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Please use this identifier to cite or link to this item: http://tede.unioeste.br/handle/tede/4873
Tipo do documento: Tese
Title: Estudo dos fenômenos de ativação de eletrodos, difusão e migração iônica em meio eletrolítico e sua representação matemática da demanda energética no processo de eletrocoagulação: o papel da condutividade elétrica na remoção de poluentes
Other Titles: Study of the electrode activation, ion diffusion and migration phenomena in electrolytic media and the mathematic representation of energy demand in the electrocoagulation process: the role of electrical conductivity in the removal of pollutants
Autor: Romani, Maurício 
Primeiro orientador: Espinoza Quiñones, Fernando Rodolfo
Primeiro membro da banca: Espinoza Quiñones, Fernando Rodolfo
Segundo membro da banca: Borba, Carlos Eduardo
Terceiro membro da banca: Dragunski, Douglas Cardoso
Quarto membro da banca: Eyng, Eduardo
Quinto membro da banca: Pauli, Aline Roberta de
Resumo: Este trabalho teve por objetivo principal a proposta de estudar os fenômenos de ativação, difusão e migração iônica no intuito de modelar a demanda energética total no processo de eletrocoagulação (EC), bem como entender a importância da condutividade elétrica no controle e potencialização da remoção de poluentes. Um reator de eletrocoagulação, em batelada, composto de um par de eletrodos metálicos do mesmo material (alumínio) com área efetiva de 0,1 m2 e volume útil de 1,29 L, foi construído e operado no modo de corrente elétrica contínua constante (modo CEC). Soluções eletrolíticas de ZnSO4 foram utilizadas para avaliar os efeitos tanto da densidade de corrente elétrica e condutividade elétrica nos fenômenos de ativação, difusão e migração iônica. Conjuntos de experimentos de EC foram planejados e executados, sendo seus resultados confrontados com um modelo teórico proposto a partir da equação de Nernst-Planck. A condutividade elétrica inicial (faixa de 100 a 1000 µS cm-1) e a densidade de corrente elétrica (faixa de 2 a 8 A m-2) foram as variáveis de controle em cada experimento. A concentração de Zn, o pH, a condutividade elétrica e a tensão elétrica total medida na fonte de alimentação foram as variáveis de resposta medidas durante os experimentos, sendo o comportamento destas variáveis devidamente correlacionados ao consumo energético de cada fenômeno que governa o processo (ativação, difusão e migração iônica). Todos os experimentos de EC mostraram um comportamento variável com o tempo para a condutividade elétrica, acompanhando a entrada de íons de Al pelo ânodo bem como queda na concentração de Zn devido aos processos de remoção de poluentes. O comportamento transiente inicial da tensão elétrica total durante os experimentos de EC foi bem ajustado pelo modelo matemático proposto para a ativação dos eletrodos. A energia de ativação dos eletrodos é governada por uma equação que lembra o processo de dessorção seguido de difusão, alterando parâmetros antes considerados estacionários pelas equações clássicas de Tafel, utilizadas comumente para descrever os potenciais de ativação. O gradiente de concentração iônica, por sua vez, apresentou efeitos muito menores sobre a tensão elétrica total quando comparados aos efeitos da ativação dos eletrodos e da migração iônica, sendo esta última governada pela Lei de Ohm. A condutividade elétrica demonstrou ter impacto direto sobre todos os fenômenos envolvidos na EC. Além disso, outro conjunto de experimentos foi executado com intuito de avaliar o desempenho integrado da EC em termos de massa de poluente removida por unidade de energia consumida. Neste conjunto de experimentos, soluções eletrolíticas de ZnSO4 continuaram sendo utilizadas, mas uma configuração distinta de reator batelada baseada em eletrodos de alumínio foi construída (30 x 2 x 7 cm). Condições iniciais de condutividade elétrica (230 a 435 µS cm-1) e densidade de corrente (4,76 a 21,45 A m-2) possibilitaram a comparação do desempenho em modo de corrente elétrica constante (modo CEC) e modo de tensão elétrica constante (modo TEC). A operação em modo CEC resultou em um maior desempenho integrado, com baixo consumo de energia, apesar das menores taxas de remoção de poluentes. O comportamento da condutividade elétrica no tempo e seu impacto sobre a tensão elétrica total reafirmou seu papel central no direcionamento do processo.
Abstract: This work had as main objective the proposal to study the activation, diffusion and ion migration phenomena in order to model the total energy demand in the electrocoagulation process (EC), as well as to understand the importance of electrical conductivity in the control and enhancement of pollutant removal. A batch electrocoagulation reactor, composed of a pair of metallic electrodes of the same material (aluminum) with effective area of 0.1 m2 and a useful volume of 1.29 L, was built and operated in constant direct current mode. ZnSO4 electrolyte solutions were used to evaluate the effects of both electric current density and electrical conductivity on activation, diffusion and ion migration phenomena. Sets of EC experiments were planned and executed, and their results were compared with a theoretical model proposed based on the Nernst-Planck equation. Initial electrical conductivity (range 100 to 1000 µScm-1) and electric current density (range 2 to 8 Am-2) were the control variables in each experiment. Zn concentration, pH, electrical conductivity and total electric voltage measured by the power supply were the response variables measured during the experiments, and the behavior of these variables was properly correlated to the energy consumption of each phenomenon that governs the process (activation, diffusion and ion migration). All EC experiments showed a variable behavior over time for electrical conductivity, due to the input of Al ions through the anode as well as the drop in Zn concentration due to pollutant removal processes. The initial transient behavior of the total electric voltage during the EC experiments was well adjusted by the proposed mathematical model for electrode activation. The activation energy is governed by an equation that resembles the desorption process followed by diffusion, which changes parameters previously considered stationary by the classical Tafel equations, commonly used to describe activation potentials. The ionic concentration gradient, in turn, had much smaller effects on the total electric voltage when compared to the effects of electrode activation and ion migration, the latter being governed by Ohm's Law. Electrical conductivity has been shown to have a direct impact on all phenomena involved in EC. In addition, another set of experiments was carried out in order to evaluate the integrated performance of the EC in terms of the mass of pollutant removed per unit of energy consumed. In this set of experiments, ZnSO4 electrolytic solutions continued to be used, but a distinct batch reactor configuration based on aluminum electrodes was built (30 x 2 x 7 cm). Initial conditions of electrical conductivity (230 to 435 µS cm-1) and current density (4.76 to 21.45 A m-2) made it possible to compare performances in constant electric current mode (CEC mode) and constant electric voltage mode (CEV mode). The operation in CEC mode resulted in a higher integrated performance, with low energy consumption, despite the lower pollutants removal rates. The behavior of electrical conductivity over time and its impact on total electrical voltage reaffirmed its central role on driving the process.
Keywords: Tensão elétrica de ativação
Condutividade elétrica
Dessorção-difusão
Gradiente de potencial por transferência de massa
Modelo matemático transiente
Activation voltage
Electrical conductivity
Desorption-diffusion
Mass-transfer potential gradient
Transient mathematical model
CNPq areas: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Publisher: Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Sigla da instituição: UNIOESTE
Departamento: Centro de Engenharias e Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Campun: Toledo
Citation: ROMANI, Maurício. Estudo dos fenômenos de ativação de eletrodos, difusão e migração iônica em meio eletrolítico e sua representação matemática da demanda energética no processo de eletrocoagulação: o papel da condutividade elétrica na remoção de poluentes. 2020. 110 f. Tese ( Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Toledo, 2020.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://tede.unioeste.br/handle/tede/4873
Issue Date: 9-Apr-2020
Appears in Collections:Doutorado em Engenharia Química (TOL)

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