradicionais, os quais são baseados principalmente na transferência de fase do poluente. Dentre estes, a fotocatálise heterogênea mediada pelo uso de semicondutores tem sido bastante explorada nesta última década.

A grande maioria dos estudos tem sido feitos em fase aquosa, usando o catalisador na forma de suspensão.

Estudos mais recentes, entretanto, têm buscado uma otimização deste processo, suportando o catalisador em um substrato qualquer, suporte este de natureza física ou química. 0 uso do catalisador suportado dispensa o pós-tratamento de recuperação do sólido. melhorando a performance e diminuindo custos.

A catálise heterogênea usando semicondutores como fotocatalisadores tem sido usada com sucesso, conforme já dito, em soluções aquosas, minerali-sando (ou seja, transformando compostos orgânicos em C02) uma vasta classe de compostos.

A grande vantagem deste processo frente a outros processos oxidativos tradicionais é que geralmente, a destruição fotocatalítica é total, e os produtos finais são água, dióxido de carbono e sais inorgânicos.

Dentre os semicondutores mais comumente utilizados, a literatura cita os óxidos metálicos (tais como Ti02, ZnO, W20g, etc), sulfetos metálicos tais como CdS, além de misturas de óxidos ou mesmo de outras classes de compostos inorgânicos e/ou orgânicos, tais como profirinas, polipirróis, etc.

Conforme o descrito, quando

iluminados com fótons de energia igual ou superior a da

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energia de banda gap de um semicondutor, elétrons são promovidos da banda de valência para a banda de condução .

Neste processo, há a formação 5. de lacunas (sítios pobres em elétrons, portanto oxidan-tes) e de elétrons (sítios redutores) na superfície do semicondutor. Geralmente as lacunas são sítios com alto poder oxidante (~ 3,0 versus ESC, a pH zero) e podem atuar diretamente no composto a ser destruído, ou então via 10. OH radical gerado na superfície do catalisador.

Se houver um aceptor de elétrons com grande afinidade para ser reduzido, e assumindo-se a presença do agente a ser oxidado, o processo re-dox continua indefinidamente até a exaustão de um dos pa-15. res presentes. Caso não haja um coadjuvante, o elétron recombina-se com a lacuna, num processo térmico.

Sob o ponto de vista químico o processo em questão é muito interessante, pois quando um semicondutor é excitado pela fonte de irradiação ade-20. quada há o estabelecimento de um processo redox que além de se manter indefinidamente enquanto houver redutores e oxidantes presentes, mantém também a integridade do semicondutor .

Desta maneira, o presente in-25. vento explora a utilização do princípio da oxidação e redução que ocorrem na superfície e vicinidades da superfície do semicondutor, aplicando-o com a finalidade de des-

truição de VOCs presentes em fase gasosa, que podem ou não serem causadores de odor,

A seguir, o processo em questão será pormenorizadamente descrito com a figura única que ilustra esta patente de invenção e que representa um desenho esquemãtico de um tipo de reator que pode ser empregado com o processo ora tratado.

De conformidade com o quanto ilustra a figura única, o processo proposto compreende que o ar contaminado com o VOCs seja colocado em contato com um semicondutor e iluminado num espaço físico previamente selecionado e aqui denominado de reator fotoca-talítico, onde os mesmos são destruídos, conforme já mencionado, na presença de lua e de um semicondutor sólido, seja ele na forma de pó, gel, colóide, ou similar, inde-pendentemente do tamanho da partícula, sendo que o dito semicondutor pode ser empregado tanto na forma suportada, empacotada ou mesmo fluidizada.

A fonte de iluminação capaz de fornecer fótons com poder de excitar o semicondutor pode ser tanto natural (luz solar), como artificial (lâmpadas incandescentes e fluorescentes), emitindo radiações que cobrem a faixa do ultra-violeta (250nm) até o infravermelho próximo (l.ÕOOnm).

A atmosfera contaminada pode ser levada até o reator por processos passivos ou ativos, sendo este último feito com o auxílio de bombas ou qual-

quer outro dispositivo baseado na diferença de pressão.

A figura única que integra esta patente de invenção mostra um desenho esquemático do reator fotocatalítico empregado para a destruição de VOCs 5. em fase gasosa. Para se avaliar as taxas de destruição de alguns VOCs selecionou-se e montou-se um esquema onde as amostras eram coletadas na entrada e na saída do reator, em intervalos regulares, e analisadas utilizando-se a cromatografia gasosa com detector de ionização por chama LO. (GC/FID).

A tabela I abaixo representada mostra as taxas de remoção (destruição ) obtidas para diferentes classes de VOCs utilizando-se o processo foto-

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TABELA I - Taxas de remoção obtidas para diferentes ciasses de VOCs. Condições experimentais: Lâmpada luz-negra (30W), Q = 200 mL.min"1, 23% de umidade relativa e 21% de O2 -

COMPOSTO

ENTRADA

DESTRUIÇÃO

(ppmv)

<%)

h2s

579

99,3

Tricloroetileno

480

99,9

Isooctano

400

98,9

Acetona

467

98,5

Metanol

572

97,9

Metil etil cetona

497

97,1

Metil t-butil éter

587

96,1

Dimetil formaldeído acetal

595

93,9

Diclorometano

574

90,4

Metil isopropil cetona

410

88,5

Isopropanol

560

79,7

Clorofórmio

572

69,5

Tetracloroetileno

607

66,6

5.    Pode-se notar que as taxas

variam de 66 a 99%, sendo que 8 a 12 compostos testados apresentaram taxas de conversão superiores a 90%. Nestes experimentos, o reator foi operado com uma vazão de ali

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mentação de 200mL/min, 23% de "umidade relativa, 21% de oxigênio e compostos orgânicos na faixa de concentração de 400-600 ppmv e utilizando uma lâmpada lua negra de 30W de potência.

5.    Estes resultados, devidamente

expressos na tabela I, demonstram a habilidade do processo em destruir diversas classes de VOCs presentes na atmosfera.

0 sistema fotocatalitico po-10. de também ser empregado na destruição de atmosferas contaminadas por uma mistura de compostos. Atmosferas contaminadas com misturas de cetonas (acetona, metil etil ce-tona e metil isopropil cetona), compostos organoclorados (tricloroetileno, diclometano e clorofórmio), mistura de 15. diferentes classes de compostos orgânicos (metil t-butil éter, metanol, acetona e tricloroetileno), assim como resíduos gasosos provenientes de laboratório químico e de esgoto, foram destruídos com alta eficiência no processo fotocatalitico.

20.    Na figura única que integra

esta patente de invenção é representado, tal como já mencionado, um modelo de reator que pode ser utilizado para o presente processo, o qual compreende uma fonte de iluminação (a),camisa de proteção (b) contendo o catalisador 25. suportado internamente e filme de TÍO2 (c).

REIVINDICAÇÕES

1.    "PROCESSO PARA DESTRUIÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS VOLÁTEIS EM FASE GASOSA POR FOTOCATALISE HETEROGENEA", caracterizado por po£ sibilitar a destruição de ditos compostos que estão presentes em ambientes internos ou externos, sendo tal destruição baseada em um processo redox que ocorre na superfície de um semicondutor quando iluminado; sendo que na superfície do semicondutor encontram-se sítios altamente oxidantes e sítios altamente redutores.

2.    "PROCESSO PARA DESTRUIÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS VOLÁTEIS EM FASE GASOSA POR FOTOCATALISE HETEROGENEA", segundo o reivindicado em 1, caracterizado pelo fato de que o semicondutor pode estar sob a forma de pó, gel, coloide, ou similar independentemente do tamanho da partícula.

3.    "PROCESSO PARA DESTRUIÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS VOLÁTEIS EM FASE GASOSA POR FOTOCATALISE HETEROGENEA", segundo o reivindicado em 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz pode ser natural ou artificial.

4. "PROCESSO PARA DESTRUIÇÃO

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DE COMPOSTOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS VOLÁTEIS EM FASE GASOSA POR FOTOCATALISE HETEROGENEA", segundo o reivindicado em 3, caracterizado pelo fato de que a luz artificial pode ser proveniente de lâmpadas incandescentes, ou fluo-

5. rescentes,emitindo radiações que cobrem a faixa do ultravioleta (250nm) o até infra-vermelho próximo (1.500 nm) .

5.    "PROCESSO PARA DESTRUIÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS VOLÁTEIS EM FASE GASOSA POR FOTOCATALISE HETEROGENEA", segundo o reivindica-

10. do em 1, caracterizado pelo fato de que o semicondutor pode ser o TiOg.

6.    "PROCESSO PARA DESTRUIÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS VOLÁTEIS EM FASE GASOSA POR FOTOCATALISE HETEROGENEA", segundo o reivindicais. do em 1, caracterizado pelo fato de utilizar um reator

que compreende uma fonte de luz (a), uma camisa de proteção (b) contendo o catalisador suportado ou empacotado internamente, e um filme de TÍO2 (c).

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RESUMO

Patente de Invenção “PROCESSO PARA DESTRUIÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS VOLÁTEIS EM FASE GASOSA POR FOTOCATALISE HETEROGENEA", do tipo que baseia-se no emprego de um semicondutor, que deve ser iluminado por uma fonte de Tus natural ou artifi-