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Publié par | profil-zyak-2012 |
Publié le | 01 août 2009 |
Nombre de lectures | 47 |
Langue | Français |
Extrait
THÈSE
En vue de l'obtention du
DDOOCCTTOORRAATT DDEE LL’’UUNNIIVVEERRSSIITTÉÉ DDEE TTOOUULLOOUUSSEE
Délivré par Institut National Polytechnique
Discipline ou spécialité : Génie des Procédés et Environnement
Présentée et soutenue par JUNG BORGES Fulvia
Le 25 Aout 2009
Titre : Intégration de l'électrodialyse et de l'oxydation photochimique pour le traitement
d'effluents salins contenant du phénol
Integration of electrodialysis and photochemical oxydation for the treatment of saline
waste waters containing phenol
JURY
PIACSEK BORGES Cristiano, Professeur, Université Fédérale Rio de Jaeiro, Brésil, Rapporteur
GIULIETTI Marco, Professeur, Université Fédérale de Sao Carlos, Brésil, Rapporteur
MIERZWA Jose Carlos, Professeur, Université Sao Paolo, Brésil, membre
JOULIA Xavier, Professeur, Institut National Polytechnique, Toulouse, France, Président
GUARDANI Roberto, Professeur, Université Sao Paolo, Brésil, Directeur de thèse
ROUX-de BALMANN Hélène, Directeur de recherche CNRS, Toulouse, Directrice de thèse
Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés
Unité de recherche : Laboratoire de Génie Chimique
Directeur(s) de Thèse : Roux-de Balmann Hélène, Guardani Roberto
Rapporteurs : Professors Piacsek Borges and Giullietti
FÚLVIA JUNG BORGES
INTEGRAÇÃO DOS PROCESSOS DE ELETRODIÁLISE E
DE DEGRADAÇÃO FOTOQUÍMICA PARA O
TRATAMENTO DE EFLUENTES SALINOS CONTENDO
FENOL
São Paulo
2009FÚLVIA JUNG BORGES
INTEGRAÇÃO DOS PROCESSOS DE ELETRODIÁLISE E
DE DEGRADAÇÃO FOTOQUÍMICA PARA O
TRATAMENTO DE EFLUENTES SALINOS CONTENDO
FENOL
Tese apresentada à Escola
Politécnica da Universidade de
São Paulo para obtenção do título
de Doutor em Engenharia.
Área de Concentração:
Engenharia Química
Orientadores:
Prof. Roberto Guardani
Prof. Hélène Roux-de Balmann
São Paulo
2009 i
AGRADECIMENTOS
Deixo expresso, de antemão, o meu sincero reconhecimento:
Ao meu mentor Prof. Dr. Roberto Guardani pela atenção, orientação e estímulo;
À Prof. Dra. Hélène Roux-de Balmann pela gentil acolhida e orientação;
Ao Prof. Dr. Galo Antonio Carrillo Le Roux pelas sugestões e apoio;
Aos colegas do Centro de Engenharia de Sistema Químicos – Laboratório de
Simulação e Controle de Processos, em especial ao amigo Fernando Sassano, pela
colaboração e apoio;
Aos colegas do Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse, em especial a Elodie
Singlande pelo apoio e a Ernesto Casademont pela assistência nos experimentos de
eletrodiálise;
Ao Prof. Dr. Antônio Carlos Silva Costa Teixeira pelas contribuições valiosas
durante o projeto e qualificação;
Ao Prof. Dr. Cláudio Augusto Oller do Nascimento, Prof. Dr. Xavier Joulia, e ao
Prof. Dr. Cristiano Piacsek Borges pelo apoio;
Às amigas Dra. Rita Maria de Brito Alves e Dra. Elen Aquino Perpetuo;
Aos meus pais e familiares pelo estímulo;
À CAPES, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, pelo
suporte financeiro;
E a todos aqueles que me auxiliaram direta ou indiretamente.
ii
“Sou do tamanho do que vejo”
Fernando Pessoa
iii
RESUMO
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
iv
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.
Palavras-chaves: Integração (processos). Efluentes (Tratamento). Oxidação
(Processo). Eletrodiálise. Modelos Matemáticos.
v
ABSTRACT
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 con