OXIDAÇÃO ELETROQUÍMICA DE CORANTE AZO RECALCITRANTE UTILIZANDO ELETRODOS DE DIAMANTE DOPADO COM BORO: DESEMPENHO, OTIMIZAÇÃO E IMPLICAÇÕES AMBIENTAIS

Fábio José Roca dos Santos; Marcelo Campos; Cíntia da Silva Santos; Mileidy Guarnieri; Álefe de Oliveira Cáceres; Carlos Nobuyoshi Ide

Autores/as

Fábio José Roca dos Santos Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Marcelo Campos Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul https://orcid.org/0009-0002-2524-7627 (no autenticado)
Cíntia da Silva Santos Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul https://orcid.org/0009-0005-3979-413X (no autenticado)
Mileidy Guarnieri Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul https://orcid.org/0009-0005-1220-9455 (no autenticado)
Álefe de Oliveira Cáceres Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul https://orcid.org/0009-0005-1400-025X (no autenticado)
Carlos Nobuyoshi Ide Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul https://orcid.org/0000-0003-0373-2306 (no autenticado)

Palabras clave:

Processos oxidativos avançados, Planejamento experimental de Taguchi, Ecotoxicidade aquática, Demanda química de oxigênio

Resumen

A oxidação eletroquímica tem se destacado como uma alternativa eficiente para o tratamento de efluentes industriais contendo contaminantes recalcitrantes. Neste estudo, avaliou-se a degradação do corante azo Acid Black 2 (AB2) em efluente sintético de curtume por meio da oxidação eletroquímica utilizando eletrodo de diamante dopado com boro (DDB). Os experimentos foram conduzidos em sistema de batelada com recirculação, sendo investigada a influência da concentração inicial do corante, densidade de corrente elétrica, pH, concentração de eletrólito e tempo de reação por meio de planejamento experimental do tipo Taguchi (L25). As respostas analisadas incluíram remoção de cor, demanda química de oxigênio (DQO), carbono orgânico total (COT) e consumo específico de energia. Elevadas eficiências de remoção foram obtidas, alcançando até 95,7% para o corante AB2, 97,4% para DQO e 83,6% para COT. A otimização multiobjetivo via função desejabilidade indicou condições operacionais associadas a pH ácido, baixas concentrações iniciais de corante e densidades de corrente moderadas, conciliando alta eficiência de tratamento e menor consumo energético. Os estudos cinéticos revelaram mudança no mecanismo de degradação, com ajuste a modelo de segunda ordem em condições preliminares e primeira ordem sob condições otimizadas. Ensaios ecotoxicológicos com Artemia salina indicaram que o tratamento eletroquímico não promoveu aumento significativo da toxicidade do efluente tratado. Os resultados demonstram o elevado potencial da oxidação eletroquímica com eletrodo DDB como tecnologia avançada e ambientalmente segura para o tratamento de efluentes de curtume contendo corantes recalcitrantes.

Biografía del autor/a

Marcelo Campos, Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul

Doutorado em Saneamento Ambiental e Recursos Hídricos, formado pelo Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Ambientais (PGTA) da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Minha pesquisa de doutorado concentrou-se na área de eletroquímica, com foco no tratamento de corantes da indústria têxtil. Anteriormente, obtive meu título de Mestre na mesma área e instituição. Sou graduado em Gestão Ambiental pela Faculdade Estácio de Sá - Unidade de Campo Grande, Mato Grosso do Sul. Atualmente, exerço a função de Técnico em Saneamento no Laboratório de Qualidade Ambiental (LAQUA/FAENG/UFMS). Minha experiência profissional abrange as áreas de Gestão Ambiental e Engenharia Ambiental, com especialização em Saneamento e Recursos Hídricos. Possuo experiência direta em diversas áreas, incluindo Qualidade das Águas, Qualidade de Efluentes Domésticos e Industriais, assim como descargas líquidas e sólidas em rios.
Cíntia da Silva Santos, Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul

Aluna de doutorado no Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Ambientais - PGTA/UFMSFormada em nível de mestrado no Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Ambientais - PGTA/UFMS. Graduada em Engenharia de Agronegócios pela Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda (EEIMVR) da Universidade Federal Fluminense. Foi bolsista de Iniciação Científica pela PIBIC, com pesquisa voltada ao tratamento de efluentes industriais utilizando biochar de alface dágua como adsorvente. Estagiou na empresa Dr. Catador.
Mileidy Guarnieri, Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul

Mestrado em andamento pelo Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Ambientais. Possui graduação em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (2024). Estagiou na Empresa de Saneamento AEGEA de agosto de 2022 a março de 2024, adquirindo experiência com gestão de ativos, sistemas de saneamento e inteligências artificiais. Atualmente atua como Analista de Engenharia na Empresa de Saneamento AEGEA.
Álefe de Oliveira Cáceres, Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul

Mestrado em andamento pelo Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Ambientais. Engenheiro Ambiental formado pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS) no ano de 2024, com afinidade pelas áreas de recursos hídricos e tecnologias de controle de poluição. Atuação em dois estágios, sendo um em fiscalização ambiental (IMASUL) e outro em saneamento básico (SANESUL). Concomitantemente houveram participações em projetos de pesquisa em saneamento básico, monitorias voluntárias na área de Geoprocessamento, bem como iniciação científica voluntária estudando Processos Oxidativos Avançados aplicados na remoção de contaminantes emergentes. As atividades citadas permitiram o desenvolvimento de conhecimentos multidisciplinares englobando a linha de pesquisa citada, bem como experiência em laboratório, desenho digital (CAD) e técnicas de geoprocessamento (GIS).
Carlos Nobuyoshi Ide, Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul

Graduado em Engenharia Civil pela Universidade Estadual de Mato Grosso (UEMT), atual UFMS, em 1977. Mestre em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (1984) e doutorado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (1994). Atualmente é professor Titular da UFMS. Criou o Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Ambientais e o Curso de Graduação em Engenharia Ambiental, ambos da UFMS. Medalha da Ordem do Mérito de Egresso do Curso de Graduação em Engenharia Civil da UFMS (2024). Tem experiência na área de Engenharia Sanitária, com ênfase em Processos de Tratamento de Água e Esgoto, atuando principalmente nos seguintes temas: Pantanal, Lagoas de Estabilização, Reatores Anaeróbios, Wetlands Construídos, Qualidade das Águas e Efluentes, Eficiência Energética no Saneamento e Hidrossedimentologia.

Referencias

ABNT. NBR 16530: Ecotoxicologia aquática — Toxicidade aguda — Método de ensaio com Artemia salina. Rio de Janeiro, 2021.

ALFARO, M. A. Q. FERRO, S. MARTÍNEZ-HUITLE, C. VONG, Y. M. Boron doped diamond electrode for the wastewater treatment. Journal of the Brazilian Chemical Society, v. 17, n. 2, p. 227–236, 2006. DOI: 10.1590/S0103-50532006000200003.

ALI, N. S. KHADER, E. H. KHUDHUR, R. H. ABDULRAHMAN, M. A. SALIH, I. K. ALBAYATI, T. M. Removal of anionic azo dye from wastewater using Fe₃O₄ magnetic nanoparticles adsorbents in a batch system. Desalination and Water Treatment, v. 317, p. 100033, 2024. DOI: 10.1016/j.dwt.2024.100033.

ANDREOZZI, R. CAPRIO, V. INSOLA, A. MAROTTA, R. SANCHIRICO, R. Advanced oxidation processes for the treatment of mineral oil-contaminated wastewaters. Water Research, v. 34, n. 2, p. 620–628, 2000. DOI: 10.1016/S0043-1354(99)00169-4.

APHA; AWWA; WEF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 23. ed. Washington, DC, 2017.

ASMUSSEN, R. M. TIAN, M. CHEN, A. A new approach to wastewater remediation based on bifunctional electrodes. Environmental Science & Technology, v. 43, n. 13, p. 5100–5105, 2009. DOI: 10.1021/es900582m.

BENKHAYA, S. M’RABET, S. EL HARFI, A. A review on classifications, recent synthesis and applications of textile dyes. Inorganic Chemistry Communications, v. 115, p. 107891, 2020. DOI: 10.1016/j.inoche.2020.107891.

BRENTANO, D. M. Desenvolvimento e aplicação do teste de toxicidade aguda utilizando como organismo-teste Daphnia magna. 2006. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2006.

CAMPOS, M. HUSSAIN, S. KHAN, H. FRANÇA, A. S. GONÇALVES, F. V. OLIVEIRA, K. R. F. SILVA, J. B. IDE, C. N. Electro-oxidation: an effective alternative for the degradation of textile dyes and reduction of toxicity in industrial effluents. Revista de Gestão Social e Ambiental, v. 17, n. 6, e03429, 2023. DOI: 10.24857/rgsa.v17n6-030.

CENTRO DAS INDÚSTRIAS DE CURTUMES DO BRASIL (CICB). Dados do setor. Disponível em: http://www.cicb.org.br. Acesso em: 20 dez. 2023.

CHEN, G. Electrochemical technologies in wastewater treatment. Separation and Purification Technology, v. 38, n. 1, p. 11–41, 2004. DOI: 10.1016/j.seppur.2003.10.006.

CHEN, W. LI, W. LIU, F. MIAO, D. MA, L. GAO, X. WEI, Q. ZHOU, K. YU, Z. YU, Y. Microstructure of boron doped diamond electrodes and studies on its basic electrochemical characteristics and applicability of dye degradation. Journal of Environmental Chemical Engineering, v. 8, n. 5, p. 104348, 2020. DOI: 10.1016/j.jece.2020.104348.

CHO, J. S. LEE, D. H. SEO, G. J. KIM, D. B. SHIN, S. J. Optimizing the mean and variance of bead geometry in the wire + arc additive manufacturing using a desirability function method. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 120, n. 11–12, p. 7771–7783, 2022. DOI: 10.1007/s00170-022-09237-6.

COSTA, C. R. BOTTA, C. M. R. ESPINDOLA, E. L. G. OLIVI, P. Electrochemical treatment of tannery wastewater using DSA® electrodes. Journal of Hazardous Materials, v. 153, n. 1–2, p. 616–627, 2008. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2007.09.005.

CUNHA, B. M. D. Avaliação ecotoxicológica de distintos tipos de efluentes mediante ensaios de toxicidade aguda utilizando Artemia salina e Lactuca sativa. 2011. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011.

DANG, V. L. KIEU, T. T. NGUYEN, T. T. T. TRUONG, T. T. T. HOANG, D. T. VU, T. L. C. NGUYEN, T. M. T. LE, T. S. DOAN, T. H. Y. PHAM, T. D. Surface modification of zeolite by cationic surfactant and the application on adsorptive removal of azo dye Ponceau 4R. Journal of Molecular Structure, v. 1304, p. 137619, 2024. DOI: 10.1016/j.molstruc.2024.137619.

DERRINGER, G. SUICH, R. Simultaneous optimization of several response variables. Journal of Quality Technology, v. 12, n. 4, p. 214–219, 1980. DOI: 10.1080/00224065.1980.11980968.

GOLDSTEIN, E. G. ZAGOTTO, P. A. ARAUJO, R. P. A. BERTOLETTI, E. Avaliação da toxicidade de despejos industriais por ensaios biológicos. Revista DAE, v. 132, p. 42–47, 1983.

HAMZA, M. ABDELHEDI, R. BRILLAS, E. SIRÉS, I. Comparative electrochemical degradation of the triphenylmethane dye Methyl Violet with boron-doped diamond and Pt anodes. Journal of Electroanalytical Chemistry, v. 627, n. 1–2, p. 41–50, 2009. DOI: 10.1016/j.jelechem.2008.12.017.

HASSAAN, M. A. EL NEMR, A. Advanced oxidation processes for textile wastewater treatment. International Journal of Photochemistry and Photobiology, v. 2, n. 3, p. 85–93, 2017. DOI: 10.11648/j.ijpp.20170203.13.

KAPALKA, A. Reactivity of electrogenerated free hydroxyl radicals and activation of dioxygen on boron-doped diamond electrodes. 2008. Tese (Doutorado) – École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse, 2008.

KEMPTHORNE, O. The Design and Analysis of Experiments. New York: Wiley, 1983.

KIEU, T. T. et al. Surface modification of zeolite for azo dye removal. Journal of Molecular Structure, v. 1304, p. 137619, 2024.

LAMY, L. Aplicativo computacional para a função perda de qualidade, razão sinal-ruído e análise experimental de Taguchi. 2018. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Paraná, 2018.

MARTÍNEZ-HUITLE, C. A.; BRILLAS, Decontamination of Wastewaters Containing Synthetic Organic Dyes by Electrochemical Methods: A General Review. Applied Catalysis B: Environmental, v. 87, n. 3–4, p. 105–145, 2009. DOI: 10.1016/j.apcatb.2008.09.017.

MEHAT, N. M.; KAMARUDDIN, S. Quality control and design optimization using Taguchi method: A comprehensive review. International Journal of Plastics Technology, v. 16, p. 194–209, 2012. DOI: 10.1007/s12588-012-9037-1.

MELLA, B.; GLANERT, A. C.; GUTTERRES, M. Removal of chromium from tanning wastewater and its reuse. Process Safety and Environmental Protection, v. 95, p. 195–201, 2015. DOI: 10.1016/j.psep.2015.03.007.

MOHAN, N.; BALASUBRAMANIAN, N.; SUBRAMANIAN, V. Electrochemical treatment of simulated textile effluent. Chemical Engineering & Technology, v. 24, n. 7, p. 749–753, 2001. DOI: 10.1002/1521-4125(200107)24:7%3C749::AID-CEAT749%3E3.0.CO;2-Y.

MOTA, I. G. C. et al. Artificial dyes: health risks and regulatory needs. Food Reviews International, v. 39, n. 3, p. 1578–1593, 2023. DOI: 10.1080/87559129.2021.1934694.

MUTLU, M. M. Determination of metal load in leathers dyed with metal-complex dyes. Journal of Hazardous Materials, 2009.

PASCOAL, S. D. A. et al. Aplicação de radiação UV no tratamento fotocatalítico de efluentes de curtume. Química Nova, v. 30, p. 1082–1087, 2007. 10.1590/S0100-40422007000500006.

ROY, R. K. Design of Experiments Using the Taguchi Approach: 16 steps to product and process improvement. New York: Wiley, 2001. ISBN: 0-471-36101-1.

SELVİ, A. T.; ARAVINDHAN, R.; MADHAN, B.; RAO, J. R. Studies on the application of natural dye extract from Bixa orellana seeds for dyeing and finishing of leather. Industrial Crops and Products, v. 43, p. 84–86, 2013. DOI: 10.1016/j.indcrop.2012.07.015.

SHARMA, V.; SHARMA, J. K.; KANSAY, V.; SHARMA, V. D.; SHARMA, A.; KUMAR, S.; SHARMA, A. K.; BERA, M. K. The effect of calcination temperatures on the structural and optical properties of zinc oxide nanoparticles and their influence on the photocatalytic degradation of leather dye. Chemical Physics Impact, v. 6, p. 100196, 2023. DOI: 10.1016/j.chphi.2023.100196.

SRIVASTAVA, R.; SOFI, I. R. Impact of synthetic dyes on health and environment. In: Impact of Textile Dyes on Public Health and the Environment. Hershey: IGI Global, 2020. p. 146–161. DOI: 10.4018/978-1-7998-0311-9.ch007.

TAGUCHI, G. Introduction to Quality Engineering. Tokyo: Asian Productivity Organization, 1986.

TAGUCHI, G. System of experimental design: Engineering methods to optimize quality and minimize costs. New York: UNIPUB/Kraus International, 1987.

TAGUCHI, G.; CHOWDHURY, S.; WU, Y. Taguchi’s Quality Engineering Handbook. Hoboken: Wiley, 2005. DOI: 10.1002/9780470258354.

TKACZYK, A.; MITROWSKA, K.; POSYNIAK, A. S. Synthetic organic dyes as contaminants of the aquatic environment and their implications for ecosystems: A review. Science of the Total Environment, v. 717, p. 137222, 2020. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.137222.

TRUHAUT, R. Ecotoxicology: objectives, principles and perspectives. Ecotoxicology and Environmental Safety, v. 1, n. 2, p. 151–173, 1977. DOI: 10.1016/0147-6513(77)90033-1.

VASCONCELOS, V. M. Degradação eletroquímica/química dos corantes têxteis Reativo Azul 19 e Reativo Preto 5 utilizando eletrodos de diamante dopado com boro e H2O2 eletrogerado em eletrodo de carbono vítreo reticulado. 2015. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2015. DOI: 10.11606/T.75.2015.tde-25112015-092817.

VEROLI, A. B. Estudo da Eletro-oxidação do Paracetamol Utilizando Um Reator Eletroquímico em Fluxo com Eletrodo de Diamante Dopado com Boro. 2017. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de São Carlos, 2017.

WAN, J.; LIU, B.; JIN, C.; LI, J.; WEI, X.; DONG, H.; XU, Z.; GAO, M.; ZHAO, Y. Electrochemical Oxidation of Acid Black 2 Dye Wastewater Using Boron-Doped Diamond Anodes: Multiresponse Optimization and Degradation Mechanisms. Environmental Engineering Science, v. 36, n. 9, p. 1049–1060, 2019. DOI: 10.1089/ees.2019.0004.

WOISETSCHLÄGER, D.; HUMPL, B.; KONCAR, M.; SIEBENHOFER, M. Electrochemical oxidation of wastewater – opportunities and drawbacks. Water Science and Technology, v. 68, n. 5, p. 1173–1179, 2013. DOI: 10.2166/wst.2013.366.