Eletro-geração on-site de H₂O₂ combinado com processo UV : degradação de múltiplos fármacos em sistemas de água potável

Abstract

Os produtos farmacêuticos atenolol (ATN), prednisona (PRED) e o sulfametoxazol (SMX) estão entre os fármacos frequentemente empregados no tratamento de doenças. Como consequência, são amplamente detectados em matrizes ambientais, podendo causar efeitos adversos a organismos não-alvo, especialmente quando encontrados como mistura no ambiente devido a seus efeitos sinérgicos. Com base nisso, esse estudo avaliou a degradação desses contaminantes por meio da eletro-geração on-site de H₂O₂ (E-H₂O₂) associado ou não ao processo UV. Foi proposto a utilização de um reator eletroquímico equipado com um eletrodo de grafite perfurado e um eletrodo de difusão de gás (GDE), empregados como cátodo e um eletrodo de diamante dopado com boro suportado em nióbio (Nb/BDD) utilizado como ânodo. As câmaras anódica e catódica foram separadas por uma membrana de troca catiônica, buscando garantir a E-H₂O₂ no compartimento catódico. Tendo em vista uma futura aplicação no tratamento de água potável, almejando a redução da utilização de reagentes químicos, a condução de prótons na câmara catódica foi realizada por meio da utilização de um eletrólito sólido. Assim, a interação do eletrólito sólido com os fármacos foi investigada, e os resultados indicam que esse pode exercer o papel de um adsorvente iônico, no qual o principal mecanismo são as interações eletrostáticas entre os grupos funcionais da resina e os compostos orgânicos carregados com cargas opostas. Ainda, foi avaliada a influência da densidade de corrente elétrica na taxa de produção de H₂O₂. A partir da melhor densidade de corrente elétrica obtida experimentalmente-30 mA cm⁻²-foi realizada a avaliação da degradação dos fármacos. Ao comparar os processos de fotólise direta (FD), E-H₂O₂ e o processo combinado (E-H₂O₂/UV-C), o sistema combinado indicou maior degradação dos fármacos avaliados em 15 min de reação, formando ácidos carboxílicos de menor complexidade e indicando ausência de fitotoxicidade para Allium cepa. Com isso, o sistema proposto demonstra-se como uma alternativa para E-H₂O₂ e o processo investigado apresentou potencial para aplicação em águas contaminadas com multicontaminantes. No entanto, os resultados de caracterização do GDE retratam que sua estrutura morfológica ao final dos testes experimentais teve alterações e perda do material catalítico, podendo prejudicar o processo de E-H₂O₂ ao longo do tempo. Dessa forma, ainda são necessários maiores estudos em relação ao material do GDE utilizado, garantindo estabilidade e durabilidade do eletrodo para aplicação em larga escala.

The pharmaceuticals atenolol (ATN), prednisone (PRED), and sulfamethoxazole (SMX) are among the medicines frequently used to treat diseases. Therefore, they are widely detected in environmental and can cause adverse effects on non-target organisms, especially when found as a mixture in the environment due to their synergistic effects. Based on this, this study evaluated the degradation of these contaminants through the on-site electro-generation of H₂O₂ (E-H₂O₂) associated or not with the UV process. It was proposed to use an electrochemical reactor equipped with a perforated graphite electrode and a gas diffusion electrode (GDE), used as a cathode, and a boron dopped diamond supported on niobium (Nb/BDD) electrode used as anode. The anode and cathode chambers were separated by a cation exchange membrane, seeking to guarantee E-H₂O₂ in the cathode compartment. With a view to a future application in the treatment of drinking water, aiming to reduce the use of chemical reagents, the conduction of protons in the system was carried out using a solid electrolyte. Thus, the interaction of the solid electrolyte with drugs was investigated, and the results indicate that it can play a role as an ionic adsorbent, in which the main mechanism is the electrostatic interactions between the functional groups of the resin and the organic compounds with opposite charges. The influence of current density on the H₂O₂ production rate was also evaluated. Based on the best current density obtained experimentally -30 mA cm-2- the degradation of the drugs was evaluated. When comparing the direct photolysis (DP), E-H₂O₂, and the combined process (E-H₂O₂/UV-C), the combined system indicated higher degradation of the drugs in 15 min of reaction, forming carboxylic acids of lower complexity and indicating an absence of phytotoxicity for Allium cepa. Therefore, the proposed system demonstrates an alternative to E-H₂O₂, and the investigated treatment showed potential for application in waters contaminated with multi-contaminants. However, the GDE characterization results show that its morphological structure at the end of the experimental tests had changes and loss of the catalytic material, which could harm the E-H₂O₂ process over time. Therefore, further studies are still needed regarding the GDE material used, to ensure stability and durability of the electrode for large-scale application.