Avaliação da produtividade de hidrogênio eletrolítico renovável do processo de eletrocoagulação no tratamento de efluentes

Abstract

Resumo : Com o marco legal do hidrogênio de baixa emissão de carbono sendo realizado no dia 2 de agosto de 2024, pela lei nº 14948, fomentou-se pesquisas ligadas a hidrogênio. Ademais, o presente trabalho teve por objetivo avaliar o potencial de produção de hidrogênio em um reator de eletrocoagulação. Em geral, reatores de eletrocoagulação apresentam um design aberto, com eletrodos mergulhados no efluente em arranjo "colmeia". O aproveitamento dos gases gerados no processo, dentre eles, o hidrogênio, pode representar um avanço tecnológico, tendo em vista as diversas aplicações que podem ser dadas a estes coprodutos. Desta forma, foi desenvolvida uma metodologia onde um filtro de ponto de entrada de água foi adaptado de forma a encapsular 8 eletrodos de aço em paralelo em arranjo monopolar, constituindo um reator vedado, onde foram realizados ensaios sobre 0,45L de efluente sintético. O efluente foi sintetizado pela diluição de corante têxtil Reactive Blue 140 em água destilada, em concentração de ~4 mg/L, com adição de KOH como eletrólito de suporte, em concentração de ~0,3 g/L, resultando em um pH inicial de 11,54±0,05 e uma condutividade inicial de 1150±55 ?S/cm. Foram realizados ensaios em triplicata utilizando 3 níveis de corrente elétrica (1, 2,5 e 5A), sendo realizadas amostragens antes e após cada corrida tanto da fase líquida quando da fase gasosa, para fins de análises de pH, condutividade, turbidez, cor e vazão de gases, além o uso da cromatografia gasosa para avaliação dos gases gerados. Além disso, foram obtidos dados de tensão e potência durante cada ensaio pela própria fonte de alimentação, para fins de avaliação do consumo energético. Da fase líquida, o processo apresentou tendência a neutralizar o pH do efluente, bem como a remover íons do eletrólito. A remoção de cor ficou entre 88,7 e 98,6%, com melhores resultados para corrente de 2,5 A (97,8±0,8%). A turbidez apresentou leve elevação devido ao aparecimento de coágulos inerentes ao processo. Com relação a produção de H2, foi estimada uma vazão incremental de ~0,263mL/min a cada A/m2, por meio de regressão linear com R2 de 0,99926. Este parâmetro pode ser utilizado tanto para o desenvolvimento de sistemas de controle automáticos tanto como comparativo de rendimento com outros reatores. Como destaque final, foi estimado o consumo específico do reator entre 13,5 e 38,7 kWh/m3 de H2, apresentando um resultado promissor quando comparado ao consumo específico entre 4 e 5 kWh/m3 alcançado por eletrolisadores comerciais com alta tecnologia embarcada e dedicados exclusivamente à produção de H2 e, considerando ainda, que o reator de eletrocoagulação realiza o tratamento de efluentes de forma concomitante. Esta é uma tecnologia promissora aplicada como uma etapa de tratamento físico-químico em efluentes líquidos de diferentes setores industriais

Abstract : With the legal framework for low-carbon hydrogen being established on August 2, 2024, by Law No. 14948, research related to hydrogen has been fostered. Furthermore, the present work aimed to evaluate the hydrogen production potential in an electrocoagulation reactor.Generally, electrocoagulation reactors feature an open design, with electrodes immersed in the effluent in a "honeycomb" arrangement. The utilization of gases generated in the process, among them hydrogen, may represent a technological advancement, considering the diverse applications that can be given to these co-products.Thus, a methodology was developed where a water inlet point filter was adapted to encapsulate 8 parallel steel electrodes in a monopolar arrangement, constituting a sealed reactor. Tests were performed on 0.45 L of synthetic effluent. The effluent was synthesized by diluting the textile dye Reactive Blue 140 in distilled water at a concentration of ~4 mg/L, with the addition of KOH as a supporting electrolyte at a concentration of ~0.3 g/L, resulting in an initial pH of 11.54±0.05 and an initial conductivity of 1150±55 ?S/cm.Triplicate tests were conducted using 3 levels of electric current (1, 2.5, and 5 A). Sampling was performed before and after each run for both the liquid and gas phases for analysis of pH, conductivity, turbidity, color, and gas flow rate, in addition to the use of gas chromatography (GC) for evaluation of the generated gases. Furthermore, voltage and power data were obtained during each test by the power supply itself for energy consumption assessment.For the liquid phase, the process showed a tendency to neutralize the effluent's pH, as well as to remove ions from the electrolyte. Color removal ranged from 88.7% to 98.6%, with the best results for a current of 2.5 A (97.8±0.8%). Turbidity showed a slight increase due to the appearance of coagulants inherent to the process.Regarding H? production, an incremental flow rate of ~0.263 mL/min per A/m² was estimated through linear regression with an R² of 0.99926. This parameter can be used both for developing automatic control systems and as a performance benchmark against other reactors.As a final highlight, the specific energy consumption of the reactor was estimated between 13.5 and 38.7 kWh/m³ of H?. This presents a promising result when compared to the specific consumption of 4 to 5 kWh/m³ achieved by commercial electrolyzers with advanced embedded technology, dedicated exclusively to H? production. This is especially significant considering that the electrocoagulation reactor simultaneously treats effluent. This is a promising technology applied as a physicochemical treatment step for liquid effluents from different industrial sectors