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Ferrous-Assisted Corona Plasma Decolorization of Acid Black 194 and Auramine O in a Continuous-Flow Recirculation System

Este estudo demonstra que um sistema de plasma corona à pressão atmosférica assistido por espécies ferrosas em uma configuração de recirculação de fluxo contínuo alcança efetivamente mais de 97% de descoloração tanto do corante azo Acid Black 194 quanto do corante triarilmetano Auramine O dentro de 90 minutos, com consumos de energia específicos de aproximadamente 40–42 kWh m⁻³.

Autores originais: Erik Torres, Aarón Gómez, Pedro Guillermo Reyes, José Carlos Palomares, Joséfina Vergara, César Torres, Horacio Martínez

Publicado 2026-08-31

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CC BY 4.0

Autores originais: Erik Torres, Aarón Gómez, Pedro Guillermo Reyes, José Carlos Palomares, Joséfina Vergara, César Torres, Horacio Martínez

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

A água que foi utilizada para tingir tecidos é um dos tipos mais persistentes de poluição. As cores sintéticas usadas em têxteis são projetadas para serem quimicamente resistentes para que não desbotem nas roupas, mas essa mesma durabilidade as torna resistentes à decomposição em rios ou estações de tratamento. Quando esses corantes entram no meio ambiente, eles bloqueiam a luz solar de atingir as plantas subaquáticas e podem prejudicar a vida aquática. Métodos tradicionais para limpar essa água, como filtragem ou o uso de bactérias, frequentemente lutam contra essas moléculas persistentes ou criam grandes quantidades de lodo que deve ser descartado. Cientistas recorreram a processos de oxidação avançada, que utilizam reações químicas poderosas para quebrar essas moléculas, mas encontrar um método que seja ao mesmo tempo eficaz e eficiente em termos de energia continua sendo um desafio. Uma abordagem promissora envolve o uso de um tipo de descarga elétrica chamada plasma, que cria uma nuvem de partículas altamente reativas capazes de atacar e desmontar estruturas químicas complexas.

Em um estudo recente, pesquisadores de universidades do México exploraram uma maneira de tornar esse tratamento por plasma ainda mais eficaz adicionando um simples ajudante químico. Eles focaram em dois tipos de corantes têxteis muito diferentes: o Negro Ácido 194, que contém uma ligação química específica conhecida como grupo azo, e a Auramina O, que possui uma estrutura diferente baseada em três anéis aromáticos. A equipe montou um sistema onde cinco litros de água contendo esses corantes eram bombeados continuamente através de um reator. Dentro deste reator, três pontas de tungstênio afiadas ficavam de frente para uma placa de aço inoxidável, criando uma descarga de corona — um brilho elétrico constante e silencioso no ar logo acima da superfície do líquido. Esta descarga gera espécies reativas de oxigênio e nitrogênio, que são moléculas instáveis que buscam e quebram compostos orgânicos. Para potencializar este processo, os pesquisadores adicionaram uma pequena quantidade de ferro dissolvido em uma solução ácida antes de iniciar o tratamento. O ferro atua como um catalisador, ajudando a converter as espécies reativas geradas pelo plasma em agentes ainda mais poderosos que podem atacar as moléculas de corante de forma mais agressiva.

O experimento durou noventa minutos, com a água circulando de um lado para o outro através da zona de tratamento. Os pesquisadores monitoraram a cor da água usando um sensor de luz que media quanta luz a solução absorvia em comprimentos de onda específicos. Eles descobriram que a adição da solução de ferro causou uma queda imediata e pequena na cor, provavelmente devido a uma rápida interação química entre o ferro e o corante. No entanto, a verdadeira transformação aconteceu assim que o plasma foi ligado. Ao longo do tratamento, a cor profunda de ambos os corantes desapareceu dramaticamente. Ao final dos noventa minutos, a solução contendo o Negro Ácido 194 havia perdido 98,66 por cento de sua cor, enquanto a solução de Auramina O perdeu 97,74 por cento. A água tornou-se quase límpida, uma mudança que foi visível a olho nu conforme os líquidos escuros se transformavam em uma solução transparente.

A velocidade deste processo de limpeza também foi medida. Os pesquisadores calcularam que levou cerca de quatorze minutos para o Negro Ácido 194 perder metade de sua cor, e cerca de dezesseis minutos para a Auramina O atingir esse mesmo ponto. Isso sugere que, embora os dois corantes tenham estruturas químicas diferentes, o sistema de plasma auxiliado pelo ferro foi capaz de degradar ambos com eficiência semelhante. O sistema elétrico permaneceu estável durante todo o experimento, operando com uma potência média de aproximadamente 139 watts para o corante preto e 134 watts para o corante amarelo. A energia necessária para tratar um metro cúbico desta água foi calculada em cerca de 41 quilowatts-hora para o corante preto e 40 quilowatts-hora para o corante amarelo. Esses números indicam que o sistema é capaz de realizar a tarefa sem consumir eletricidade excessiva, o que é um fator crítico para qualquer tecnologia destinada ao uso no mundo real.

À medida que os corantes se degradavam, outras mudanças ocorriam na água. A acidez da solução aumentou ligeiramente, passando de um nível neutro para um estado mais ácido, o que é um sinal comum de que novos subprodutos químicos estão se formando. A água também ficou temporariamente turva quando o ferro foi adicionado pela primeira vez, mas essa turbidez diminuiu significamente conforme o tratamento prosseguia, caindo mais de 90 por cento ao final. Isso sugere que as partículas que causavam a turbidez foram ou decompostas ou assentadas na água. Ao observar a luz emitida pela descarga elétrica, os pesquisadores confirmaram que o plasma estava gerando as partículas reativas esperadas, incluindo radicais hidroxila e moléculas de nitrogênio excitadas, que são os agentes responsáveis pela quebra química.

O estudo conclui que a combinação de uma descarga de plasma de corona com uma pequena quantidade de ferro é uma maneira altamente eficaz de remover a cor de águas residuais têxteis. O método funcionou bem para dois tipos de corantes muito diferentes, alcançando uma quase total descoloração em um sistema de fluxo contínuo. No entanto, os pesquisadores observam que, embora a cor tenha desaparecido, a água não foi necessariamente purificada completamente de toda a matéria orgânica. A decomposição das moléculas de corante cria fragmentos menores, e o estudo não mediu se esses fragmentos são tóxicos ou quanto do carbono orgânico original foi totalmente convertido em substâncias inofensivas como dióxido de carbono e água. O trabalho demonstra um passo poderoso em direção ao tratamento de água mais limpa, mostrando que a tecnologia de plasma pode ser ajustada para lidar com poluentes industriais difíceis, mas também destaca que etapas adicionais são necessárias para garantir que a água tratada seja segura para o meio ambiente.

Resumo Técnico: Descoloração de Plasma de Corona Assistido por Ferro de Ácido Negro 194 e Auramina O

Definição do Problema
Os efluentes têxteis apresentam um desafio ambiental significativo devido à persistência de corantes sintéticos, que são caracterizados por alta estabilidade química, baixa biodegradabilidade e coloração intensa. Os métodos de tratamento convencionais, como coagulação-floculação e adsorção, frequentemente enfrentam limitações relativas à geração de lodo, saturação do adsorvente e baixa eficiência contra compostos aromáticos recalcitrantes. Além disso, embora os Processos de Oxidação Avançada (POAs) ofereçam uma alternativa promissora através da geração de espécies reativas de oxigênio e nitrogênio (RONS), muitos sistemas de plasma não térmico operam em modo de batelada ou em pequenos volumes, limitando sua escalabilidade. Ademais, corantes estruturalmente diversos, como corantes azo e corantes triarilmetano, podem responder de forma distinta à oxidação, necessitando de estudos comparativos para avaliar a robustez do sistema.

Metodologia
Este estudo avaliou um sistema de recirculação de fluxo contínuo utilizando plasma de corona em pressão atmosférica assistido por espécies ferrosas. A configuração experimental apresentou uma geometria de três pontas de tungstênio para uma placa de aço inoxidável, operando em ar à pressão atmosférica. O sistema tratou 5 L de solução aquosa de corante com uma vazão de 250 mL min⁻¹.

Dois corantes distintos foram selecionados para análise comparativa:

Ácido Negro 194 (AB-194): Um corante azo com um grupo cromofórico –N=N–.
Auramina O (AO): Um corante triarilmetano com sistemas aromáticos conjugados.

Ambas as soluções foram preparadas a uma concentração inicial de 0,1 mM utilizando água de torneira. Um catalisador ferroso, derivado de sulfato ferroso heptahidratado (FeSO₄·7H₂O) em meio ácido (ácido sulfúrico), foi adicionado para atingir uma concentração final de Fe²⁺ de aproximadamente 0,98 mmol L⁻¹. Esta dosagem foi destinada a promover vias de radicais mediados por ferro sem a adição externa de peróxido de hidrogênio, distinguindo o processo de uma reação Fenton convencional.

Os principais parâmetros monitorados incluíram:

Descoloração: Medida via espectrofotometria UV–Vis em 594 nm (AB-194) e 432 nm (AO).
Propriedades Físico-Químicas: pH, condutividade elétrica e turbidez foram rastreados ao longo de um período de tratamento de 90 minutos.
Caracterização Elétrica: Tensão e corrente foram registradas para calcular a potência média e garantir a operação estável da descarga de corona.
Espectroscopia de Emissão Óptica (OES): Utilizada para identificar espécies excitadas (ex: ·OH, N₂, N₂⁺, Hα, Hβ) na interface plasma–líquido.
Análise Cinética e de Energia: Foram aplicadas cinéticas de pseudo-primeira ordem aparente para determinar as constantes de velocidade ( $k$ ) e tempos de semidescoloração ( $t_{50}$ ). O desempenho energético foi avaliado utilizando o Consumo de Energia Específica (SEC) e o Rendimento de Energia no ponto de 50% de descoloração ( $G_{50}$ ).

Resultados Principais

Eficiência de Descoloração: Após 90 minutos de tratamento, o sistema alcançou altas eficiências de descoloração: 98,66% para AB-194 e 97,74% para AO.
Cinética: As constantes de velocidade de pseudo-primeira ordem aparente foram de 0,0486 min⁻¹ para AB-194 e 0,0433 min⁻¹ para AO. Consequentemente, o tempo necessário para atingir 50% de descoloração ( $t_{50}$ ) foi de 14,27 min para AB-194 e 16,00 min para AO. O corante azo (AB-194) exibiu uma taxa de degradação aparente ligeiramente mais rápida (aprox. 12% maior) do que o corante triarilmetano (AO).
Desempenho Elétrico: A descarga permaneceu estável no regime de corona sem transição para descarga de arco. O consumo de potência média foi de 139,42 W para AB-194 e 133,71 W para AO.
Mudanças Físico-Químicas:
- pH: A adição do catalisador ácido reduziu inicialmente o pH para ~6,4–6,6. Durante o tratamento, o pH diminuiu ainda mais para 6,02 (AB-194) e 5,75 (AO), provavelmente devido à formação de espécies de nitrogênio oxidadas e subprodutos orgânicos.
- Turbidez: A turbidez inicial sofreu um pico após a adição do catalisador (devido a coloides de hidróxido de ferro), mas diminuiu aproximadamente 92,2% (AB-194) e 93,4% (AO) ao final do tratamento, indicando a remoção ou transformação de espécies dispersoras.
- Condutividade: A condutividade aumentou inicialmente devido à introdução de íons. Ao longo de 90 minutos, diminuiu cerca de 5,9% para AB-194, mas aumentou cerca de 3,3% para AO, refletindo mudanças complexas na composição iônica.
Métricas de Energia: O Consumo de Energia Específica (SEC) foi de 41,83 kWh m⁻³ para AB-194 e 40,11 kWh m⁻³ para AO. O rendimento de energia ( $G_{50}$ ) foi de 5,72 g kWh⁻¹ para AB-194 e 2,13 g kWh⁻¹ para AO. O maior $G_{50}$ para AB-194 é atribuído ao seu $t_{50}$ mais curto e à sua massa molar significativamente maior em comparação ao AO.
Diagnóstico de Plasma: A OES confirmou a presença de espécies reativas, incluindo radicais hidroxila (·OH), nitrogênio molecular (N₂), nitrogênio ionizado (N₂⁺) e linhas de hidrogênio (Hα, Hβ), consistentes com a geração de RONS na interface. Temperaturas eletrônicas aparentes foram estimadas em 0,72 eV (AB-194) e 0,81 eV (AO).

Significância e Alegações
Os autores afirmam que o plasma de corona em pressão atmosférica, quando assistido por espécies ferrosas em um sistema de fluxo de recirculação contínua, é uma tecnologia eficaz para a descoloração de corantes têxteis estruturalmente diversos. O estudo demonstra que o sistema pode alcançar descoloração quase completa (>97%) em 90 minutos para ambos os corantes, azo e triarilmetano.

O artigo destaca que, embora a estrutura molecular influencie a taxa de degradação aparente — com a ligação azo do AB-194 parecendo ligeiramente mais suscetível ao ataque oxidativo do que o sistema conjugado do AO — a eficiência global do processo é alta para ambos. A integração de espécies ferrosas é apresentada como um método para intensificar a oxidação via vias secundárias de geração de radicais sem a necessidade de oxidantes externos como o peróxido de hidrogênio.

No entanto, os autores mantêm uma postura modesta em relação à extensão da degradação. Eles afirmam explicitamente que a diminuição observada na absorbância confirma a alteração dos grupos cromofóricos, mas não confirma a mineralização completa ou a ausência de produtos de transformação tóxicos. O estudo identifica limitações importantes, incluindo a falta de Carbono Orgânico Total (TOC), ferro residual e medições de toxicidade. Consequentemente, os autores concluem que, embora o sistema seja promissor para a descoloração, trabalhos futuros são necessários para otimizar a concentração do catalisador, identificar os produtos de degradação, quantificar a mineralização e avaliar a escalabilidade sob condições industriais controladas.

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