Modelação matemática de um reator fotocatalítico com coletor solar

Abstract

A poluição da água representa um dos assuntos mais críticos em todo o mundo,tendo origem em diversas áreas da atividade humana, como a indústria, a rede municipalde águas, a agricultura, a construção e a extração de matérias-primas. Devido a isto, novosmétodos de tratamento de efluentes têm surgido, nomeadamente a fotocatáliseheterogénea, que se baseia na produção de radicais hidroxilos através da excitação de umfotocatalisador usando luz.Neste trabalho, propõe-se um modelo matemático capaz de calcular a radiaçãoUV solar para Coimbra que é possível captar com um Concentrador Parabólico Composto(CPC), para proceder à decomposição de poluentes presentes em efluentes.Primeiramente, procedeu-se à determinação da radiação UV incidente emCoimbra. Para isto utilizou-se o modelo de Bird e Riordan onde se obteve a radiação UVna ausência de nuvens. De seguida com a equação de Foyo-Moreno retirou-se o UVincidente. Os valores da radiação absorvida pelo coletor foram calculados utilizando ummodelo solar onde se calcula a radiação difusa e direta incidente, de forma a obter-se aradiação total absorvida pelo recetor.Os valores obtidos após a otimização, para o ano de 2020, foram de 11.54º para oângulo de aceitação e de 22º para a inclinação do CPC o que permitiu obter 477.14 MJ/m2.Foi também calculado a inclinação ótima para um CPC com o ângulo de aceitação fixoem cada mês do ano, de forma a averiguar se uma correção mensal na inclinação iriainfluenciar de forma significativa a radiação captada. Obteve-se 639.49 MJ/m2 para umacorreção mensal da inclinação do CPC, mais 34% do que para um valor fixo anual, peloque uma correção mensal de β leva a um aumento significativo da radiação.A cinética da reação foi obtida através de experiências laboratoriais, utilizando oP25 TiO2 da Degussa como catalisador, uma mistura de 3 parabenos num reatordescontinuo com um volume de 2L, 3 lâmpadas Philips TL 6WBLB e tempo de operaçãode 1 hora. As concentrações iniciais dos parabenos eram de 1mg/L cada e do catalisadorera de 70 mg/L. Foi obtida uma degradação de 99.5% para o metilparabeno, 99.1% parao etilparabeno e 98.6% para o propilparabeno no final do tempo reacional de 1h. AModelação matemática de um reator fotocatalítico com coletor solarconstante cinética de pseudo-primeira ordem de cada reação (W-1s-1) foi retirada atravésde uma regressão linear utilizando a radiação emitida pelas lâmpadas ao longo do tempoe a concentração ao longo do tempo, sendo obtidos valores da constante cinética de 0.022,0.018 e 0.019 , respetivamente.Foram realizadas simulações para 4 dias com comportamentos distintos, um diade verão solarengo, um dia de verão nublado, um dia de inverno solarengo e um dia deinverno nublado, o valor de degradação foi estabelecido em 99.5% e calculou-se o tempoem minutos que na manhã de cada dia se demorava a atingir esta percentagem, tendo-seobtido 31, 101, 104 e 154, respetivamente. A reação de degradação é influenciada pelaradiação que varia ao longo do dia, pelo que o tempo de reação é função da radiaçãoabsorvida pelo CPC.Este método é eficiente, mas a variação da radiação e dos contaminantes a tratarlevam a que tenha de haver conhecimento das propriedades do reator e da radiaçãonecessária para oxidar completamente os compostos, de forma a controlar o tempo de reação.

Water pollution represents one of the most critical issues worldwide, originatingfrom several areas of human activity, such as industry, municipal waterworks, agriculture,construction and raw material extraction. Due to this, new methods of wastewatertreatment have emerged, namely heterogeneous photocatalysis, which is based on theproduction of hydroxyl radicals through the excitation of a photocatalyst using light.In this work, a mathematical model capable of calculating the solar UV radiationfor Coimbra that can be captured with a Compound Parabolic Concentrator (CPC), todecompose pollutants present in effluents, is proposed.First, the incident UV radiation in Coimbra was obtained. The Bird and Riordanmodel was used to determine the UV radiation in the absence of clouds. Then, using theFoyo-Moreno equation, the incident UV was extracted, and the values of the radiationabsorbed by the collector were calculated using the Duffie equation.The values obtained after optimization, for one year, were 11.54º for the halfacceptance angle and 22º for the inclination of the CPC which gave 477.14 MJ/m2. Theoptimum slope was also calculated for a CPC with the acceptance angle fixed for eachmonth of the year, in order to see if a monthly correction in the slope would significantlyinfluence the captured radiation. 639.49 MJ/m2 was obtained for a monthly correction ofthe CPC slope, 34% more than for a fixed annual value, so a monthly correction of β leadsto a significant increase in radiation collection.The kinetics of the reaction was taken by performing laboratory experiments,using P25 TiO2 from Degussa as a catalyst, a mixture of 3 parabens in a discontinuousreactor with a volume of 2L, 3 Philips TL 6WBLB lamps and an operating time of 1 hour.The initial concentrations of the parabens were 1mg/L each and the catalyst load was70mg/L. 99.5%, 99.1% and 98.6% of degradation were obtained for methylparaben,ethylparaben, and propylparaben, respectively after 1 hour of reaction. The kineticconstant of pseudo-first order for each reaction (W-1s-1) was derived by a linearregression using the radiation emitted by the lamp and the concentration over time,obtaining kinetic constant values of 0.022, 0.018 and 0.019 , respectively.Modelação matemática de um reator fotocatalítico com coletor solarSimulations were performed for 4 days with different behaviors, a sunny summerday, a cloudy summer day, a sunny winter day and a cloudy winter day, the degradationvalue was set at 99.5% and the time in minutes it took to reach this percentage formethylparaben in the morning of each day was calculated, obtaining 31, 101, 104 and154, respectively. The degradation reaction is influenced by radiation that variesthroughout the day, so the reaction time is a function of the radiation absorbed by theCPC.This method is efficient, but the variation in radiation and the contaminants to betreated mean that the reactor properties and the radiation required to completely oxidizethe compounds must be known, in order to control the reaction time.