Estudo da influência de variáveis do processo de remediação eletrocinética na remoção de vanádio de catalisadores utilizados na produção de ácido sulfúrico

Abstract

Resumo: Catalisadores gastos provenientes da produção de ácido sulfúrico são considerados resíduos perigosos devido à presença de pentóxido de vanádio, que é a forma mais tóxica do vanádio. Estes materiais têm atraído a atenção de setores acadêmicos e industriais devido à ampla aplicação do vanádio, bem como sua baixa concentração nos minérios primários. A falta de uma solução adequada para o tratamento deste material faz com que, atualmente, sejam incinerados. Diante disso, a busca por tecnologias ambientalmente amigáveis tem estimulado pesquisas aplicadas à eletrorremediação que tem a vantagem da fácil aplicação e baixo custo operacional. Assim, o presente estudo avaliou a influência do campo elétrico na especiação do íon vanádio e, consequentemente, na remoção do vanádio dos catalisadores de V2O5 utilizados no processo de produção de ácido sulfúrico via eletrorremediação. Para tanto, foi realizado um estudo do comportamento eletroquímico da superfície dos eletrodos com o intuito de determinar os potenciais a serem aplicados nos experimentos de remediação eletrocinética e realizados experimentos sob campo elétrico constante de 6,7, 13,3 e 20,0 V m- 1. Também foram realizados experimentos aprimorados com membrana de troca catiônica sob campo elétrico de 20,0 e 31,1 V m-1. Os resultados apresentados mostraram que a aplicação de potencial elétrico constante nos eletrodos induz reações na superfície dos eletrodos que afetam a eficiência do processo de remediação. Além disso, alterações no pH da solução eletrolítica durante o processo de remediação ocasionam alterações na especiação dos íons de vanádio, mas não alteração no estado de oxidação. A redução dos íons de VO2 + para VO2+ ocorre exclusivamente na superfície do cátodo. Os resultados dos experimentos aprimorados mostraram que a membrana de troca catiônica (CEM-7000) usada entre a câmara principal e a câmara catódica causa uma significante redução no fluxo de vanádio para a câmara catódica. Porém, seu uso próximo ao cátodo aumentou consideravelmente a eficiência de remoção do vanádio do catalisador. Por fim, a manutenção de um campo elétrico constante na célula eletrocinética aumentou a eficiência de tratamento do catalisador de pentóxido de vanádio. A escolha da condição de processo a ser utilizada depende do tempo disponível para a remediação, pois a aplicação de um baixo campo elétrico embora resulte em um processo demorado, justifica-se do ponto de vista financeiro.

Abstract: Spent catalysts from the sulfuric acid production are considered a hazardous residue due to the presence of high vanadium pentoxide content, which is the most toxic form of the vanadium. These materials have attracted the attention of academic and industrial sectors due to the wide application of vanadium and their high price, as well as, their low content in natural ores. The absence of an adequate solution for the treatment of this material currently causes them to be incinerated. Therefore, the search for the use of environmentally friendly technologies has stimulated researches applied to electroremediation, which has the benefit of its easy application and low operational cost. Thus, the present study evaluated the influence of the electric field on the speciation of the vanadium ion, consequently, on the removed of vanadium from V2O5 catalysts used in the sulfuric acid production process via eletroremediation. For this purpose, a study of the electrochemical behavior of the electrode surface was carried out in order to determine the potentials to be applied in the electrokinetic remediation experiments and the experiments were performed under 6.7, 13.3 and 20.0 V m-1 constant electric field. Enhanced experiments by cation exchange membrane were also performed under an electric field of 20.0 and 31.1 V m-1. The presented results showed that the application of constant electrical potential to the electrodes induces reactions at the electrodes surface that affect the efficiency of the remediation process. In addition, changes in the pH of the electrolyte solution during the remediation process cause changes in the speciation of vanadium ions, but not in the oxidation state. The reduction of ions from VO2 + to VO2+ occurs exclusively at the cathode surface. The results of the enhanced experiments showed that the cation exchange membrane (CEM-7000) used between the main and the cathodic compartments causes a significant reduction in the vanadium flow into the cathodic chamber. However, its use close to the cathode considerably increased the efficiency of removing vanadium from the catalyst. Finally, maintaining a constant electric field in the electrokinetic cell increased the treatment efficiency of the sulfuric acid catalyst. The choice of the process condition to be used depends on the time available for remediation, since the application of a low electric field, although time consuming process, is justified from the financial point of view.