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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Dimensionamento hidráulico de reator fotoeletrocatalítico para tratamento avançado de águas e águas residuárias
Title Alternative: Hydraulic dimensioning of photoelectrocatalytic reactor for advanced treatment of water and wastewater
Author: Tedesco, Gustavo Côrte, 1986-
Advisor: Moraes, Peterson Bueno de, 1972-
Abstract: Resumo: Em busca de solucionar inconvenientes e redução de custos oriundos de processos convencionais de tratamento de água e águas residuárias como também aumentar a eficiência, a aplicação de tecnologias avançadas de tratamento mostra-se uma alternativa promissora. Os Processos Oxidativos Avançados (POA), em particular a fotoeletrocatálise, possibilita a degradação de compostos recalcitrantes e ou de baixa biodegradabilidade presentes em efluentes. Além disso, o surgimento de novos materiais, como por exemplo, os nanotubos de TiO2, quando parte integrante dos eletrodos aplicados em fotoeletrocatálise, têm potencializado este processo. No entanto, além do desafio em desenvolver novos materiais, há a dificuldade de criação e otimização de reatores fotoeletrocatalíticos no tocante à ampliação de escala sem perda das características do processo. Este trabalho teve como objetivos: projetar um reator fotoeletrocatalítico com características inovadoras em relação aos sistemas atualmente existentes, tais como elevada área anódica em relação às dimensões; estudar as variáveis fluidodinâmicas através de Fluidodinâmica Computacional; e construir o protótipo em escala real do reator e realizar testes hidrodinâmicos em bancada para validação dos modelos matemáticos adotados na simulação computacional, de modo a fornecer subsídios para a construção do reator em titânio (Ti) contendo eletrodos de Ti recobertos com TiO2 nanoestruturado. O dimensionamento e a concepção consideraram principalmente a flexibilidade para uso de diferentes tipos de fontes de luz ultravioleta e a maximização da área anódica. A partir da comparação com os reatores eletrolíticos de placas paralelas e fotocatalíticos eletro-assistidos tubulares disponíveis na literatura, foi projetado um reator com anodos tipo colmeia e catodos em tela que promoveu um ganho de área anódica de 1,43 e 5,14 vezes respectivamente para mesmas dimensões lineares dos sistemas investigados. Após longa prospecção de processos construtivos, concluiu-se que a tecnologia em impressão 3D foi a única capaz de permitir a construção do protótipo em Poliamida que atendesse a complexidade, detalhamento e precisão demandados. As simulações computacionais utilizando o programa CFX, com Reynolds variando entre 91,40 e 6215 mostraram que a partir de 1000 L.h-1, o regime turbulento foi bem definido, sendo que alta velocidade do fluxo aumentam a capacidade de transporte de cargas e massa e evitam a passivação dos eletrodos, características altamente desejáveis para sistemas fotoeletroquímicos. Foi possível validar o modelo adotado na simulação computacional, pois comparando os dados de equacionamento, testes de bancada, simulação e equação proposta de perda de carga, foram obtidas diferenças de 1,84% e 5,06% para a pressão total no reator e para o número médio de Reynolds, respectivamente, na câmara de fluxo ascendente na vazão de 1000 L.h-1. Portanto, o reator proposto, simulado, construído e testado mesmo não considerando as variáveis termodinâmicas, reacionais e fotônicas inerentes aos processos fotoeletroquímicos, serviu de subsídio para a construção de um reator em titânio

Abstract: In order to solve some drawbacks of conventional water and wastewater treatment processes as well improve their efficiency, the use of Advanced Oxidation Processes (AOP), in particular the heterogeneous photocatalysis rise as an attractive alternative, mainly for the degradation of recalcitrant compounds present in wastewaters. Furthermore, the advance of new materials such as TiO2 nanotubes, when used as electrodes coating and applied in photoelectrocatalysis can improve the processes efficiency. On the other hand, the optimization of photoelectrocatalytic reactors regarding to the scale-up without losing the process characteristics still remains a challenge. This study aimed: design an photoelectrocatalytic reactor with innovated features such as higher anodic area/total area ratio; study the hydrodynamic variables using CFD and to construct the reactor prototype in real-scale to carry hydrodynamic bench-tests and validate the mathematical models adopted in the CFD, in order to provide subsidies for the construction of titanium (Ti) reactor with anode-coated nanostructured TiO2. The dimensioning and conception considered meanly the flexibility for the use of different UV sources and the anodic area maximization. From the initial comparison with parallel plates electrolytic reactors as well electro-assisted photocatalytic tubular reactors available in the literature it was designed a honeycomb-type anode and mesh cathode which resulted in increase of anodic area of 1.43 and 5.14 times respectively when considered the same linear dimensions of the reactors above mentioned. After extensive prospection of constructive processes was concluded that 3-D printing technology was the only one able to produce the polyamide prototype due complexity, detailing and precision demanded. The computational simulations were run using CFX software. Reynolds number ranging from 91.40 to 6215 has shown that starting from 1,000 L.h-1, turbulent flow went well defined and that increasing the flow-rate increases the charge and mass transport thus avoiding the electrode passivation. It was possible to validate the model adopted for the fluid dynamic's simulations, comparing the equation data, hydraulic bench tests, simulation and the proposed equation for the head loss, due to differences obtained of 1.84% and 5.06% for the total pressure inside the reactor and Reynolds respectively, in the upflow chamber working at 1,000 L.h-1. Therefore the results obtained from proposed reactor simulated, constructed and tested, even not considering the thermodynamics, kinetics and the photonic efficiency inherent to photoelectrochemical processes, can be used in order to help a new design of a nanostructured photoelectrochemical titanium reactor
Subject: Eletrodos nanoestruturados
Reatores fotoeletroquímicos
Otimização
Processo oxidativo avançado
Fluidodinâmica computacional
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: TEDESCO, Gustavo Côrte. Dimensionamento hidráulico de reator fotoeletrocatalítico para tratamento avançado de águas e águas residuárias. 2017. 1 recurso online (152 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia, Campinas, SP.
Date Issue: 2017
Appears in Collections:FT - Tese e Dissertação

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