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ELETRÓLISE AQUOSA DE SALMOURA: DESCARGA ELÉTRICA X
MÉTODO CONVENCIONAL
A.C.C. Rocha, C. Alves Jr., J. O. Vitoriano, L.P.S. Pereira, J.B.F.O. Baraúna
Universidade Federal Rural do Semi-Árido
Rua Cecília Mendes de Moura, Dom Jaime Câmara, 460, AP 107 Bloco C
Resumo
Hoje em dia, estudos sobre novas técnicas de eletrólise estão surgindo, uma
dessas técnicas é a eletrólise por descarga luminescente (Glow Discharge
Eletrolysis – GDE), que está sendo empregada com auxílio do plasma como
fonte energética. O presente trabalho tem como objetivo a aplicação do plasma
como um eletrodo não consumível, sendo substituído pelo eletrodo do ânodo, e
assim analisar o comportamento das soluções antes e depois da eletrólise e
assim comparar com o processo de eletrólise convencional. A eletrólise foi
conduzida em uma célula eletrolítica em formato de H. A fim de medir o grau de
acidez ou alcalinidade das soluções, foram feitas as análises de pH antes e
depois da eletrólise. Assim como as análises de condutividade e análises de
cloretos presentes nas soluções, essa análise é feita a partir da titulação com
nitrato de prata. O sódio presente nas soluções será analisado através da
espectrofotometria de chamas.
Palavras-chave: Eletrólise, convencional, GDE.
INTRODUÇÃO
Eletrólise é um processo eletroquímico no qual a energia elétrica é a força
motriz de reações químicas. As substâncias são decompostas, por passagem
de uma corrente através delas (1). Uma célula eletrolítica é composta por um
eletrodo anódico (potencial positivo) e um eletrodo catódico (potencial
negativo), estando estes presentes em um meio eletrolítico. Se torna
necessário a utilização de uma fonte externa que irá fornecer a energia
necessária para o funcionamento da célula eletrolítica, produzindo reações de
redução e oxidação nos eletrodos. Os elétrons cedidos através da fonte
externa passam pelo anodo, que através das reações ocorre a oxidação (perda
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de elétrons), depois esses elétrons percorrem para o cátodo, através ou de
uma ponte salina ou uma membrana, onde ocorrerá a redução (ganho de
elétrons).
Em eletrólises convencionais de soluções aquosa de cloreto de sódio
ocorrem as seguintes reações:
Dissociação do NaCl, ou seja, o composto NaCl irá separar seus íons:
2NaCl 2Na+ + Cl- (A)
Na região anodica vai ocorre o processo de auto - ionização da água:
2H2O 2H+ + 2OH- (B)
Oxidação (perda de elétrons) no ânodo:
2Cl- Cl2 + 2e- (C)
Redução (ganho de elétrons) no cátodo:
2H+ +2e- H2 (D)
A equação global de uma eletrólise convencional de cloreto de sódio
aquoso está representada abaixo:
2NaCl(s) + 2H2O(l) 2 Na+(aq) + Cl2(g) + 2OH-
(aq) + H2(g) (E)
Onde o gás cloro é liberado na região anódica e o gás hidrogênio na
região catódica.
Uma parte fundamental da construção de células de eletrólise consiste
em utilizar elétrodos adequados para evitar reações indesejadas (1). Uma vez
que no método convencional os eletrodos utilizados são sólidos imersos,
acabam gerando problemas de contaminação das soluções e desgastes que
influenciam as reações desejáveis, por isso novas técnicas estão sendo
estudadas para melhorar o desempenho dos processos. Uma nova técnica é a
eletrólise por descarga luminescente (Glow Discharge Eletrolysis – GDE), que
está sendo utilizada com auxílio do plasma como fonte energética. Esta técnica
associa os princípios de oxidação e redução amplamente difundidos da
eletrólise convencional com os fenômenos de plasma à pressão atmosférica (2).
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Diferente da eletroquímica tradicional, onde a barreira de energia do ânodo e
cátodo controla a reação, os elétrons em um plasma são, basicamente livres e
ainda está em estudo como isso pode mudar os caminhos das reações, uma
vez esse tipo de eletrólise é um processo que não segue as leis de Faraday.
Nesse último caso uma descarga elétrica substitui o ânodo do processo
de eletrólise convencional. Quando a descarga é produzida a uma distância
pequena da superfície, elétrons presentes no líquido são removidos para o
ânodo, resultando num desbalanceamento elétrico da solução. Esse
desbalanceamento, juntamente com a presença de outras espécies do plasma
como a radiação ultravioleta, radicais e íons resultam em processos não-
faradaica que dificulta a identificação das reações de transferência de carga. (3).
O presente trabalho tem como objetivo a comparação entre o processo de
eletrólise convencional com a eletrólise a plasma. A eletrólise foi conduzida em
uma célula eletrolítica, dividida em dois compartimentos (cátodo e ânodo) em
formato de H. Na eletrólise a plasma o ânodo foi substituído por uma descarga
elétrica.
MATERIAIS E MÉTODOS
Utilizou-se dois arranjos experimentais para comparação da eletrólise
convencional e a eletrólise a plasma (Figura 1). Em ambos foi utilizada uma
solução de cloreto de sódio (NaCl) de concentração de 30g/L (saturação de
NaCl na água do mar) no compartimento anódico e no compartimento catódico
foi utilizada agua destilada. Todos os volumes foram iguais a 250 ml. A
eletrólise a plasma foi realizada com durações de 6, 3 e 1 minuto. O processo
convencional foi realizado com duração de 6 minutos apenas. Todos os
processos foram realizados em triplicata. Uma membrana orgânica de
quitosana foi utilizada como barreira entre os dois compartimentos da célula.
Ela também desempenhou o papel de uma membrana catiônica, auxiliando a
passagem dos íons positivos do lado do ânodo para o lado do cátodo. O
eletrodo catódico empregado foi uma placa de titânio, um material leve e que
possui um filme óxido passivo de alta resistência à corrosão. Uma ponteira de
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tungstênio foi utilizada para que ocorresse a descarga elétrica através dela.
Sendo essa localizada próxima a superfície aquosa sem entrar em contato. Na
eletrólise convencional mudou-se apenas a descarga elétrica do anodo por um
eletrodo de grafite, sendo esse material um bom condutor elétrico.
Figura 1: Aparato experimental utilizado no processo com descarga
elétrica.
Para que ocorresse a eletrólise, fez-se indispensável o uso de uma fonte
de alta tensão DC (corrente continua), cuja tensão de entrada é de 220 V e
tensão de saída podendo alcançar até 1000 V gerando a força motriz
necessária para o desenvolvimento do processo. A tensão foi continuamente
ajustada ao longo do processo a fim de que a tensão do processo ficasse em
torno de 900 V (+/- 10).
O parâmetro comparativo da eletrólise convencional com a descarga
elétrica foram os realizados num tempo de eletrólise de 6 minutos, utilizando-se
a mesma fonte e as mesmas condições de tensão, concentração de solução e
membrana de quitosana. Para se estudar e comparar a energia que está sendo
transformada (energia consumida) nos dois casos de eletrólise, foi realizado
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um estudo da potência de cada sistema a partir da média das medidas de
corrente e tensão ao longo da eletrólise, através da seguinte equação:
P = i * U (F)
Onde a potência é dada em watt (W), a corrente é dada em ampère (A) e
a tensão é dada em volt (V).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Tabela I são apresentados os valores do pH das soluções de ambos
lados da célula eletrolítica, antes e após a GDE. Verifica-se que a aplicação da
descarga alterou significativamente o pH da solução, tanto no compartimento
anódico como catódico. As soluções anódicas (H2O + NaCl) sofreram uma
queda de pH (acidificação) na medida que o tempo de eletrólise aumentava. Já
as soluções catódicas foram se tornando mais básica a partir de 3 minutos de
experimento.
Tabela I: Resultados da análise de pH das soluções catódicas e
anódicas.
FONTE: Dados da
pesquisa.
Esse comportamento se dá devido à dissociação do NaCl e a auto
ionização da água que forma íons H+ e hidroxilas OH-, onde possivelmente a
presença desses íons de hidrogênio na solução anodica justifica o pH diminuir.
Segundo Paul Rumbach et. Al, plasmas formados na presença de ar pode
Tempo
(min)
pH-
ânodo
pH -
cátodo
Inicial 6,25 7,50
1 4,47 6,58
3 3,32 7,35
6 3,03 9,67
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produzir HNO2, HNO3, e H2O2, bem como outros produtos, tais como solução
de ácido peroxinitroso, através de inúmeras vias de reação.O aumento do pH
na solução catódica se dá devido a diminuição do [H+] como resultado da
libertação do gás hidrogênio e reações eletrolíticas entre elétrons do plasma e
íons aquosos produzem excessos de íons de hidróxido (OH-), fazendo com que
a solução se torne mais básica.
Figura 2: Gráficos referente as análises de pH das soluções catódicas e
anodicas, comparando resultados do método de descarga elétrica com o
método convencional
Comparando-se os valores de pH na célula eletrolítica da eletrólise
convencional com a GDE, anódico e catódico, após 6 min de eletrólise (Figura
2), foi possível observar um comportamento semelhante tanto na solução do
cátodo como na solução anodica.
Com relação aos valores da condutividade elétrica no GDE (Tabela II),
verifica-se que houve um acréscimo no compartimento do cátodo e um
decréscimo no compartimento anódico, após eletrólise. Isso ocorreu por conta
da migração de íons positivos Na+ que passam da área anódica para a
catódica por meio da membrana catiônica e consequente liberação de gás
cloro do compartimento anódico. Devido à perda de íons, as soluções anódica
sofreram perda de condutividade
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Tabela II: Valores de condutividade elétrica das soluções catódicas e
anódicas.
Análise por espectrofotometria de chamas realizada nas soluções,
reforçam a hipótese inicial da migração de íons Na+ para o compartimento
catódico. Na Tabela III, tem-se os valores obtido dessas análises e pode-se
notar que a concentração de Na+ está aumentando com o tempo de eletrólise
seguindo o mesmo desempenho do método convencional.
Tabela III: Concentração de sódio nas soluções catódicas.
FONTE: Dados da pesquisa.
Tempo
(min)
Condutividade -
anodo
Condutividade -
catodo
Inicial 59,18 0,041
1 38,7 0,13086
3 38,67 0,1584
6 36,03 0,42517
Tempo (min) Sódio no compartimento catódico
(g/L)
Inicial 0,001
1 0,0177
3 0,0445
6 0,0708
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Comparando-se os valores da condutividade elétrica entre os dois
processos, para os compartimentos anódicos e catódicos (Figura 3), nas
soluções de eletrólise com duração de 6 minutos, verifica-se que os valores
são próximos.
Figura 3: Gráficos referente as análises de condutividade elétrica das soluções
catódicas e anodicas, comparando resultados do método de descarga elétrica
com o método convencional.
Convencional 0,0876
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Cloretos na solução foram analisados por titulação utilizando nitrato de
prata como tampão tendo o cromato de potássio como indicador. A partir
desses resultados foi possível determinar a quantidade de cloro que foi
evaporado no processo (Figura 4). Verificou-se que a quantidade de cloro
evaporado é proporcional ao aumento do tempo do processo eletrolítico.
Figura 4: (a) valores de cloro evaporado durante processo GDE em
diferentes tempos de duração; (b) comparação entre os dois processos
do total de cloro evaporado.
Com os dados de corrente e tensão, dados na Tabela IV, foi possível
determinar a potência média necessária para as reações ocorrerem, os valores
obtidos (Tabela V).
Tabela IV: Média das tensões e correntes obtidos no decorrer das
eletrólises.
Tempo (min) Média das
Tensões (V)
Média das
Correntes (A)
1 887,95 0,0495
3 874,58 0,059
6 896,5 0,08
Convencional 686,27 0,43
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Tabela V: Potencia média necessária para cada sistema de eletrólise.
De acordo com a Tabela V, a potência fornecida para a eletrólise GDE é
24,3% da potência na eletrólise convencional. Considerando o rendimento para
obtenção de Na e Cl gasoso, verifica-se que o convencional produziu 0,2968
mg de Na+/W no cátodo e 16,5 mg de Cl/W evaporados, enquanto o GDE
produziu 0,9871 mg de Na+/W no cátodo e 43,39 mg de Cl/W evaporados.
CONCLUSÕES
Através das análises realizadas no presente trabalho foi possível
descrever o comportamento da aplicação da descarga elétrica como eletrodo
não consumido, e assim comparado com a eletrólise convencional foi possível
ver que apresenta um mesmo comportamento, sendo possível a substituição
sem nenhum dano aos produtos finais do processo.
Por se tratar de um eletrodo não consumível, a descarga elétrica evita os
problemas de contaminação, uma vez que não entra em contato com a
solução, caso contrário do eletrodo de grafite que ao decorrer da eletrolise teve
uma pequena degradação acarretando no desgaste do eletrodo e
contaminação da solução.
Em relação ao gasto energético a descarga elétrica mostrou-se ter um
gasto energético menor quando comparada ao modelo convencional, uma vez
que a potência necessária do processo foi maior.
REFÊRENCIAS
Tempo de
Eletrólise
Potência (W)
6 min 71,72
3 min 51,62
1 min 43,97
Convencional 295,10
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(1) ZOULIAS, Emmanuel et al. A review on water electrolysis. TCJST, v. 4, n. 2,
p. 41-71, 2004
(2) OLIVEIRA, César Rodnei de. Alteração das propriedades superficiais do
alumínio via eletrólise e plasma. 2010.
(3) RICHMONDS, Carolyn et al. Electron-transfer reactions at the plasma–liquid
interface. Journal of the American Chemical Society, v. 133, n. 44, p. 17582-
17585, 2011.
ELECTROLYSIS WATER PICKLE: DISCHARGE ELECTRIC X METHOD
CONVENTIONAL
ABSTRACT
Nowadays, studies on new electrolysis techniques are emerging, one of these
techniques is the Glow Discharge Electrolysis (GDE), which is being used with the aid
of plasma as an energy source. This work aims the plasma application as a non-
consumable electrode, being replaced by the anode electrode, and thus analyze the
behavior of the solutions before and after the electrolysis and thus compare with the
conventional electrolysis process. Electrolysis was conducted in na H-shaped
electrolytic cell. In order to measure the degree of acidity or alkalinity of the solutions
were made pH analyzes before and after electrolysis. As the conductivity analyzes and
present chlorides in the solution analyzes, this analysis is made from the titration with
silver nitrate. The sodium present in the solutions will be analyzed by flame
spectrophotometry.
Key-words: Electrolysis, conventional, GDE.
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