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Title: Desinfecção eletroquímica de águas: avaliação do desempenho de reator composto de membrana cerâmica e eletrodos de esponja de níquel e titânio/platina.
Other Titles: Electrochemical water disinfection: evaluation of the performance of reactor composed of ceramic membrane and nickel sponge electrodes and titanium/platinum.
Desinfección electroquímica del agua: evaluación del desempeño de Reactor compuesto por membrana cerámica y electrodos de esponja de níquel. y titanio/platino.
???metadata.dc.creator???: COSTA, Tereziana Silva da.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: FRANÇA, Kepler Borges.
???metadata.dc.contributor.advisor-co1???: PEARSON, Howard William.
???metadata.dc.contributor.referee1???: OLIVEIRA, Líbia de Sousa Conrado.
???metadata.dc.contributor.referee2???: FARIAS NETO, Severino Rodrigues de.
???metadata.dc.contributor.referee3???: FRANÇA, Márcia Izabel Cirne.
???metadata.dc.contributor.referee4???: VASCONCELOS, Antonio Carlos Sales.
Keywords: Reator eletroquímico tubular;Eletrogeração de cloro;Radicais hidroxilas;Escherichia coli;Colifagos somáticos;Consumo energético;Tubular electrochemical reactor;Chlorine electrogeneration;Hydroxyl radicals;Somatic coliphages;Energy consumption;Reactor electroquímico tubular;Electrogeneración de cloro;Radicales hidroxilo;Consumo de energía
Issue Date: 28-May-2020
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: COSTA, Tereziana Silva da. Desinfecção eletroquímica de águas: avaliação do desempenho de reator composto de membrana cerâmica e eletrodos de esponja de níquel e titânio/platina. 2020. 126 fl. Tese (Doutorado em Engenharia Química), Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2020. Disponível em: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/36292
???metadata.dc.description.resumo???: A desinfecção eletroquímica ocorre por meio da oxidação anódica eletroquímica (EAO) e tem demostrado eficiência na eliminação de diversos microrganismos. Suas principais vantagens incluem a possibilidade de produzir espécies desinfectantes in situ, baixo consumo energético, instrumentação compacta, facilidade de operação e automação, permitindo sua aplicação de maneira descentralizada. Visando contribuir com o progresso dessa tecnologia foi desenvolvido um reator eletroquímico tubular, com cátodo poroso de níquel e ânodo de titânio revestido com platina posicionados dentro de uma membrana cerâmica não condutora. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar o desempenho deste reator na geração de espécies oxidantes e eliminação de Escherichia coli e colifagos somáticos. A membrana tem a função de remover os sólidos em suspensão, mas devido à direção do fluxo também funciona como um promotor de turbulência favorecendo o transporte de massa. O modo de operação do reator foi dead-end e os tratamentos eletroquímicos ocorreram sem recirculação, com tempos de residência teóricos variando entre 4,18 e 74,75 s. O desenvolvimento deste trabalho foi dividido em três fases. A primeira consistiu da confecção e caracterização de membranas cerâmicas. Na segunda fase, estudou-se o desempenho do reator no tratamento eletroquímico de águas sintéticas por planejamento experimental, com variáveis de entrada: NaCl, Na2SO4, diferença de potencial e vazão. Na terceira fase foi avaliada a performance de dois protótipos do reator (RET-01 e RET- 02) em termos de remoção de turbidez e cor, desinfecção, consumo de energia e custo da produção de água tratada em função das características físico-químicas e microbiológicas de águas residuárias. As membranas apresentaram tamanho de poro semelhante, porosidade aparente de 42,79% e 53,24% para MR01-10 e MR01-25, respectivamente, sendo o fluxo desta última em média 12,5 vezes superior à MR01-10. Nas melhores condições do planejamento experimental (Q = 1,6 L min-1, DDP = 12 V, [NaCl] = 1000 mg L-1, [Na2SO4] = 1000 mg L-1) a eletrogeração de cloro no reator atingiu 1,80 mg L-1 e a inativação de Escherichia coli foi 4,85-log10. A degradação de N,N-dimetil-p-nitrosoanilina (RNO) obtida na ausência de cloretos mostrou indícios da formação de radicais hidroxilas. Na Fase III foi verificada maior eficiência na remoção de turbidez e cor das águas residuárias no RET-02, devido à utilização da membrana MR01-10, reduzindo até 57,2% de turbidez e 39,0% de cor. A inativação de Escherichia coli foi visivelmente influenciada pela concentração de cloretos, constatando-se a redução de até 4,67-log10 no reator RET-01, nesse mesmo protótipo foi obtida inativação de 2,33-log10 de colifagos somáticos e o consumo energético para esses níveis de desinfecção foi apenas 0,10 kW h m-3. Para a mesma DDP os resultados de desinfecção foram melhores no RET-02 devido à maior área do ânodo e maior tempo de residência, porém, o consumo energético também foi superior.
Abstract: Electrochemical disinfection occurs through Electrochemical Anodic Oxidation (EAO) and has been shown to be efficient in the inactivation of various microorganisms. Its main advantages include ability to produce disinfectant species in situ, low energy consumption, compact instrumentation, ease of operation and automation, allowing their application in a decentralized manner. To contribute to the progress of this technology, a tubular electrochemical reactor was developed with foam nickel cathode and platinum coated titanium anode positioned within a nonconductive ceramic membrane. The main aim of this work was to evaluate the performance of this reactor in the generation of disinfecting oxidizing species and the subsequent removal of Escherichia coli and somatic coliphages. The membrane has the function of removing suspended solids, but due to the flow direction it also acts as a turbulence promoter that favors mass transport. The reactor's operation mode was “dead-end” and the electrochemical procedures occurred without recirculation, with theoretical residence times varying between 4.18 and 74.75 s. The development of this work was divided into three phases. The first consisted of making and characterizing ceramic membranes. The second phase of the study evaluated the performance of the reactor in the electrochemical treatment of synthetic waters through experimental planning, with input variables: NaCl, Na2SO4, potential difference and flow. In the third phase, the performance of two reactor prototypes (RET-01 and RET-02) was evaluated in terms of removing turbidity and colour, disinfection, energy consumption and cost of producing treated water according to the physico-chemical and microbiological characteristics of the wastewater. The membranes presented similar pore sizes, and apparent porosities of 42.79% and 53.24% for MR01-10 and MR01-25, respectively, with the average flow of the latter being 12.5 times greater than MR01-10. In the best conditions of the experimental design (Q = 1.6 L min-1, DDP = 12 V, [NaCl] = 1000 mg L-1, [Na2SO4] = 1000 mg L-1) the chlorine electrogeneration in the reactor reached 1.80 mg L-1 and Escherichia coli inactivation was 4.85-log10. The degradation of N,N-dimethyl-p-nitrosoaniline (RNO) obtained in the absence of chlorides showed evidence of the formation of hydroxyl radicals. In phase III, greater efficiency in removing turbidity and color from wastewater was verified in RET-02, due to the use of the MR01-10 membrane, reducing up to 57.2% turbidity and 39.0% color. Escherichia coli inactivation was visibly influenced by the concentration of chlorides, with a reduction of up to 4.67-log10 in the RET-01 reactor, in this same prototype, was obtained 2,33- log10 inactivation of somatic coliphages and the energy consumption for these levels of disinfection was only 0.10 kW h m-3. For the same DDP, disinfection results were better in RET-02 due to the larger anode area and longer residence time, however, energy consumption was also higher.
???metadata.dc.description.resumen???: La desinfección electroquímica se produce mediante oxidación anódica electroquímica (EAO) y tiene eficacia demostrada en la eliminación de diversos microorganismos. Sus principales ventajas incluyen la posibilidad de producir especies desinfectantes in situ, bajo consumo energético, Instrumentación compacta, facilidad de operación y automatización, permitiendo su aplicación de manera descentralizada. Con el objetivo de contribuir al progreso de esta tecnología, se un reactor electroquímico tubular, con cátodo poroso de níquel y ánodo de titanio recubierto de platino colocado dentro de una membrana cerámica no conductora. El objetivo principal El objetivo de este trabajo fue evaluar el desempeño de este reactor en la generación de especies oxidantes y Eliminación de Escherichia coli y colifagos somáticos. La membrana tiene la función de eliminar sólidos en suspensión, pero debido a la dirección del flujo también funciona como promotor turbulencias que favorecen el transporte masivo. El modo de funcionamiento del reactor estaba en un callejón sin salida. y los tratamientos electroquímicos se produjeron sin recirculación, con tiempos de residencia teóricos variando entre 4,18 y 74,75 s. El desarrollo de este trabajo se dividió en tres fases. A El primero consistió en la fabricación y caracterización de membranas cerámicas. En la segunda fase, el rendimiento del reactor en el tratamiento electroquímico de aguas sintéticas mediante planificación experimental, con variables de entrada: NaCl, Na2SO4, diferencia de potencial y tasa de flujo. En la tercera fase, la actuación de dos prototipos de reactores (RET-01 y RET- 02) en términos de turbidez y eliminación de color, desinfección, consumo de energía y costo de producción de agua tratada dependiendo de las características físico-químicas y microbiológicas del aguas residuales. Las membranas tenían tamaño de poro similar, porosidad aparente de 42,79% y 53,24% para MR01-10 y MR01-25, MR01-25, respectivamente, con el flujo de este duran en promedio 12,5 veces más que el MR01-10. En las mejores condiciones de planificación. experimental (Q = 1.6 L min-1, DDP = 12 V, [NaCl] = 1000 mg L-1, [Na2SO4] = 1000 mg L-1) la electrogeneración de cloro en el reactor alcanzó 1.80 mg L-1 y la inactivación de Escherichia coli fue 4,85-log10. La degradación de la N,N-dimetil-p-nitrosoanilina (RNO) obtenida en ausencia de cloruros. mostró evidencia de la formación de radicales hidroxilo. En la Fase III se observó mayor eficiencia en la eliminación de turbiedad y color de aguas residuales en RET-02, debido al uso de la membrana MR01-10, reduciendo la turbidez hasta en un 57,2% y el color en un 39,0%. Inactivación de Escherichia coli estuvo visiblemente influenciada por la concentración de cloruros, con una reducción de hasta 4,67-log10 en el reactor RET-01, en este mismo prototipo, 2,33-log10 inactivación de colifagos somáticos y el consumo de energía para estos niveles de desinfección fue de sólo 0,10 kW·h·m-3. Para el mismo DDP, los resultados de desinfección fueron mejores en RET-02 debido a Sin embargo, debido al área de ánodo más grande y al mayor tiempo de residencia, el consumo de energía también fue más alto.
Keywords: Reator eletroquímico tubular
Eletrogeração de cloro
Radicais hidroxilas
Escherichia coli
Colifagos somáticos
Consumo energético
Tubular electrochemical reactor
Chlorine electrogeneration
Hydroxyl radicals
Somatic coliphages
Energy consumption
Reactor electroquímico tubular
Electrogeneración de cloro
Radicales hidroxilo
Consumo de energía
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia química
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/36292
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