Disciplina Discipline PQI5861
Tratamento de Água e Efluentes: Processos Avançados
Water and Wastewater Treatment: Advanced Processes

Área de Concentração: 3137

Concentration area: 3137

Criação: 11/04/2022

Creation: 11/04/2022

Ativação: 11/04/2022

Activation: 11/04/2022

Nr. de Créditos: 8

Credits: 8

Carga Horária:

Workload:

Docente Responsável:

Professor:

Antonio Carlos Silva Costa Teixeira

Objetivos:

Os objetivos da disciplina PQI-5861 “Tratamento de Água e Efluentes: Processos Avançados” são: (i) Apresentar os fundamentos dos mecanismos envolvidos na geração de espécies reativas foto-induzidas, como radicais hidroxila, oxigênio singlete e outras, por meio de processos fotoquímicos; (ii) Discutir a degradação e a persistência de contaminantes de preocupação emergente (CECs) em reservatórios de água e matrizes aquosas naturais, por meio de processos fotoquímicos; (iii) Apresentar os fundamentos dos Processos Avançados de Oxidação (POA) para degradação de CECs em água e efluentes aquosos, entre os quais: peroxidação fotoassistida (H2O2/UV); fotocatálise heterogênea empregando semi-condutores (p.e., TiO2/UV, WO3/UV); H2O2-Fe(II) ou Fenton; H2O2-Fe(II)/Fe(III)/UV ou foto-Fenton; oxidação por O3, O3-H2O2, O3/UV e O3-H2O2/UV; tecnologias baseadas em ultrassom, irradiação por feixe de elétrons, cavitação hidrodinâmica, processos eletroquímicos e baseados na ativação de persulfato; (iv) Discutir os fundamentos e principais tipos de fontes radiantes e de reatores fotoquímicos com irradiação artificial e solar, empregados em POA; (v) Analisar o efeito de variáveis de processo quanto ao desempenho técnico-econômico dos POA; (vi) Discutir critérios de projeto, aumento de escala e avaliação de desempenho de processos foto-oxidativos de tratamento.

Objectives:

The objectives of the course are: (i) To present the fundamentals of the mechanisms involved in the generation of photo-induced reactive species, such as hydroxyl radicals, singlet oxygen and others, through photochemical processes; (ii) Discuss the degradation and persistence of contaminants of environmental concern (CECs) in water reservoirs and natural aqueous matrices, through photochemical processes; (iii) Present the fundamentals of Advanced Oxidation Processes (AOPs) for the degradation of CECs in water and aqueous effluents, including: photoassisted peroxidation (H2O2/UV); heterogeneous photocatalysis employing semiconductors (e.g., TiO2/UV, WO3/UV); H2O2-Fe(II) or Fenton; H2O2-Fe(II)/Fe(III)/UV or photo-Fenton; oxidation by O3, O3-H2O2, O3/UV and O3-H2O2/UV; technologies based on ultrasound, electron beam irradiation, hydrodynamic cavitation, electrochemical processes and persulfate activation; (iv) Discuss the fundamentals and main types of radiant sources and photochemical reactors with artificial and solar irradiation, used in AOPs; (v) Analyze the effect of process variables on the technical-economic performance of AOPs; (vi) Discuss design criteria, scale-up and performance evaluation of photo-oxidative treatment processes.

Justificativa:

Os processos avançados de tratamento água e de efluentes, baseados em reações de oxidação e foto-oxidação, vêm se tornando alternativa ou complemento a tratamentos convencionais para degradação de grande número de poluentes orgânicos tóxicos e recalcitrantes, em particular os chamados contaminantes de preocupação emergente (CEC), o que reforça a importância tecnológica, ambiental e econômica desses processos. Quando abordado, o assunto é usualmente tratado como tópico complementar em poucas disciplinas de pós-graduação. A disciplina PQI-5861 − Tratamento de Água e Efluentes: Processos Avançados contribui para introdução e fundamentação sobre o tema, valendo-se da experiência acumulada do docente na pesquisa de processos de foto-oxidação de compostos orgânicos e objetivando uma abordagem de Engenharia Química desses processos. Nesse sentido, a disciplina é essencial para alunos de pós-graduação que desenvolvem pesquisa na área de aplicação de processos foto-oxidativos, voltados ao tratamento de água e efluentes industriais e à compreensão da persistência fotoquímica de contaminantes emergentes em matrizes aquosas ambientais, bem como para profissionais da indústria e pesquisadores interessados na fundamentação e aplicação desses processos.

Rationale:

Advanced water and wastewater treatment processes, based on oxidative and photo-oxidative reactions, have become an alternative or complement to conventional treatments for the degradation of a large number of toxic and recalcitrant organic pollutants present in aqueous matrices, especially contaminants of emerging concern (CECs), which reinforces the technological, environmental and economic importance of these processes. When approached, the subject is usually treated as a complementary topic in a few graduate courses. PQI-5861 − Water and Wastewater Treatment: Advanced Processes contributes to the introduction and reasoning on the subject, drawing on the experience accumulated in the research of photo-oxidation processes of organic compounds and aiming at a Chemical Engineering approach to these processes . In this sense, the course is essential for students who carry out research work in the area of application of photo-oxidative processes, aimed at treating water and industrial effluents and understanding the photochemical persistence of emerging contaminants in environmental aqueous matrices, as well as for industry professionals and researchers interested in the rationale and application of these processes.

Conteúdo:

Tema 1 – Contaminantes de Preocupação Emergente e Processos Avançados de Oxidação 1.1 Apresentação do curso, objetivos, programa, atividades e bibliografia. 1.2 Classes de contaminantes de preocupação emergente (CEC) e ocorrência. Aspectos da Legislação. Limitações dos processos convencionais de tratamento. 1.3 Introdução aos Processos Avançados de Oxidação (POA). 1.4 Espécies reativas foto-induzidas (RPS). Radical hidroxila, oxigênio singlete, radical superóxido, estados triplete da matéria orgânica cromofórica e outras. Mecanismos de oxidação. 1.5 Identificação e quantificação de espécies reativas foto-induzidas. Cinética de competição. Tema 2 – Introdução aos Processos Fotoquímicos e Foto-Oxidativos: Fundamentos de Fotoquímica 2.1 Introdução. Espectro eletromagnético. Equação de Planck. 2.2 Absorção de radiação UV-visível. Estados eletrônicos excitados. Espectros de absorção. 2.3 Processos foto-físicos e fotoquímicos de desativação de estados excitados. 2.4 Cinética de reações fotoquímicas. Rendimento quântico e eficiência quântica. 2.5 Mecanismos de foto-oxidação de CEC em matrizes aquosas naturais. Tema 3 – Processos Avançados de Oxidação: Processos Homogêneos I 3.1 Processo de fotólise direta com radiação UV. Fotólise VUV da água. 3.2 Processo H2O2/UV. Principais reações e efeitos das variáveis de processo. Exemplos de aplicação. Tema 4 – Processos Avançados de Oxidação: Processos Homogêneos II 4.1 Propriedades físico-químicas e fotoquímicas dos complexos de ferro em solução aquosa. 4.2 Processos H2O2-Fe(II) (Fenton) e H2O2-Fe(II) ou Fe(III)/UV (foto-Fenton). 4.3 Principais reações e efeitos das variáveis de processo. Exemplos de aplicação. Tema 5 – Processos Avançados de Oxidação: Processos Heterogêneos 5.1 Semi-condutores fotocatalisadores: TiO2, ZnO, WO3, dopados e não dopados. 5.2 Propriedades e fotoativação de fotocatalisadores. Heterojunções. 5.3 Cinética de reações fotocatalíticas. 5.4 Processos fotocatalíticos TiO2/UV, TiO2-H2O2/UV etc. Emprego de semi-condutores modificados. Principais reações e efeito de variáveis de processo. Exemplos de aplicação. Tema 6 – Processos Baseados em Ozonização, Cavitação Acústica e Hidrodinâmica, Feixe de Elétrons, Processos Eletroquímicos e Processos e na Ativação de Persulfato 6.1 Fundamentos de oxidação de poluentes em meio aquoso por meio de processos baseados em ozonização, cavitação acústica, cavitação hidrodinâmica, feixe de elétrons, processos eletroquímicos e na ativação de persulfato. 6.2 Principais reatores para aplicação desses processos. Exemplos de aplicação. Tema 7 – Reatores Fotoquímicos Empregados em Processos Foto-Oxidativos 7.1 Fontes de radiação UV-visível e critérios de seleção. 7.2 O sol como fonte de radiação UV-visível. 7.3 Princípios de radiometria e de actinometria. 7.4 Materiais para construção de reatores fotoquímicos. Materiais refletores. Critérios de seleção. 7.5 Reatores fotoquímicos anulares de imersão e de filme líquido descendente. 7.6 Reatores fotoquímicos com fontes externas e irradiados por luz solar. Tema 8 – Critérios para Avaliação de Processos Foto-Oxidativos 8.1 Critérios de seleção, projeto e scale-up de reatores e POA fotoquímicos. 8.2 Critérios para avaliação energético-econômica de POA.

Content:

Theme 1 – Contaminants of Emerging Concern and Advanced Oxidation Processes 1.1 Presentation of the course, objectives, program, activities and bibliography. 1.2 Classes of contaminants of emerging concern (CEC) and occurrence. Legislation. Limitations of conventional treatment processes. 1.3 Introduction to Advanced Oxidation Processes (AOP). 1.4 Reactive photo-induced species (RPS). Hydroxyl radicals, singlet oxygen, superoxide radicals, triplet states of chromophoric organic matter and others. Oxidation mechanisms. 1.5 Identification and quantification of reactive photo-induced species. Competition kinetics. Theme 2 – Introduction to Photochemical and Photo-Oxidative Processes: Fundamentals of Photochemistry 2.1 Introduction. Electromagnetic spectrum. Planck’s equation. 2.2 Absorption of UV-visible radiation. Excited electronic states. Absorption spectra. 2.3 Photo-physical and photochemical deactivation of excited states. 2.4 Kinetics of photochemical reactions. Quantum yield and quantum efficiency. 2.5 Mechanisms of CEC photo-oxidation in natural aqueous matrices. Theme 3 – Advanced Oxidation Processes: Homogeneous Processes I 3.1 Direct photolysis under UV radiation. VUV photolysis of water. 3.2 H2O2/UV process. Main reactions and effects of process variables. Examples of application. Theme 4 – Advanced Oxidation Processes: Homogeneous Processes II 4.1 Physicochemical and photochemical properties of iron complexes in aqueous solution. 4.2 H2O2-Fe(II) (Fenton) and H2O2-Fe(II) or Fe(III)/UV (photo-Fenton) processes. 4.3 Main reactions and effects of process variables. Examples of application. Theme 5 – Advanced Oxidation Processes: Heterogeneous Processes 5.1 Photocatalyst semiconductors: TiO2, ZnO, WO3, doped and undoped. 5.2 Properties and photoactivation of photocatalysts. Heterojunctions. 5.3 Kinetics of photocatalytic reactions. 5.4 Photocatalytic processes TiO2/UV, TiO2-H2O2/UV etc. Use of modified semiconductors. Main reactions and effect of process variables. Examples of application. Theme 6 – Processes Based on Ozonation, Acoustic and Hydrodynamic Cavitation, Electron Beam, Electrochemical Processes and Persulfate Activation 6.1 Fundamentals of oxidation of pollutants in aqueous media through processes based on ozonation, acoustic cavitation, hydrodynamic cavitation, electron beam radiation, electrochemical processes and persulfate activation. 6.2 Main reactions and equipment. Examples of application. Theme 7 – Photochemical Reactors Used in Photo-Oxidative Processes 7.1 Sources of UV-visible radiation and selection criteria. 7.2 The sun as a source of UV-visible radiation. 7.3 Principles of radiometry and actinometry. 7.4 Materials for building photochemical reactors. Reflective materials. Selection criteria. 7.5 Immersion and falling film annular photochemical reactors. 7.6 Photochemical reactors with external sources and irradiated by sunlight. Theme 8 – Criteria for the Evaluation of Photo-Oxidative Processes 8.1 Selection, design and scale-up criteria for photochemical reactors and AOPs. 8.2 Criteria for energy-economic assessment of POA.

Forma de Avaliação:

A avaliação de desempenho envolverá: (1) leitura prévia de artigos e textos científicos distribuídos aos alunos e sua discussão durante as aulas; (2) apresentação de seminários pelos alunos a partir de temas específicos selecionados pelo professor, complementares aos tópicos abordados durante o curso. A frequência mínima é de 70% das aulas.

Type of Assessment:

The assessment will involve: (1) prior reading of scientific articles and texts distributed to students and their discussion during classes; (2) presentation of seminars by the students based on specific themes selected by the professor, complementary to the topics covered during the course. The minimum frequency is 70% of classes.

Observação:

Esta solicitação de recredenciamento da disciplina atualiza a ementa, a bibliografia e a forma de oferecimento (não-presencial).

Notes/Remarks:

This request updates the course syllabus, the bibliography and the form of offering (not in person).

Bibliografia:

1. Shah, M. P.; Bera, S. P.; Tore, G. Y. (Eds.). Advanced Oxidation Processes for Wastewater Treatment: An Innovative Approach (Wastewater Treatment and Research). CRC Press, 2022. 2. Hussain, C. M.; Mishra, A. K. (Eds.). Handbook of Smart Photocatalytic Materials Environment, Energy, Emerging Applications, and Sustainability. Elsevier, 2020. 3. Marcì, G.; Palmisano, L. (Eds.). Heterogeneous Photocatalysis. Elsevier, 2019. 4. Ameta, S.; Ameta, A. (Eds.). Advanced Oxidation Processes for Waste Water Treatment: Emerging Green Chemical Technology. Elsevier S&T Books, Academic Press, 2018. 5. Stefan, M. I. (Ed.). Advanced Oxidation Processes for Water Treatment: Fundamentals and Applications. IWA Publishing, 2017. 6. Parsons, S. (Ed.), Advanced Oxidation Processes for Water and Wastewater Treatment, IWA Publishing, 2004. 7. Oppenländer, T. Photochemical Purification of Water and Air: Advanced Oxidation Processes (AOPs): Principles, Reaction Mechanisms, Reactor Concepts, Wiley-VCH, 2003. 8. Tang, W. Z. Physicochemical Treatment of Hazardous Wastes, CRC Press, 2003.

Bibliography:

1. Shah, M. P.; Bera, S. P.; Tore, G. Y. (Eds.). Advanced Oxidation Processes for Wastewater Treatment: An Innovative Approach (Wastewater Treatment and Research). CRC Press, 2022. 2. Hussain, C. M.; Mishra, A. K. (Eds.). Handbook of Smart Photocatalytic Materials Environment, Energy, Emerging Applications, and Sustainability. Elsevier, 2020. 3. Marcì, G.; Palmisano, L. (Eds.). Heterogeneous Photocatalysis. Elsevier, 2019. 4. Ameta, S.; Ameta, A. (Eds.). Advanced Oxidation Processes for Waste Water Treatment: Emerging Green Chemical Technology. Elsevier S&T Books, Academic Press, 2018. 5. Stefan, M. I. (Ed.). Advanced Oxidation Processes for Water Treatment: Fundamentals and Applications. IWA Publishing, 2017. 6. Parsons, S. (Ed.), Advanced Oxidation Processes for Water and Wastewater Treatment, IWA Publishing, 2004. 7. Oppenländer, T. Photochemical Purification of Water and Air: Advanced Oxidation Processes (AOPs): Principles, Reaction Mechanisms, Reactor Concepts, Wiley-VCH, 2003. 8. Tang, W. Z. Physicochemical Treatment of Hazardous Wastes, CRC Press, 2003.

Tipo de oferecimento da disciplina:

Não-Presencial

Class type:

Não-Presencial

Informações adicionais do oferecimento da disciplina:

As aulas da disciplina PQI-5861 − Tratamento de Água e Efluentes: Processos Avançados serão ministradas em modo síncrono não-presencial, através de uma das plataformas adotadas pela Universidade de São Paulo (Google Meet ou Zoom). Essa modalidade permitirá a participação tanto de alunos regulares no ambiente da Universidade como de alunos especiais, inclusive aqueles em seu ambiente de trabalho e eventualmente em outras localidades, que de outra forma não poderiam participar do curso. Esta forma de oferecimento da disciplina durante o período da pandemia de covid-19 mostrou-se adequada, permitindo manter a qualidade, a interação com o professor e a participação dos alunos. Além disso, a própria dinâmica de busca de exemplos e de informações foi dinamizada, no que se refere à seleção e compartilhamento de documentos de acesso aberto, sites institucionais e vídeos sobre os temas discutidos. Durante as aulas, adotar-se-ão os recursos disponíveis nas próprias plataformas para compartilhamento on-line de slides, textos e telas; para interação com os alunos por meio de mensagens de texto (“chat”), quando necessário; para gravação das aulas a serem disponibilizadas aos alunos em modo off-line; e para registro/controle de presença durante as aulas. A avaliação de desempenho envolverá: (1) leitura individual prévia de artigos e textos científicos distribuídos aos alunos e sua discussão durante as aulas; (2) apresentação de seminários pelos alunos a partir de temas específicos selecionados pelo professor, complementares aos tópicos abordados durante o curso. Em ambos os casos, buscar-se-á fomentar a discussão entre os participantes, propondo-lhes questões individuais e para o grupo, com o objetivo de consolidar os conceitos fundamentais, o que poderá ser avaliado instantaneamente por meio de aplicativos de questionários (por exemplo, Kahoot!). No caso dos seminários, buscar-se-á também avaliar a capacidade de síntese da literatura e habilidades de comunicação de temas científicos.

Additional class type information:

As aulas da disciplina PQI-5861 − Tratamento de Água e Efluentes: Processos Avançados serão ministradas em modo síncrono não-presencial, através de uma das plataformas adotadas pela Universidade de São Paulo (Google Meet ou Zoom). Essa modalidade permitirá a participação tanto de alunos regulares no ambiente da Universidade como de alunos especiais, inclusive aqueles em seu ambiente de trabalho e eventualmente em outras localidades, que de outra forma não poderiam participar do curso. Esta forma de oferecimento da disciplina durante o período da pandemia de covid-19 mostrou-se adequada, permitindo manter a qualidade, a interação com o professor e a participação dos alunos. Além disso, a própria dinâmica de busca de exemplos e de informações foi dinamizada, no que se refere à seleção e compartilhamento de documentos de acesso aberto, sites institucionais e vídeos sobre os temas discutidos. Durante as aulas, adotar-se-ão os recursos disponíveis nas próprias plataformas para compartilhamento on-line de slides, textos e telas; para interação com os alunos por meio de mensagens de texto (“chat”), quando necessário; para gravação das aulas a serem disponibilizadas aos alunos em modo off-line; e para registro/controle de presença durante as aulas. A avaliação de desempenho envolverá: (1) leitura individual prévia de artigos e textos científicos distribuídos aos alunos e sua discussão durante as aulas; (2) apresentação de seminários pelos alunos a partir de temas específicos selecionados pelo professor, complementares aos tópicos abordados durante o curso. Em ambos os casos, buscar-se-á fomentar a discussão entre os participantes, propondo-lhes questões individuais e para o grupo, com o objetivo de consolidar os conceitos fundamentais, o que poderá ser avaliado instantaneamente por meio de aplicativos de questionários (por exemplo, Kahoot!). No caso dos seminários, buscar-se-á também avaliar a capacidade de síntese da literatura e habilidades de comunicação de temas científicos.