Modelagem e simulação computacional de reator de membrana fotocatalítico utilizado na remoção de oxitetraciclina no tratamento de águas residuais

Abstract

O uso intensivo de antibióticos como a oxitetraciclina (OTC) em aplicações humanas e veterinárias leva à sua liberação contínua em ambientes aquáticos, contribuindo para o surgimento da resistência antimicrobiana. Os Processos Oxidativos Avançados (POAs), em especial a fotocatálise heterogênea em reatores de membrana, mostram-se promissores para a degradação de contaminantes. Neste estudo, foi desenvolvido, verificado e validado um modelo de Fluidodinâmica Computacional (CFD) de um reator de membrana tubo-dentrode-tubo, incluindo um termo efetivo de dispersão axial na região anular. A verificação numérica considerou refinamento de malha e o Índice de Convergência de Malha (GCI). A validação experimental, baseada em ensaios de resposta a degrau com traçador passivo, resultou em RMSE = 0,0706, MAE = 6,021% e MaxAE = 15,53%, valores compatíveis com validações em escala de reator e que sustentam a plausibilidade do coeficiente de dispersão calibrado. Após a verificação/validação fluidodinâmica, diferentes arranjos de lâmpadas UV-C foram analisados para estimar o campo de irradiância no reator e obter valores médios representativos. As simulações indicaram forte efeito da irradiância média sobre a conversão da OTC (e a velocidade aparente de degradação): a conversão aumentou de 2,8% a 60 W·m2 para 47,3% a 1200 W·m2, atingindo 97,5% a 3000 W·m2. Nas mesmas condições, o consumo de HO permaneceu <1% porque foi dosado em excesso em relação à demanda reacional, indicando que a etapa limitante foi a disponibilidade de luz no meio reacional, e não o oxidante. Em síntese, o estudo demonstra que a irradiância é o principal determinante do desempenho fotocatalítico neste reator, enquanto a dosagem de peróxido, nas faixas avaliadas, teve pouca influência adicional. A fluidodinâmica validada com análises ópticas e fotocinéticas fornece uma referência útil para futuros estudos experimentais e para o aprimoramento do projeto de sistemas fotocatalíticos.

Abstract: The intensive use of antibiotics such as oxytetracycline (OTC) in human and veterinary applications leads to their continuous release into aquatic environments, contributing to the emergence of antimicrobial resistance. Advanced Oxidation Processes (AOPs), especially heterogeneous photocatalysis in membrane reactors, have shown promise for contaminant degradation. In this work, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model of a tube-in-tube membrane reactor was developed, verified, and validated, including an effective axialdispersion term in the annular region. Numerical verification considered mesh refinement and the Grid Convergence Index (GCI). Experimental validation, based on step-response tests with a passive tracer, yielded RMSE = 0.0706, MAE = 6.021%, and MaxAE = 15.53%, values consistent with reactor-scale validations and supporting the plausibility of the calibrated dispersion coefficient. After hydrodynamic verification/validation, different UV-C lamp arrangements were analysed to estimate the reactor irradiance field and obtain representative mean values. The simulations indicated a strong effect of mean irradiance on OTC conversion (and on the apparent degradation rate): conversion increased from 2.8% at 60 W·m2 to 47.3% at 1200 W·m2, reaching 97.5% at 3000 W·m2. Under the same conditions, HO consumption remained <1% because it was dosed in excess relative to the reaction demand, indicating that the rate-limiting factor was light availability in the reaction medium rather than oxidant availability. In summary, the study shows that irradiance is the primary determinant of photocatalytic performance in this reactor, whereas peroxide dosage, within the ranges evaluated, had little additional influence. The hydrodynamics validated with optical and photokinetic analyses provide a useful reference for future experimental studies and for improving the design of photocatalytic systems.