Investigação Fenomenológica de Reatores Fotocatalíticos por Integração de Simulação Ótica e Fluidodinâmica Computacional

Abstract

A pesquisa em reatores fotocatalíticos, tanto homogêneos quanto heterogêneos, tem se destacado pela relevância industrial e acadêmica, com aplicações que abrangem desde a degradação de poluentes até a síntese de compostos de alto valor agregado. Um dos principais desafios para o avanço nessa área é o transporte eficiente de fótons no meio reacional, fator determinante para a eficiência global do processo e para a intensificação do fenômeno fotocatalítico. Diversas estratégias têm sido propostas na literatura para superar esse obstáculo, explorando diferentes geometrias e configurações de reatores, como concentradores solares luminescentes, placas microestruturadas, reatores com vórtice Taylor-Couette e reatores com sistemas rotor-estator, que evidenciam o potencial de intensificação do processo por meio da otimização da iluminação, da mistura e da transferência de massa. Nesse contexto, o presente trabalho desenvolveu um modelo computacional para analisar o transporte de fótons e o transporte de espécies químicas em um reator tubular de vidro irradiado por uma lâmpada Kessil UV, representada como fonte lambertiana. Foram lançados 30.000 raios monocromáticos, permitindo avaliar a intensidade e a trajetória da radiação no interior do reator. A análise mostrou que o coeficiente de difusão exerce papel decisivo na evolução da concentração: valores elevados resultaram em comportamento homogêneo e bem misturado; valores intermediários revelaram gradientes espaciais decorrentes da competição entre transporte difusivo e reação química; já em valores mínimos, a cinética local dominou o processo, gerando forte heterogeneidade e subaproveitamento do volume reacional. A discretização espacial foi realizada com malha extrafina, garantindo alta precisão na captura dos gradientes e da distribuição de radiação, embora com elevado custo computacional e geração de arquivos robustos. Os resultados confirmam que a intensificação de reatores fotocatalíticos depende não apenas da otimização da fonte de radiação, mas também da garantia de regimes adequados de transporte, reforçando a importância de estratégias de engenharia voltadas à promoção de mistura eficiente, otimização geométrica e aumento da eficiência energética, aspectos essenciais para a viabilização em escala industrial.