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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2009.tde-04112009-101942
Documento
Autor
Nome completo
Fúlvia Jung Borges
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2009
Orientador
Banca examinadora
Guardani, Roberto (Presidente)
Balmann, Hélène Roux-de
Borges, Cristiano Piacsek
Joulia, Xavier
Mierzwa, José Carlos
Seckler, Marcelo Martins
Título em português
Integração dos processos de eletrodiálise e de degradação fotoquímica para o tratamento de efluentes salinos contendo fenol.
Palavras-chave em português
Efluentes (tratamento)
Eletrodiálise
Integração (processos)
Modelos matemáticos
Oxidação (processos)
Resumo em português
Os processos oxidativos podem ser utilizados no tratamento de efluentes contendo compostos orgânicos não-biodegradáveis. No entanto, a presença de sais dissolvidos pode inibir ou retardar o processo. Neste estudo, a dessalinização de efluentes por eletrodiálise (ED) associada a um processo de oxidação avançada (foto-Fenton) foi aplicada a uma solução aquosa contendo NaCl e fenol. O processo de ED foi avaliado em escala piloto. Um estudo experimental foi realizado no qual a influência das variáveis de processo na perda de fenol e remoção do cloreto de sódio foi investigada. Experimentos também foram realizados sem corrente elétrica para determinar a transferência de fenol devido à difusão. As variações de concentração de fenol e sal nos compartimentos do sistema de ED foram medidas com o tempo utilizando-se procedimentos pertinentes e um planejamento experimental para determinar os parâmetros característicos globais. Uma abordagem fenomenológica foi utilizada para relacionar os fluxos de fenol, sal e água com as forças motrizes (concentração e gradiente de potencial elétrico). Nas condições de ED estudadas duas contribuições ao transporte do fenol se destacaram: difusão e convecção, sendo a última devido ao fluxo de água relacionado com eletroosmose pela migração do sal. Os parâmetros estimados das equações de transporte possuem bom ajuste com os resultados experimentais na faixa de condições investigadas. O processo foto-Fenton foi estudado em um reator de batelada em escala de laboratório. Os resultados confirmam o efeito negativo da concentração de sal na eficiência de remoção de fenol por oxidação. Este efeito não foi considerado linear em relação à concentração de sal e taxa de degradação. Devido à complexidade das reações do sistema, um modelo baseado em redes neurais artificiais foi desenvolvido para ajustar os dados experimentais no equacionamento da taxa de reação em função das variáveis de entrada. O modelo descreve a evolução da concentração do poluente, fenol, pela taxa de reação, durante o tempo de irradiação para diferentes condições operacionais. O modelo matemático das etapas de ED e de foto-oxidação foi utilizado para avaliar a sensibilidade do processo em relação às variáveis consideradas. Um modelo Os processos oxidativos podem ser utilizados no tratamento de efluentes contendo compostos orgânicos não-biodegradáveis. No entanto, a presença de sais dissolvidos pode inibir ou retardar o processo. Neste estudo, a dessalinização de efluentes por eletrodiálise (ED) associada a um processo de oxidação avançada (foto-Fenton) foi aplicada a uma solução aquosa contendo NaCl e fenol. O processo de ED foi avaliado em escala piloto. Um estudo experimental foi realizado no qual a influência das variáveis de processo na perda de fenol e remoção do cloreto de sódio foi investigada. Experimentos também foram realizados sem corrente elétrica para determinar a transferência de fenol devido à difusão. As variações de concentração de fenol e sal nos compartimentos do sistema de ED foram medidas com o tempo utilizando-se procedimentos pertinentes e um planejamento experimental para determinar os parâmetros característicos globais. Uma abordagem fenomenológica foi utilizada para relacionar os fluxos de fenol, sal e água com as forças motrizes (concentração e gradiente de potencial elétrico). Nas condições de ED estudadas duas contribuições ao transporte do fenol se destacaram: difusão e convecção, sendo a última devido ao fluxo de água relacionado com eletroosmose pela migração do sal. Os parâmetros estimados das equações de transporte possuem bom ajuste com os resultados experimentais na faixa de condições investigadas. O processo foto-Fenton foi estudado em um reator de batelada em escala de laboratório. Os resultados confirmam o efeito negativo da concentração de sal na eficiência de remoção de fenol por oxidação. Este efeito não foi considerado linear em relação à concentração de sal e taxa de degradação. Devido à complexidade das reações do sistema, um modelo baseado em redes neurais artificiais foi desenvolvido para ajustar os dados experimentais no equacionamento da taxa de reação em função das variáveis de entrada. O modelo descreve a evolução da concentração do poluente, fenol, pela taxa de reação, durante o tempo de irradiação para diferentes condições operacionais. O modelo matemático das etapas de ED e de foto-oxidação foi utilizado para avaliar a sensibilidade do processo em relação às variáveis consideradas. Um modelo dinâmico foi desenvolvido para o processo de ED e um modelo contínuo, utilizando uma aproximação de um reator Plug Flow, para o processo oxidativo. Finalmente, simulações híbridas dos processos puderam validar diferentes cenários do sistema integrado e poderão ser utilizadas para futuros trabalhos de otimização do sistema.
Título em inglês
Integration of electrodialysis and photochemical degradation process for the treatment of a saline wastewater containing phenol.
Palavras-chave em inglês
Electrodialysis
Integration (process)
Mathematical models
Oxidation (process)
Wastewater (treatment)
Resumo em inglês
Chemical oxidation processes can be used to treat industrial wastewater containing non-biodegradable organic compounds. However, the presence of dissolved salts may inhibit or retard the treatment process. In this work, a coupled process is studied including a desalination step by electrodialysis (ED) associated with an advanced oxidation process (photo-Fenton) with a synthetic wastewater containing NaCl and phenol. The experimental study concerning ED was carried out using a pilot plant. The influence of process variables, like the initial water composition and the electrical current intensity, on the demineralization factor was investigated. Experiments were also performed without electrical current application, in order to determine the unfavorable phenol transfer through the membranes due to diffusion. The phenol and salt concentration variations in the ED compartments were measured over time, using dedicated procedures and an experimental design to determine the global characteristic parameters. A phenomenological approach was used to relate the phenol, salt and water fluxes with the driving force (concentration and electric potential gradients). Under normal ED conditions, two contributions were pointed out for the phenol transport, i.e. diffusion and convection, this latter coming from the water flux due to electroosmosis related to the migration of salts. The fitting of the parameters of the transport equations resulted in good agreement with the experimental results over the range of conditions investigated. Photo-Fenton oxidation process was studied in a laboratory batch reactor. As expected, the results confirm the negative effect of the salt concentration on the phenol removal efficiency by oxidation. This effect was not found to be linear concerning salt concentration and degradation rate. Due to the complexity of these reaction systems, a model based on artificial neural networks has been developed to fit the experimental data. This model describes the evolution of the pollutant concentration i.e. phenol, by means of a reaction rate, during irradiation time under various operating conditions. The mathematical model comprising the ED and photo-oxidation steps were used to evaluate the process sensitivity in relation to the process variables considered. A dynamic model was developed to ED and a continuous model, using a plug flow reactor approach, to the oxidation process. Finally, the hybrid resulting simulation could validate different scenarios of the integrated system and can be used for further optimization.
 
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Data de Publicação
2009-11-25
 
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  • BORGES, F. J., BALMANN, H, and GUARDANI, R. Investigation of the mass transfer processes during the desalination of water. Journal of Membrane Science, 2008, vol. 325, p. 130-138.
  • BORGES, F. J., BALMANN, H, and GUARDANI, R. Modeling Electrodialysis and Photochemical Process for their integration in saline wastewater treatment. Brazilian Journal of Chemical Engineering , 2010, vol. 27, p. 473-482.
  • BORGES, F. J., ROUX-DE-BALMANN, H., and GUARDANI, R. Modeling Electrodialysis and Photochemical Process for their Integration in Saline Wastewater Treatment. In 10th International Symposium on Process Systems Engineering, Salvador BA, 2009. Computer Aided Chemical Engineering.Amsterdam : Elsevier, 2009.
  • BORGES, F. J., ROUX-DE-BALMANN, H., and GUARDANI, R. Modeling of the demineralisation of a phenolic wastewater by electrodialysis. In North American Membrane Society Conference, NAMS 2007, Orlando, 2007. North American Membrane Society Conference, NAMS., 2007. Abstract.
  • BORGES, F. J., ROUX-DE-BALMANN, H., e GUARDANI, R. Study of a phenolic wastewater desalination process by electrodialysis. In VI Congresso Íbero-Americano em Ciências e Tecnologia de Membrana, CITEM 2007, Campina Grande, 2007. Anais do VI Congresso Íbero-Americano em Ciências e Tecnologia de Membrana, CITEM 2007., 2007.
  • BORGES, F. J., et al. Estudo de Condições Ótimas do Processo de Fotodegradação Catalítica com TiO2 em Suspensão de Efluentes Fenólicos. In XVI Congresso Brasileiro de Engenharia Química (COBEQ), Santos, 2006. Anais do XVI Congresso Brasileiro de Engenharia Química (COBEQ)., 2006. Resumo.
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