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Eletrodos carvão ativado de Polianilina para dessalinização por deionização capacitiva

Resumo

A deionização capacitiva (DIC) é uma alternativa de baixo custo para o tratamento de água (dessalinização, abrandamento e tratamento de efluentes) que se baseia no conceito da dupla camada elétrica. Para a melhoria do processo é necessário o avanço dos materiais de eletrodos, de forma que se tornem mais baratos e apresentem melhor eficiência. Neste estudo utilizou-se como material o carvão ativado produzido a partir da polianilina dopada com SO4 2- (PAC/S). Diferentes temperaturas de carbonização e de ativação, e proporções de KOH foram usadas para o processo de ativação do carvão. A fim de otimizar a capacidade de eletrossorção, usou-se de uma configuração assimétrica dos eletrodos. Experimentos de dessalinização em batelada foram realizados usando o PAC/S e carvão ativado comercial YP-80F como eletrodos negativo e positivo, respectivamente, para se gerar a assimetria. Os resultados mostram que a temperatura de ativação e a proporção de KOH durante a ativação tem um efeito direto sobre a capacidade de eletrossorção de sal, além de se observar um efeito combinado da temperatura de carbonização e proporção de KOH.

Introdução

O crescimento da população mundial associado às mudanças climáticas reduziram as reservas de agua potável do planeta tornando essencial a busca por métodos de obtenção deste recurso. Apesar das grandes reservas de água disponíveis, tais como em oceanos ou águas subterrâneas, a alta concentração de sais a torna imprópria para consumo. Existem diversas tecnologias disponíveis para remoção de sais de soluções aquosas, tais como destilação flash de múltiplos estágios (DFME), eletrodiálise reversa (EDR) e osmose reversa (OR). Dentre estas tecnologias, a osmose reversa tem sido a mais difundida por oferecer grande eficiência no processo de dessalinização bem como alta recuperação de água (Lauren et al., 2009). Por outro lado, a OR possui algumas desvantagens, tais como alto custo energético, visto que se trata de um processo que opera em altas pressões, e dificuldade de manutenção devido à utilização de membranas (Anderson et al., 2000).

A deionização capacitiva (DIC) surge como uma alternativa tecnológica de baixo custo que pode ser empregada para dessalinização de águas salobras (concentração de sais menores que 10.000 mg L-1 ). Suas principais vantagens são: 1) operar a baixas pressões; 2) capacidade de operar em baixas voltagens, podendo assim operar com energia solar e 3) possibilidade de se recuperar parte da energia utilizada durante o ciclo de regeneração.

A DIC é um processo capacitivo baseado na formação da dupla camada elétrica (DCE) que ocorre após a aplicação de uma voltagem entre dois eletrodos posicionados paralelamente. Na Figura 1(a) está esquematizado o processo de eletrossorção, em que os íons são atraídos para o eletrodo com carga oposta e ficam retidos na DCE formada nos poros do material (Porada et al., 2013). A segunda parte do processo, a dessorção ou regeneração (Figura 1(b)), ocorre quando os eletrodos então saturados são submetidos a uma voltagem oposta ou então deixados em circuito aberto para que os íons retidos sejam liberados para a solução.

Figura 1 – Esquema de do processo de eletrossorção (a) e dessorção (b) que ocorre quando uma voltagem é aplicada a uma célula de DIC (Adaptado de Zornitta et al., 2016).

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Contudo, ainda existem alguns obstáculos a serem superados no que concerne a tecnologia de DIC. Dentre elas pode-se citar a necessidade de se encontrar uma forma de aumentar a área superficial dos materiais de baixo custo, para tornar as células mais compactas e eficientes e a impossibilidade do uso de água com salinidade superior a 10.000 mg L-1 .

A escolha do material de eletrodo é um dos principais fatores que afetam o rendimento do processo DIC. Um material adequado deve ter as seguintes propriedades: 1) elevada área superficial específica (ASE) disponível para eletrossorção; 2) tamanho de poros adequado; 3) elevada condutividade elétrica; 4) estabilidade química e eletroquímica em uma ampla faixa de valores de pH e ser tolerante a frequentes mudanças de voltagem; 5) boa molhabilidade; entre outras. Levando em consideração todos esses aspectos, principalmente o primeiro, materiais de carbono vêm sendo utilizados em processos de eletrossorção (Oren, 2008).

Recentemente, Zornitta et al. (2018), obtiveram carvões ativados produzidos a partir do polímero condutor polianilina (PAni) dopado com diferentes ânions. Estes materiais demonstraram uma grande capacidade de eletrossorção devido à sua elevada ASE (1268 – 2652 m²/g) e à presença de mesoporos (6 – 58%).

Neste estudo, se preparou polianilina dopada com ânions SO4 2- que foi carbonizada em diferentes temperaturas e o carvão obtido foi ativado em diferentes condições de ativação. O material obtido foi utilizado para a preparação de eletrodos e aplicados para dessalinização. O carvão ativado obtido foi denominado de PAC/S.

Uma estratégia visando a melhoria da capacidade de eletrossorção foi adotada, a criação de assimetria entre eletrodos com valores de potencial de carga zero (EPZC) diferentes, o que poderia levar a uma grande melhoria da capacidade de eletrossorção (Zornitta et al. (2018)). Com o propósito de criar a assimetria, foi preparado um eletrodo com um carvão comercial, o YP-80F, fornecido pela empresa Kuraray. Os eletrodos em configuração assimétrica foram empregados para dessalinização, sendo o PAC/S e o YP-80F polarizados negativa e positivamente, respectivamente.

Autores: T. H. C. MANARIN; K. M. BARCELOS, R. L. ZORNITTA e L. A. M. RUOTOLO.

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