Degradação fotoeletrocatalítica de efluente real têxtil utilizando um fotoânodo de heterojunção W/WO3/ BiVO4 nanoestruturado

Abstract

A crescente preocupação ambiental em torno do lançamento inadequado de efluentes industriais, especialmente da indústria têxtil, tem impulsionado o desenvolvimento de tecnologias avançadas para o tratamento eficiente de águas residuais. Entre essas, destaca-se a fotoeletrocatálise (FEC), uma técnica promissora baseada na combinação de processos eletroquímicos e fotocatalíticos capazes de mineralizar compostos orgânicos recalcitrantes. Neste trabalho, investigou-se a degradação fotoeletrocatalítica de um efluente real têxtil utilizando um fotoânodo nanoestruturado de heterojunção W/WO₃/BiVO₄, sintetizado inicialmente por anodização eletroquímica de uma placa de tungstênio, eletrodeposição de bismuto e, posterior plastificação para formação do BiVO4. A heterojunção W/WO₃/BiVO₄ com plastificação de 10 camadas apresentou densidade de fotocorrente de 1,8 mA cm⁻² sob irradiação visível, um aumento de 157% em relação ao WO₃ (0,7 mA cm⁻²). Esse desempenho confirma a eficiência da heterojunção tipo II e a maior atividade fotoeletrocatalítica do eletrodo. O estudo englobou cinco etapas: (i) síntese dos eletrodos de W/WO₃ recobertos por BiVO4; (ii) caracterização físico-química e fotoeletroquímica da heterojunção sintetizada; (iii) otimização dos parâmetros reacionais para degradação do efluente têxtil (eletrólito, potencial e tempo de reação), (iv) caracterização dos aspectos químicos e físico-químicos do efluente e das alíquotas pós degradação, e (v) avaliação comparativa com o semicondutor WO₃ isolado, bem como dos métodos de tratamento clássicos (fotólise, fotocatálise e eletrocatálise). Os melhores resultados foram obtidos com efluente bruto sem adição de eletrólito e sem agitação, potencial aplicado de 1,0 V vs Ag/AgCl e tempo de reação de 8h, alcançando remoções de 95,8% de DQO, 94,6% de NPOC e 99,1% de turbidez. A comparação entre os sistemas mostrou que a heterojunção superou amplamente a atuação do WO₃ isolado e dos outros métodos de tratamento, devido à eficiente separação de cargas, maior absorção de luz visível e geração contínua de espécies oxidantes. A análise integrada demonstrou que a FEC com o fotoânodo W/WO₃/BiVO₄ é uma alternativa eficaz e ambientalmente amigável para o tratamento de efluentes industriais complexos.

Growing environmental concerns about the improper discharge of industrial effluents, especially from the textile industry, have driven the development of advanced technologies for the efficient treatment of wastewater. Among these, photoelectrocatalysis (PEC) stands out as a promising technique based on the combination of electrochemical and photocatalytic processes capable of mineralizing recalcitrant organic compounds. In this work, the photoelectrocatalytic degradation of a real textile effluent was investigated using a nanostructured W/WO₃/BiVO₄ heterojunction photoanode, initially synthesized by electrochemical anodization of a tungsten plate, electrodeposition of bismuth, and subsequent plasticization to form BiVO₄. The W/WO₃/BiVO₄ heterojunction with 10 plasticized layers exhibited a photocurrent density of 1.8 mA cm⁻² under visible irradiation, representing a 157% increase compared to WO₃ (0.7 mA cm⁻²). This performance confirms the efficiency of the type-II heterojunction and the enhanced photoelectrocatalytic activity of the electrode. The study comprised five stages: (i) synthesis of W/WO₃ electrodes coated with BiVO₄; (ii) physicochemical and photoelectrochemical characterization of the synthesized heterojunction; (iii) optimization of reaction parameters for textile effluent degradation (electrolyte, potential, and reaction time); (iv) characterization of the chemical and physicochemical aspects of the effluent and post-degradation aliquots; and (v) comparative evaluation with isolated WO₃ and with classical treatment methods (photolysis, photocatalysis, and electrocatalysis). The best results were obtained with raw effluent without added electrolyte and without stirring, at an applied potential of 1.0 V vs Ag/AgCl and a reaction time of 8 h, achieving removals of 95.8% COD, 94.6% NPOC, and 99.1% turbidity. Comparison between systems showed that the heterojunction largely outperformed isolated WO₃ and the other treatment methods due to efficient charge separation, greater visible-light absorption, and continuous generation of oxidizing species. The integrated analysis demonstrated that PEC with the W/WO₃/BiVO₄ photoanode is an effective and environmentally friendly alternative for the treatment of complex industrial effluents.