O USO DE PROCESSOS ELETROQUÍMICOS DE OXIDAÇÃO AVANÇADA NA DEGRADAÇÃO DA FENACETINA E SUA APLICAÇÃO COMO RECURSO METODOLÓGICO ENVOLVENDO O ENSINO DE QUÍMICA

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: RICARDO CARDOSO
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFMS
Texto Completo: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/6668
Resumo: ABSTRACT The pollution of water sources due to the bioaccumulation of persistent contaminants is becoming increasingly serious, and conventional treatment methods are not effective in removing these pollutants. Therefore, the main objetive of this study is to investigate the use of electrochemical advanced oxidation processes (EAOPs) through a central composite design (CCD) based on response surface methodology (RSM) to plan and optimize the treatment parameters for the removal of phenacetin (PNT), a drug mainly used as ao analgesic, using three processes: electro-Fenton (EF), anodic oxidation with hydrogen peroxide (AO-H2O2), and solar photo electro-Fenton (PEFS). The EF and OA-H2O2 processes were performed in a 100 mL reactor, while the PEFS was carried out in an 8.0 L solar photoreactor, coupled to an electrochemical cell. Boron-doped diamond (BDD) or Pt electrodes were used as the anode and a carbon-PTFE mesh as the cathode. Through experimental planning, the linear, quadratic, and interaction effects of the variables, as well as the optimum operating conditions, were obtained using Minitab Statistical software. According to the data obtained from the analysis of variance, regression coefficients (R2), and diagnostic plots, the model shows a good correlation between the observed and predicted values. Thus, the EF/BDD process, under optimal operating conditions (i.e. [PNT] = 25 mg L-1, [Fe2+] = 32.7 mg L-1, j = 84.7 mA cm-2 and 14 min for degradation and 230 min for mineralization), achieved 81.7% and 78.2% degradation and mineralization of PNT, respectively, in ultrapure water and 63.2% degradation of PNT and 66.5% mineralization of organic matter in secondary effluent. In the EF/Pt process, under ideal conditions ([PNT] = 25 mg L-1, [Fe2+] = 25.3 mg L-1, j = 59.5 mA cm-2 and 14 min and 230 min for degradation and mineralization, respectively), there was 83.9% and 45.2% degradation and mineralization of PNT, respectively, in ultrapure water, and 68.4% degradation and 39.4% mineralization in the effluent. The AO-H2O2 process carried out in effluent and under optimal conditions (pH = 7.05, j = 102 mA cm-2 and 13 min for degradation and 214 min for mineralization), achieved 65.6% degradation and 51.9% mineralization. In the PEFS process, carried out in effluent and under ideal operating conditions ([Fe2+] = 16.8 mg L-1, j = 45.9 mA cm-2 and 36 min for degradation and 181 min for mineralization), 55.9% and 37.1% degradation and mineralization were observed, respectively, with an energy consumption of only 0.14 kWh g-1. The toxicity of the treated solutions was evaluated using two different organisms. In Artemia salina, the EF and AO-H2O2 processes eliminated the toxicity of the solutions, while the PEFS process significantly reduced toxicity. In Lactuca sativa, only the EF process showed no acute toxicity, while the AO-H2O2 and PEFS processes showed a slight inhibition of seed germination. Finally, three degradation routes were presented, with the identification of 12 intermediates. Additionally, the use of EAOPs as an experimental device was proposed to apply an active team-based methodological approach to teaching chemistry to elementary school students making chemistry classes more engaging, didactic, and challenging. Many students rate team-based learning (TBL) positively because they find it interesting and attractive, especially when working in teams. Keywords: Advanced oxidative electrochemical processes, ecotoxicity, experimental design, team-based learning.
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Boron-doped diamond (BDD) or Pt electrodes were used as the anode and a carbon-PTFE mesh as the cathode. Through experimental planning, the linear, quadratic, and interaction effects of the variables, as well as the optimum operating conditions, were obtained using Minitab Statistical software. According to the data obtained from the analysis of variance, regression coefficients (R2), and diagnostic plots, the model shows a good correlation between the observed and predicted values. Thus, the EF/BDD process, under optimal operating conditions (i.e. [PNT] = 25 mg L-1, [Fe2+] = 32.7 mg L-1, j = 84.7 mA cm-2 and 14 min for degradation and 230 min for mineralization), achieved 81.7% and 78.2% degradation and mineralization of PNT, respectively, in ultrapure water and 63.2% degradation of PNT and 66.5% mineralization of organic matter in secondary effluent. In the EF/Pt process, under ideal conditions ([PNT] = 25 mg L-1, [Fe2+] = 25.3 mg L-1, j = 59.5 mA cm-2 and 14 min and 230 min for degradation and mineralization, respectively), there was 83.9% and 45.2% degradation and mineralization of PNT, respectively, in ultrapure water, and 68.4% degradation and 39.4% mineralization in the effluent. The AO-H2O2 process carried out in effluent and under optimal conditions (pH = 7.05, j = 102 mA cm-2 and 13 min for degradation and 214 min for mineralization), achieved 65.6% degradation and 51.9% mineralization. In the PEFS process, carried out in effluent and under ideal operating conditions ([Fe2+] = 16.8 mg L-1, j = 45.9 mA cm-2 and 36 min for degradation and 181 min for mineralization), 55.9% and 37.1% degradation and mineralization were observed, respectively, with an energy consumption of only 0.14 kWh g-1. The toxicity of the treated solutions was evaluated using two different organisms. In Artemia salina, the EF and AO-H2O2 processes eliminated the toxicity of the solutions, while the PEFS process significantly reduced toxicity. In Lactuca sativa, only the EF process showed no acute toxicity, while the AO-H2O2 and PEFS processes showed a slight inhibition of seed germination. Finally, three degradation routes were presented, with the identification of 12 intermediates. Additionally, the use of EAOPs as an experimental device was proposed to apply an active team-based methodological approach to teaching chemistry to elementary school students making chemistry classes more engaging, didactic, and challenging. Many students rate team-based learning (TBL) positively because they find it interesting and attractive, especially when working in teams. Keywords: Advanced oxidative electrochemical processes, ecotoxicity, experimental design, team-based learning.RESUMO A poluição das fontes de água devido a bioacumulação de contaminantes persistentes está se tornando cada vez mais grave, e os métodos convencionais de tratamento não são eficazes na remoção desses poluentes. Portanto, este estudo tem como principal objetivo investigar o uso dos processos eletroquímicos de oxidação avançada (PEOAs), por meio de um delineamento composto central (DCC), com base em metodologia de superfície de resposta (MSR) para planejar e otimizar os parâmetros de tratamento de remoção da fenacetina (FNT), um medicamento usado principalmente como analgésico, empregando três processos: eletro-Fenton (EF), oxidação anódica, com eletrogeração de peróxido de hidrogênio (OA-H2O2) e foto eletro-Fenton solar (FEFS). Os processos EF e OA-H2O2 foram realizados em um reator de 100 mL, enquanto o FEFS foi executado em um fotorreator solar de 8,0 L, acoplado a uma célula eletroquímica. Eletrodos de diamante dopado com boro (BDD) ou Pt foram utilizados como ânodo e uma malha de Carbono-PTFE como cátodo. Por meio de planejamento experimental, os efeitos lineares, quadráticos e de interação das variáveis, assim como as condições ideais de operação, foram obtidas usando o software Minitab Statistical. De acordo com os dados obtidos, da análise de variância, dos coeficientes de regressão (R2) e dos gráficos diagnósticos, o modelo apresenta boa correlação entre os valores observados e os valores preditos. Assim, o processo EF/BDD, sob condições operacionais ótimas (ou seja, [FNT] = 25 mg L-1, [Fe2+] = 32,7 mg L-1, j = 84,7 mA cm-2 e 14 min para degradação e 230 min para mineralização), atingiu 81,7% e 78,2% de degradação e mineralização de FNT, respectivamente, em água ultrapura e, 63,2% de degradação de FNT e 66,5% de mineralização da matéria orgânica, em efluente secundário. No processo EF/Pt, em condições ideais ([FNT] = 25 mg L-1, [Fe2+] = 25,3 mg L-1, j = 59,5 mA cm-2 e 14 min e 230 min para degradação e mineralização, respectivamente), houve 83,9% e 45,2% de degradação e mineralização de FNT, respectivamente, em água ultrapura, e 68,4% de degradação e 39,4% de mineralização, em efluente. O processo de OA-H2O2, realizado em efluente e sob condições ótimas (pH = 7,05, j = 102 mA cm-2 e 13 min para degradação e 214 min para mineralização), atingiu 65,6% de degradação e 51,9% de mineralização. No processo FEFS, executado em efluente e sob condições operacionais ideais ([Fe2+] = 16,8 mg L-1, j = 45,9 mA cm-2 e 36 min para degradação e 181 min para mineralização), foram observados 55,9% e 37,1% de degradação e de mineralização, respectivamente, com consumo energético de apenas 0,14 kWh g-1. A toxicidade das soluções tratadas foi avaliada usando dois organismos diferentes. Em Artemia salina, os processos EF e OA-H2O2 reduziram a toxicidade das soluções, enquanto no processo FEFS reduziu significativamente a toxicidade. Já em Lactuca sativa, apenas o processo EF não apresentou toxicidade aguda, enquanto os processos AO-H2O2 e FEFS apresentaram uma leve inibição no índice de germinação das sementes. Por fim, foram apresentadas três rotas de degradação, com a identificação de 12 intermediários. Adicionalmente, foi proposto o uso dos PEOAs, como dispositivo experimental, para a aplicação de uma abordagem metodológica ativa baseada em equipes para o ensino de química à alunos da educação básica, a fim de tornar as aulas de química mais envolventes, didáticas e desafiadoras. E a maioria dos estudantes avalia a metodologia baseada em equipes (ABE) de forma positiva porque a considera interessante e atrativa, principalmente quando se trabalha em equipe. Palavras-chave: Processos eletroquímicos oxidativos avançados, ecotoxicidade, planejamento experimental, aprendizagem baseada em equipes.Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do SulUFMSBrasilProcessos eletroquímicos oxidativos avançados, ecotoxicidade, planejamento experimental, aprendizagem baseada em equipesO USO DE PROCESSOS ELETROQUÍMICOS DE OXIDAÇÃO AVANÇADA NA DEGRADAÇÃO DA FENACETINA E SUA APLICAÇÃO COMO RECURSO METODOLÓGICO ENVOLVENDO O ENSINO DE QUÍMICAinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisSilvio Cesar de OliveiraRICARDO CARDOSOinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFMSinstname:Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS)instacron:UFMSORIGINALTESE Final - Ricardo Cardoso.pdfTESE Final - Ricardo Cardoso.pdfapplication/pdf2619183https://repositorio.ufms.br/bitstream/123456789/6668/-1/TESE%20Final%20-%20Ricardo%20Cardoso.pdfdb1dad430fb86478ad1c49eea721b8fbMD5-1123456789/66682023-10-19 14:43:09.511oai:repositorio.ufms.br:123456789/6668Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufms.br/oai/requestri.prograd@ufms.bropendoar:21242023-10-19T18:43:09Repositório Institucional da UFMS - Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS)false
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