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Investigação da tecnologia eletroquímica para a produção de ozônio: aspectos fundamentais e aplicados (2004)

  • Authors:
  • Autor USP: SILVA, LEONARDO MORAIS DA - FFCLRP
  • Unidade: FFCLRP
  • Sigla do Departamento: 593
  • Subjects: ELETROQUÍMICA; FÍSICO-QUÍMICA; QUÍMICA ANALÍTICA
  • Language: Português
  • Abstract: Após uma introdução enfatizando a importância da eletroquímica para os chamados "Processos Químicos Verdes", esta Tese apresenta as potencialidades do ozônio como agente oxidante em diferentes processos de interesse tecnológico e ambiental. Posteriormente, é discutido as vantagens e desvantagens das diferentes tecnologias usadas na produção de ozônio, onde é dado uma ênfase sobre os diferentes aspectos relacionados ao uso da tecnologia eletroquímica para a produção de ozônio. Os estudos eletroquímicos fundamentais foram conduzidos investigando-se diferentes materiais eletródicos, para que um destes materiais pudesse ser usado na construção de um reator eletroquímico gerador de ozônio. A primeira etapa do estudo eletroquímico fundamental consistiu na investigação das reações de desprendimento de oxigênio (RDO) e formação de ozônio (RFO) sobre eletrodos inertes constituídos de 'beta'-Pb'O IND.2', os quais foram preparados em diferentes condições de eletrodeposição. Neste estudo constatou-se que a natureza do eletrólito e a morfologia do eletrodo influenciam diretamente sobre o comportamento cinético do eletrodo para os processos da RDO/RFO, modificando o grau de cobertura dos intermediários para ambos processos. O comportamento anômalo do coeficiente de Tafel, b, em função da temperatura foi atribuído a adsorsão de espécies do eletrólito, e da competitividade de adsorsão entre estas espécies, e da aderência de bolhas de gás na superfície do eletrodo. Umacomparação entre os valores da eficiência de corrente referente ao processo da RFO, 'ANTPOT.'fi' RFO', determinada em diferentes condições de temperatura e da composição do eletrólito, mostrou que a presença de flúor-compostos ('Na'F, KP'F IND. 6' e HB'F IND. 4') no eletrólito de suporte base, ESB, ('H IND.2'S'O IND. 4' 3,0 mol 'dm POT.-3') promove um aumento nos valores de 'ANTPOT.'fi' RFO'. Os resultados obtidos com o estudo que investiga ) a influência da natureza do ânion do eletrólito sobre os valores de 'ANTPOT.'fi' RFO', quando analisadas de acordo com o mecanismo eletródico proposto neste estudo, indicam que a presença de ânions possuidores de uma elevada eletronegatividade provoca alterações na estrutura da dupla camada elétrica, DCE, resultando assim num aumento da concentração superficial dos centros ativos responsáveis pelo processo da RFO. A ocorrência de um aumento na barreira de ativação para o processo da RDO, no domínio dos elevados sobrepotenciais durante a RFO, ocasionada pela presença de flúor- ânions na estrutura da DCE, é apoiada pelos valores da energia de ativação eletroquímica, 'E IND.a POT.'eta'', calculados para os processos da RDO e RFO, em diferentes domínios do sobrepotencial. O estudo envolvendo a análise dos valores da potência específica aparente consumida pelo processo da RFO, 'P IND.ap POT. 0'('O IND.3'), calculados para os diferentes eletrodos de 'beta'-Pb'O IND.2', nos diferentes eletrólitos investigados, revelou que ademanda de energia associada a RFO depende da morfologia do eletrodo e da natureza do eletrólito empregado. O estudo de caracterização superficial in situ, efetuado antes e após os estudos da RDO/RFO, revelou que mesmo sob drásticas condições experimentais (elevadas densidades de corrente, baixas temperaturas e baixo pH interfacial) os eletrodos de 'beta'-Pb'O IND.2' podem ser considerados materiais eletródicos inertes. A segunda etapa do estudo eletroquímico fundamental consistiu na investigação da RDO/RFO sobre eletrodos ativos (não-inertes) do tipo 'DSA® constituídos de Ti/(Ir'O IND.2'+'Ta IND.2''O IND.5'), os quais foram preparados a '550 ºC (2h) empregando-se uma taxa de resfriamento média de '2 ºC 'MIN POT.-1']. Os estudos de caracterização ex situ e in situ revelaram que o uso do controle da temperatura de resfriamento dos eletrodos resulta em filmes bem compactos, ) principalmente para conteúdos de Ir'O IND.2' inferiores a 55%mol. Os valores do potencial do eletrodo med ido em circuito aberto, 'E IND.ca', e os perfis voltamétricos apoiam a proposta de que a eletroquímica superficial dos eletrodos é governada pelo par redox Ir(III)/Ir(IV). O valor mínimo obtido para a área eletroquimicamente ativa e a porosidade eletroquímica dos eletrodos foi observado para as composições contendo entre 40 e 50%mol de Ir'O IND.2'. O estudo cinético para os processos da RDO/RFO baseado na determinação do coeficiente de Tafel, b, mostrou que os processos da RDO/RFOdependem de ambos conteúdo de Ir'O IND.2' e da natureza do eletrólito. A dependência anômala de b com a temperatura foi atribuída a adsorsão de ânions e da aderência de bolhas de gás na superfície do eletrodo. O estudo da determinação da energia de ativação eletroquímica da RDO, 'E IND.a POT.'eta''('O IND.2), revelou que a composição do eletrodo influencia de forma significativa a barreira energética para a RDO somente para o caso do ESB contendo o flúor-composto KP'F IND.6', onde foi constatado uma tendência de redução nos valores de 'E IND.a POT.'eta''('O IND.2) com a elevação do conteúdo de Ir'O IND.2', alcançando um mínimo para as composições contendo entre 45 e 50%mol de Ir'O IND.2'. O estudo da 'ANTPOT.'fi' RFO' revelou um decaimento linear de 'ANTPOT.'fi' RFO' com o aumento no conteúdo de Ir'O IND.2' no intervalo de 40 a 50% mol de Ir'O IND.2', para ambos os eletrólitos investigados (ESB e ESB+KP'F IND.6'). Conforme observado para o caso dos eletrodos inertes a introdução de um flúor-composto no ESB promove um aumento nos valores de 'ANTPOT.'fi' RFO' . Uma comparação entre os valores de 'ANTPOT.'fi' RFO' obtidos para os eletrodos inertes ('beta'-Pb'O IND.2' e ativos (Ti/(Ir'O IND.2'+'Ta IND.2''O IND.5)) revelou que os eletrodos inertes apresentam um desempenho superior para o processo da RFO. O estudo ) de caracterização superficial in situ, efetuado antes e após os estudos da RDO/RFO, revelaram que sob as drásticas condições experimentaisrequeridas pela RFO os eletrodos ativos de composição nominal (Ti/(Ir'O IND.2'+'Ta IND.2''O IND.5) sofrem um acentuado desgaste superficial. Estes resultados, aliado ao seu baixo desempenho para a RFO, revela que o uso de eletrodos constituídos de (Ti/(Ir'O IND.2'+'Ta IND.2''O IND.5) para o processo de geração de ozônio não é adequado. Face aos resultados obtidos nos estudos fundamentais da RFO, os estudos aplicados envolvendo a geração de ozônio via tecnologia eletroquímica consistiram no desenvolvimento e caracterização de um reator eletroquímico gerador de ozônio com capacidade de corrente máxima de 80A, o qual foi construído empregando-se como ânodo um eletrodo planar perfurado constituído de 'beta'-Pb'O IND.2' A investigação da influência do fluxo volumétrico do eletrólito, 'V IND.E', sobre a troca de calor entre o frasco reservatório de eletrólito e o meio ambiente revelou que a troca de calor espontânea não é eficiente, mostrando assim a necessidade do uso de um sistema de refrigeração para se efetuar um controle da temperatura do eletrólito, 'T IND.E'. Neste estudo foi constatado que o valor de 'V IND.E' que garante uma constância na temperatura do eletrólito na superfície do ânodo e no frasco reservatório é de 60'dm POT. 3''h POT.-1' A investigação da influência da densidade de corrente nominal total, jT, sobre o desempenho do reator para a RFO, em condições de temperatura controlada, em diferentes eletrólitos de suporte, revelou que o potencial do reator,U, é praticamente independente do valor de 'T IND.E' para jT '< OU ='30A. Já para valores superiores de jT foi constatado que uma redução nos valores de 'T IND.E' é acompanhada por um aumento nos valores de U. Foi também observado neste estudo que os valores de 'ANTPOT.'fi' RFO' aumentam com ) aumentam com a elevação de jT e com a redução de 'T IND.E'. Os valores de 'ANTPOT.'fi' RFO' obtidos para o ESB ('H IND.2'S'O IND. 4' 1,0 mol 'dm POT.-3') e o ESB contendo KP'F IND.6' 0,03 mol 'dm POT.-3', no intervalo de 'T IND.E' de 20 a '0 ºC, foram de 0,5 a 3% e de 1 a 9%, respectivamente. O estudo envolvendo a determinação da potência específica consumida pela RFO, 'P POT.0'('O IND.3'), revelou um decréscimo de 'P POT.0'('O IND.3') com o aumento de jT e com a redução de 'T IND.E' em ambos eletrólitos investigados. Os valores de 'P POT.0'('O IND.3'), calculados para o ESB ('H IND.2'S'O IND.4' 1,0 mol 'dm POT.-3) e o ESB contendo KP'F IND.6' 0,03 mol 'dm POT.-3', no intervalo de 'T IND.E' de O a '20 ºC, foram de 0,45 a 1,85 kW h 'g POT -1' e 0,17 ao 0,86 kW h 'g POT.-l', respectivamente. O estudo baseado na investigação da dependência da velocidade de formação de 'O IND.3', 'V IND.RFO', com jT, 'T IND.E' e a natureza do eletrólito, revelou que a capacidade de produção de 'O IND.3' do reator é máxima em elevados valores de jT e reduzidos valores de 'T IND.E'. Nestes casos foram obtidos valores de 'V IND.RFO' para o ESB ('H IND.2'S'O IND. 4' 1,0 mol 'dm POT.-3') e oESB contendo KP'F IND.6' 0,03 mol 'dm POT.-3', no intervalo de 'T IND.E' de 20 a 'O ºC, de 0,05 a 0,75 g 'h POT.-1' e 0,1 a 2,lg 'h POT.-1', respectivamente. Em concordância com o comportamento observado para 'V IND.RFO', o cálculo do parâmetro ganho de massa-potência elétrica total, 'ANTPOT. 'teta' RFO', dado em g 'W POT.-l' 'h POT.-1', revelou que a melhor performance do reator para o processo da RFO é obtida em elevados valores de jT e reduzidos valores de 'T IND.E'
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  • Data da defesa: 07.05.2004
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    • ABNT

      SILVA, Leonardo Morais da; BOODTS, Julien Françoise Coleta. Investigação da tecnologia eletroquímica para a produção de ozônio: aspectos fundamentais e aplicados. 2004.Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto, 2004. Disponível em: < http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59138/tde-07072004-221143/ >.
    • APA

      Silva, L. M. da, & Boodts, J. F. C. (2004). Investigação da tecnologia eletroquímica para a produção de ozônio: aspectos fundamentais e aplicados. Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto. Recuperado de http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59138/tde-07072004-221143/
    • NLM

      Silva LM da, Boodts JFC. Investigação da tecnologia eletroquímica para a produção de ozônio: aspectos fundamentais e aplicados [Internet]. 2004 ;Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59138/tde-07072004-221143/
    • Vancouver

      Silva LM da, Boodts JFC. Investigação da tecnologia eletroquímica para a produção de ozônio: aspectos fundamentais e aplicados [Internet]. 2004 ;Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59138/tde-07072004-221143/

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