Avaliação fotogeométrica de suportes poliméricos revestidos com aerogel de sílica-titânia para aplicação fotocatalítica

Abstract

A fotocatálise heterogênea se constitui tecnologia promissora para a redução de poluentes de diversas naturezas. O emprego de fotocatalisadores, como o dióxido de titânio (TiO2), tem sido amplamente fomentado e uma preocupação ainda latente diz respeito ao seu uso na forma de nanopartículas em dispersão que, embora represente a forma mais ativa do material semicondutor, não agrega efeitos tecnológicos viáveis para a aplicação em larga escala. Visando melhorias nesse aspecto, há muito vem se propondo a incorporação do fotocatalisador em uma formulação de revestimento em estruturas com grande área superficial denominados de suportes. O projeto de materiais fotocatalíticos suportados mostra-se fundamental no desenvolvimento de processos e reatores fotocatalíticos altamente eficientes ao considerar, entre os mais diversos fatores, a otimização da interação da luz com o catalisador ativo e os reagentes, permitindo maximizar tanto o contato fluxo/área exposta quanto a utilização da energia irradiada. Assim, aspectos estruturais/geométricos de suportes tridimensionais para a imobilização de fotocatalisadores em conjunto com o projeto de reatores visando a melhoria nas condições de iluminação estão intimamente associados. O presente estudo propõe investigar se as propriedades geométricas de suportes poliméricos revestidos com aerogel de sílica-titânia e as condições de iluminação a eles impostas têm influência na eficiência de processos fotocatalíticos para a degradação de contaminantes em água. Aerogéis compósitos contendo SiO2 e TiO2 foram preparados por método sol-gel empregando-se diferentes proporções molares de Si:Ti. Após a secagem em condições ambiente e calcinação, os aerogéis foram aplicados como revestimento em suportes poliméricos tridimensionais impressos com diferentes geometrias. As peças revestidas foram utilizadas como fotocatalisadores monolíticos em ensaios para a degradação do corante azul de metileno. Ensaios fotocatalíticos conduzidos em batelada permitiram determinar as condições operacionais da reação. Posteriormente, ensaios de degradação em fluxo contínuo com recirculação conduziram à avaliação de diferentes arranjos de iluminação (arranjo point light lateral ? A1, arranjo flood light circunferencial ? A2 e arranjo point light frontal ? A3) combinados com cada uma das geometrias de suportes impressas (Gyroide, Honeycomb 3D e Padrão Cruzado). Os ensaios fotocatalíticos nessa etapa empregaram suportes imobilizados com aerogel compósito com proporção molar de Si:Ti de 1:3, concentração da solução poluente de 15 ppm, intensidade luminosa de ?20 mW/cm2 e vazão volumétrica de 5 mL·min-1. Testes radiométricos também foram realizados para avaliar a distribuição da intensidade luminosa em cada uma das geometrias dos suportes com relação aos arranjos de iluminação. Os ensaios fotocatalíticos nas condições avaliadas demonstraram eficiências entre 94 % e 100 % na descoloração do azul de metileno, com tempos de reação de 180 min. Na comparação dos efeitos combinados entre geometria do fotocatalisador e arranjos de iluminação sobre a eficiência do processo de descoloração do corante não foram observadas diferenças expressivas entre os ensaios realizados. Por outro lado, as taxas de velocidade aparentes calculadas para a cinética de pseudo-primeira ordem mostraram-se influenciadas pelos efeitos de combinação entre os parâmetros avaliados. Em todos os casos, a geometria com maior taxa aparente determinada foi a Honeycomb 3D (kapp = 0,027 min-1 para o arranjo de iluminação A1). Os testes radiométricos permitiram avaliar a melhor combinação entre geometria e arranjo de iluminação, atribuindo a melhor distribuição de luz no sistema ao arranjo do tipo A2 (flood light circunferencial com fita de LED) para todos os casos. A geometria que melhor permitiu a passagem de luz foi a Honeycomb 3D. Destaca-se, com isso, a importância dos efeitos combinados entre a geometria do fotocatalisador e o projeto do reator, incluindo o seu sistema de iluminação, com vistas a aprimorar o desempenho de processos fotocatalíticos.

Abstract: Heterogeneous photocatalysis is a promising technology for reducing pollutants of various kinds. The use of photocatalysts, such as titanium dioxide (TiO2), has been widely promoted, and a still latent concern relates to its use in the form of dispersed nanoparticles, which, although representing the most active form of the semiconductor material, does not add viable technological effects for large-scale application. Aiming at improvements in this aspect, the incorporation of the photocatalyst into a coating formulation on structures with a large surface area, called supports, has long been proposed. The design of supported photocatalytic materials is fundamental in the development of highly efficient photocatalytic processes and reactors, considering, among other factors, the optimization of the interaction of light with the active catalyst and the reagents, allowing the maximization of both the flux/exposed area contact and the use of irradiated energy. Thus, structural/geometric aspects of three-dimensional supports for the immobilization of photocatalysts, together with the design of reactors aimed at improving lighting conditions, are closely associated. This study proposes to investigate whether the geometric properties of polymeric supports coated with silica-titania aerogel and the lighting conditions imposed on them influence the efficiency of photocatalytic processes for the degradation of contaminants in water. Composite aerogels containing SiO2 and TiO2 were prepared by the sol-gel method using different molar ratios of Si:Ti. After drying under ambient conditions and calcination, the aerogels were applied as a coating to three-dimensional polymeric supports printed with different geometries. The coated parts were used as monolithic photocatalysts in tests for the degradation of methylene blue dye. Batch photocatalytic tests allowed the determination of the operating conditions of the reaction. Subsequently, continuous flow degradation tests with recirculation led to the evaluation of different lighting arrangements (lateral point light arrangement ? A1, circumferential flood light arrangement ? A2, and frontal point light arrangement ? A3) combined with each of the printed support geometries (Gyroid, Honeycomb 3D, and Cross Pattern). The photocatalytic tests in this stage employed supports immobilized with composite aerogel with a Si:Ti molar ratio of 1:3, a pollutant solution concentration of 15 ppm, a luminous intensity of 20 mW/cm², and a volumetric flow rate of 5 mL·min?¹. Radiometric tests were also performed to evaluate the luminous intensity distribution in each of the support geometries in relation to the lighting arrangements. The photocatalytic tests under the evaluated conditions demonstrated efficiencies between 94% and 100% in the decolorization of methylene blue, with reaction times of 180 min. In comparing the combined effects of photocatalyst geometry and lighting arrangements on the efficiency of the dye decolorization process, no significant differences were observed between the tests performed. On the other hand, the apparent velocity rates calculated for pseudo-first-order kinetics were shown to be influenced by the combination effects between the evaluated parameters. In all cases, the geometry with the highest apparent rate determined was Honeycomb 3D (kapp = 0.027 min-1 for the A1 lighting arrangement). Radiometric tests allowed the evaluation of the best combination between geometry and lighting arrangement, attributing the best light distribution in the system to arrangement type A2 (circumferential floodlight with LED strip) for all cases. The geometry that best allowed light passage was Honeycomb 3D. This highlights the importance of the combined effects between photocatalyst geometry and reactor design, including its lighting system, to improve the performance of photocatalytic processes.