DEQ1017 - Aula 02 - Adsorção

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Página 18 de 32 EXPERIMENTO DE ADSORÇÃO SÓLIDO LÍQUIDO: Batelada e Contínuo 1. OBJETIVOS DA PRÁTICA: a) Determinar: a-1) A curva de equilíbrio estático (em processo batelada no banho termostático) na adsorção de um ácido orgânico(soluto) em solução aquosa, pela superfície de um adsorvente granulado, para uma concentração inicial do soluto e para uma temperatura distinta; a-2) A curva cinética de adsorção para esta mesma temperatura (isoterma). b) Determinar as condições de equilíbrio dinâmico (em processo contínuo numa mini- coluna), para as mesmas substâncias do item (a), e mesma temperatura. c) Dimensionar uma coluna de adsorção, a nível prático em função os resultados obtidos no item (a) e, também, em função dos resultados obtidos no item (b), comparando e analisando-se as duas metodologias. 2. INTRODUÇÃO TEÓRICA A adsorção envolve contato do sólido com líquido ou gases dando a transferência de massa na direção do fluído para o sólido. É usada para dessumidificar ar e outros gases, para remover odores e impurezas dos gases industriais e outros. As separações típicas de líquidos incluem descoloração de produtos derivados de petróleo e das soluções de açúcar, remoção de odores e gosto da água, etc. Os principais absorventes utilizados são: carvão ativo, alumina, argilas, resinas orgânicas a adsorventes silicosos. Porém, devemos distinguir dois tipos de adsorção: Adsorção Física ou Fisissorção: Fenômeno reversível que ocorre por forças entre as moléculas do sólido e as da espécie a ser adsorvida. A adsorção física é acompanhada pela liberação de calor da ordem do calor de sublimação do fluído(soluto). É, por exemplo, empregada em máscaras contra gases e na purificação e descoloração de líquidos. Nela as moléculas do adsorvente e do adsorvato interagem por interações de van der Waals , que apesar de serem interações de longo alcance, são fracas e não formam ligações químicas. Uma molécula fisicamente adsorvida retém sua identidade, embora possa ser deformada pela presença dos campos de força da superfície. Nesta interação o ΔH0 Ad é da ordem de magnitude do ΔH0 Condensação, ou seja, -ΔH0fisiosorção< 35kJ.mol -1. Adsorção Química ou Quimissorção: É o resultado da interação química entre o sólido e a substância adsorvida e é acompanhado pela liberação de calor da ordem do calor de reação. É, por exemplo, empregada na separação de misturas . Nela as moléculas (ou

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EXPERIMENTO DE ADSORÇÃO SÓLIDO – LÍQUIDO: Batelada e Contínuo

1. OBJETIVOS DA PRÁTICA:

a) Determinar:

a-1) A curva de equilíbrio estático (em processo batelada no banho termostático) na

adsorção de um ácido orgânico(soluto) em solução aquosa, pela superfície de um

adsorvente granulado, para uma concentração inicial do soluto e para uma

temperatura distinta;

a-2) A curva cinética de adsorção para esta mesma temperatura (isoterma).

b) Determinar as condições de equilíbrio dinâmico (em processo contínuo numa mini-

coluna), para as mesmas substâncias do item (a), e mesma temperatura.

c) Dimensionar uma coluna de adsorção, a nível prático em função os resultados obtidos

no item (a) e, também, em função dos resultados obtidos no item (b), comparando e

analisando-se as duas metodologias.

2. INTRODUÇÃO TEÓRICA

A adsorção envolve contato do sólido com líquido ou gases dando a transferência de

massa na direção do fluído para o sólido. É usada para dessumidificar ar e outros gases,

para remover odores e impurezas dos gases industriais e outros. As separações típicas de

líquidos incluem descoloração de produtos derivados de petróleo e das soluções de açúcar,

remoção de odores e gosto da água, etc.

Os principais absorventes utilizados são: carvão ativo, alumina, argilas, resinas

orgânicas a adsorventes silicosos. Porém, devemos distinguir dois tipos de adsorção:

Adsorção Física ou Fisissorção: Fenômeno reversível que ocorre por forças entre as

moléculas do sólido e as da espécie a ser adsorvida. A adsorção física é acompanhada pela

liberação de calor da ordem do calor de sublimação do fluído(soluto). É, por exemplo,

empregada em máscaras contra gases e na purificação e descoloração de líquidos. Nela as

moléculas do adsorvente e do adsorvato interagem por interações de van der Waals, que

apesar de serem interações de longo alcance, são fracas e não formam ligações químicas.

Uma molécula fisicamente adsorvida retém sua identidade, embora possa ser deformada

pela presença dos campos de força da superfície. Nesta interação o ΔH0 Ad é da ordem de

magnitude do ΔH0 Condensação, ou seja, -ΔH0fisiosorção< 35kJ.mol-1.

Adsorção Química ou Quimissorção: É o resultado da interação química entre o sólido

e a substância adsorvida e é acompanhado pela liberação de calor da ordem do calor de

reação. É, por exemplo, empregada na separação de misturas. Nela as moléculas (ou

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átomos) unem-se à superfície do adsorvente através da formação de ligações químicas

(geralmente covalentes) e tendem a se acomodarem em sítios que propiciem o maior

número de coordenação possível com o substrato. Uma molécula quimicamente adsorvida

pode ser decomposta em virtude de forças de valência dos átomos da superfície e é a

existência de fragmentos moleculares adsorvidos que responde, em parte, pelo efeito

catalítico das superfícies sólidas. Na adsorção química -ΔH0 quimisorção > 35 kJ.mol-1, há

uma troca de densidade eletrônica entre adsorvato e adsorvente. A adsorção pode ser

discutida em termos de formação de um complexo. Em geral, métodos expectroscópicos são

utilizados para determinar a natureza da ligação envolvida na interação adsorvato-

adsorventes. A entalpia da quimiosorção dependerá fortemente da interação adsorvato-

adsorvente, adsorvato-adsorvato e da cobertura do substrato.

Mecanismo de adsorção: O processo de adsorção ocorre em três etapas (Figura 1).

Os contaminantes propagam sobre a superfície da partícula do adsorvente;

A molécula do contaminante migra para poros da partícula do adsorvente;

A molécula do contaminante adere na superfície do poro.

Figura 1 - Mecanismo de adsorção

Capacidade de Adsorção: Existem dois tipos de capacidade de adsorção. Um refere-se à

capacidade em relação à saturação. O outro à capacidade de trabalho. Uma camada de

adsorvente adsorve uma determinada substância durante certo período de tempo sem

grande variação na concentração de saída (eficiência relativamente constante). A partir de

certo tempo de operação, a concentração de saída começa a aumentar rapidamente até

atingir eficiência de retenção zero, ou seja, a concentração de saída é a mesma da de

entrada. O ponto em que a concentração começa a aumentar rapidamente é chamado de

“breaking point” – Figura 2. Quando esse ponto é atingido, o adsorvente deve ser

regenerado ou trocado. A capacidade de trabalho refere-se à capacidade de adsorção até

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atingir o ―breaking point‖. A capacidade de adsorção de saturação é referida ao ponto em

que a eficiência passa a ser nula.

Figura 2 - Adsorção no estado de breaking point.

Adsorventes

Carvão Ativado: Foi um dos primeiros adsorventes conhecidos e é um dos mais

utilizados atualmente. Geralmente é produzido a partir da decomposição térmica controlada

de material carbonaceo (casca da madeira, de coco, de arroz, carvão, ossos de animais,

etc.), a temperaturas inferiores a 600°C, seguida pela ativação, que visa submeter o

material carbonizado a reações secundárias, tendo como finalidade o aumento da área

superficial. A ativação física é feita com vapor de água, ar ou outro agente oxidante,

enquanto que a ativação química envolve a impregnação de agentes desidratantes como

ácido fosfórico, hidróxido de potássio e cloreto de zinco a temperaturas superiores a 300°C.

As principais características são as seguintes: área específica = 600 – 1200 m2/g, massa

específica = 0.4 g/cm3, porosidade = 0.6 -0.85 e diâmetro médio dos poros = 29 Å. Esse

adsorvente é um dos mais antigos e é muito utilizado face à sua versatilidade,

disponibilidade e curto. A densidade está na faixa de 0,08 a 0,5 g/cm3

Peneiras Moleculares: São materiais conhecidos pela designação genérica de zeólitos e

consistem em estruturas cristalinas de alumino-silicatos, de ocorrência natural ou

preparados em laboratório. A principal vantagem sobre os adsorventes tradicionais é que os

zeólitos podem ser feitos por medida para determinadas aplicações na biotecnologia,

indústria petroquímica, indústria farmacêutica e na área do ambiente. Como desvantagens,

pode-se apontar a sua fraca resistência mecânica e instabilidade na presença de soluções

ácidas.

Alumina Ativada: Prepara-se a partir do aquecimento a cerca de 400°C de hidratos de

alumina originando um adsorvente com área específica entre 200 a 500 m2/g. A sua

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aplicação industrial é a desidratação de gases e purificações específicas de correntes

líquidas.

Sílica Gel: A sílica-gel é obtida quando se acidifica uma solução de silicato de sódio a

uma temperatura de cerca de 360°C. O material obtido é altamente poroso e tem como

principais aplicações a secagem de correntes gasosas e a separação de hidrocarbonetos

aromáticos. Neste tipo de adsorventes a área específica varia entre 600 a 800 m2/g.

Resinas Permutadoras de Íons: São polímeros reticulados, tendo geralmente como

matriz o poliestireno, que é um material plástico solúvel em vários solventes. O agente

reticulante é o divinilbenzeno (DVB) que torna o material insolúvel e consoante a

quantidade presente na estrutura, determina a porosidade da matriz, o grau de inchamento

(―swelling‖) e a mobilidade de iôns na resina. À matriz são fixados grupos funcionais

iônicos, por exemplo, ácido sulfônico, o grupo amino quaternário, quelantes, etc.

Dependendo do tipo de grupo funcional, as resinas podem ser do tipo ácido (resinas

catiônicas) ou do tipo base (resinas aniônicas), forte ou fraca.

Os adsorventes em geral têm tamanhos na faixa de 4 a 20 mesh (4,76 mm a 841 µm) e

são descritos como ―pellets‖ou ―beads‖. Outra característica importante de um adsorvente é

a sua alta temperatura de oxidação para prevenir oxidação e adequada resistência de forma

a manter-se estruturalmente estável.

A Tabela 1 apresenta algumas características do carvão ativado, sílica gel e alumina

ativada assim como das terras diatomáceas e fuller para fins de comparação.

Tabela 1 - Quadro comparativo de adsorventes.

Regeneração do adsorvente: Os adsorvedores podem operar com um sistema de

regeneração ou o material adsorvente pode ser descartado após a exaustão. A regeneração

é conseguida em geral pela passagem em fluxo contrário de vapor a baixa pressão, o qual

será condensado, juntamente com o adsorbato (substância adsorvida) num sistema de

condensação adequado. Caso o adsorbato não seja de fácil condensação, o mesmo deverá

ser incinerado ou controlado por outro meio. A renegeração é importante para reduzir os

custos do sistema quando o produto tem valor comercial e está presente em concentrações

razoáveis, de preferência em altas concentrações.

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Equilíbrio de adsorção: Seja qual for o tipo de adsorção, as curvas de concentração do

soluto na fase sólida em função da concentração de soluto na fase fluída, dependem da

temperatura. Uma curva a uma dada temperatura é chamada de isoterma de adsorção.

A distribuição do sorvato entre a fase fluida e a fase adsorvida envolve um equilíbrio de

fases, que é governado pelos princípios da termodinâmica. Dados de equilíbrio são

geralmente reportados na forma de isotermas, que são diagramas mostrando a variação da

concentração de equilíbrio no sólido adsorvente com a pressão parcial ou concentração da

fase fluida, em uma temperatura específica. A determinação experimental das isotermas é o

primeiro passo no estudo de um novo sistema sorvato/adsorvente. A informação daí

retirada é importante na estimação da quantidade total de adsorvente necessária para certo

processo e conseqüentemente no dimensionamento dos equipamentos a serem utilizados

em tal processo adsortivo.

Em geral, para a adsorção física em uma superfície homogênea e em baixas

concentrações, a isoterma toma uma forma linear com uma inclinação limite constante, e a

relação pode ser expressa pela Lei de Henry, dada pela seguinte relação:

(1) Ou (2)

Onde q representa a concentração da fase adsorvida, C a concentração da fase fluida e p a

pressão parcial da fase fluida, no caso de gases.

A constante de Henry (K ou K’) é uma constante de equilíbrio termodinâmico e sua

dependência com a temperatura segue a lei de van’t Hoff (equação (3)).

(3)

A adsorção em zeólitas bem como a adsorção em fase vapor geralmente é um

processo exotérmico e, neste caso, o valor da constante decresce com o aumento da

temperatura.

A Lei de Henry é bastante útil para baixas concentrações de sorvato, mas ao

aumentar-se gradativamente esta concentração, aumentam as interações entre as

moléculas adsorvidas e ocorre uma saturação na fase adsorvida. Logo, com o aumento das

concentrações as isotermas podem tomar formas mais complexas. Uma classificação dos

diferentes tipos de isotermas universalmente empregadas é a classificação de Brunauer,

que as divide em cinco diferentes tipos (Figura 3). Adsorção em sólidos microporos

geralmente apresenta isotermas do tipo I; as formas mais complexas estão associadas

com adsorção multicamada e/ou com variações do tamanho dos poros. Muitos modelos

matemáticos de isotermas de adsorção encontram-se reportados na literatura para

correlacionar dados de equilíbrio para os vários tipos de isotermas existentes.

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Figura 3 - Classificação de Brunauer das Isotermas. I. Isoterma do tipo Langmuir; II.

Isoterma do tipo BET; III. Isoterma do tipo é rara e ocorre com adsorção de água em

polietileno; IV. É indicativa da presença de poros. É obtida na adsorção de gases nobres em

sólido uniformes; V. Ocorre raramente.

Isoterma de Langmuir: As isotermas do tipo I, que são as mais comuns, são

geralmente representadas pelo modelo de Langmuir:

(4)

Onde qs é o limite de saturação e b uma constante de equilíbrio que está diretamente

relacionada com a constante de Henry ( ). Este modelo foi originalmente

desenvolvido para representar a adsorção em monocamada sobre uma superfície ideal,

onde o calor de adsorção deve ser independente da cobertura da fase sólida. Entretanto,

por sua simplicidade e versatilidade, este modelo é amplamente empregado para

representar isotermas do tipo I, com bons resultados, mesmo quando tais condições não

são satisfeitas.

De modo simplificado, a isoterma de Langmuir pode ser aplicada à adsorção em

superfícies homogêneas. Esta isoterma é característica por uma aproximação monoatômica

a uma quantidade limite de adsorção, o que, presumi-se, correspondente à formação de um

monocamada. Na isoterma de Langmuir, supõe-se que a adsorção ocorre em pontos

chamados “sítios ativos”, que a superfície é completamente uniforme sob o ponto de vista

energético, que a quantidade máxima possível de adsorção é a que corresponde à

monocamada e que a adsorção ocorre por colisões de moléculas com sítios vazios.

Uma expressão simplificada que representa esta isoterma é:

(Xads/W) = ( Xs.KL.C)/(1+KL.C) (5)

onde: Xads- número de moles do soluto adsorvido por W gramas do adsorvente; Xs-

valor da saturação da monocamada, em moles do soluto por grama do adsovente ,

ou seja, concentração máxima assintótica, na fase sólida; KL- constante de equilíbrio, ou

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seja, relaciona a adsorção específica (X/W) com a concentração da fase fluida, na faixa

de concentração muito diluída; C- concentração molar ou normal do soluto, em equilíbrio,

na fase fluida.

O modelo de Langmuir pode ser estendido para a adsorção em sistemas binários ou

multicomponentes:

(6)

(7)

As equações (6) e (7) mostram que a adsorção do componente 1 na pressão parcial

p1 é reduzida na presença do componente 2 devido à competição entre as duas

substâncias. Para que esta expressão seja consistente termodinamicamente, as

concentrações de saturação da monocamada para os dois componentes devem ser iguais,

condição que geralmente não é satisfeita para sistemas reais. Devido à dificuldade de se

obter dados experimentais para sistemas multicomponentes, muitas vezes estes são

estimados a partir de isotermas monocomponentes.

Isoterma BET: Na formação de multicamadas (lembre-se que a isoterma de Langmuir

está restrita a formação de uma monocamada), o calor de adsorção adsorvato-adsorvente

deverá ser diferente do associado a adsorvato-adsorvato. O calor de adsorção adsorvato-

adsorvato está intimamente relacionado ao processo de condensação, sendo equivalente ao

calor de vaporização, ΔH0 Ad = -ΔH0Vap.

Brunauer, Emmett e Teller introduziram algumas considerações para estender o

modelo da monocamada de Langmuir, criando o modelo da isoterma denominada de BET,

são eles:

i. A adsorção da primeira camada de adsorvato segue as considerações introduzidas

por Langmuir;

ii. A adsorção da segunda camada irá ocorrer somente no topo da primeira camada, da

terceira no topo da segunda camada e assim sucessivamente;

iii. Quando P=P0 (a pressão do vapor saturado do adsorvato) um número infinito de

camadas será formado;

iv. No equilíbrio, as taxas de condensação e evaporação são as mesmas para cada

monocamada;

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Cinética de Adsorção: Depois de conhecido o equilíbrio de adsorção entre os componentes

da mistura a ser separado, o próximo passo para a modelagem e projeto de tal processo é

conhecer as resistências à transferência de massa na partícula do adsorvente.

Um adsorvente poroso em contato com uma fase fluida pode apresentar três

diferentes resistências a transferência de massa: resistência no filme externo à partícula,

resistência à difusão nos macroporos e resistência à difusão nos microporos. Dependendo

das características de cada sistema particular, uma destas resistências pode ser dominante,

sendo as demais desprezíveis, ou pode ter-se a necessidade de considerar uma combinação

de tais fatores.

A resistência à transferência de massa no fluido externo relaciona-se com as

características hidrodinâmicas do sistema, que determinam a camada laminar que envolve a

partícula sólida. Na região dos macroporos os mecanismos de difusão podem ser diversos,

entre os quais: difusão molecular, difusão Knudsen, difusão na superfície e fluxo Poiseulle.

Em fase gasosa a difusão Knudsen e a difusão na superfície são os mecanismos dominantes,

enquanto que em fase líquida a difusão molecular parece ser a mais importante (Ruthven,

1994). A difusão nos microporos está associada com efeitos estéricos e interações de campo

potencial entre a molécula e os canais microporosos que tomam a mesma ordem de

grandeza.

Figura 3 – Mecanismos adsortivos

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Fatores que influenciam a adsorção: A adsorção é influenciada por diversos fatores,

entre eles citam-se:

I. Estrutura Molecular: a estrutura ou a natureza do adsorvente é muito importante no

ordenamento do grau de adsorção que pode ocorrer.

II. Solubilidade: o aumento na solubilidade atua somente para impedir a atração do

adsorvente.

III. Ionização: uma mudança na ionização pode afetar drasticamente a adsorção.

IV. Temperatura: é o fator que mais influencia na adsorção. Os processos de adsorção

são geralmente exotérmicos; logo altas temperaturas usualmente dificultam ou

retardam o processo de adsorção. Baixas temperaturas geralmente favorecem a

adsorção. Entretanto, não é raro encontrar-se trabalhos onde o aumento da

temperatura provoque aumento na capacidade de adsorção.

V. Adsorção de solutos mistos: pode acontecer que os solutos possuam diversos

resíduos que iram influenciar na adsorção.

Os processos de adsorção a níveis industriais podem ser dimensionados para se

trabalhar em regime batelada, semi-contínuo e contínuo, dependendo do tipo de processo

real a ser estudado. os processos em regime contínuo são geralmente dimensionados a

partir de scale-up de uma unidade piloto de bancada.

Escoamento de fluidos em meios porosos: Ao considerar-se a adsorção em colunas

recheadas com adsorvente pelos quais está escoando um fluido, o efeito da resistência à

transferência de massa pode ser expresso de três maneiras:

(8)

(9)

onde é o coeficiente global de transferência de massa, é a superfície específica do

pellet adsorvente e e são as concentrações de equilíbrio com q e C, respectivamente.

(10)

onde representa a difusividade no macroporo e a coordenada radial na partícula do

adsorvente.

(11)

Onde representa a difusão intracristalina no interior dos microporos e a coordenada

radial no cristal microporoso.

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Muitos métodos experimentais e/ou correlações existem na literatura para estimar

parâmetros de transporte de massa. Deve-se ter um conhecimento prévio das

características do sistema que se está trabalhando para que tais efeitos de resistência a

transferência de massa possam ser avaliados. É comum em sistemas reais agrupar os

efeitos acima em uma única constante de transferência de massa, considerando-se

resistências em série.

Numa coluna de leito fixo, por exemplo, o conjunto de partículas sólidas é

uniformemente distribuído de modo a se manter estaticamente parado com o escoamento

de uma determinada vazão fluida entre os espaços vazios contidos entre as partículas,

conforme representado na Figura 7. Admitindo que as partículas possuam forma geométrica

regular, pode-se assumir então que a porosidade não varia com a pressão, com tempo,

nem com o sentido do escoamento, verificando a seguinte relação para a ―perda‖ da energia

de escoamento do fluido.

Figura 4 - Escoamento com perda de carga em meio poroso.

Para se projetar uma coluna, inicialmente, é necessário compreender os dados de

equilíbrio para que possam complementar os dados dinâmicos. Daí a importância da

construção das isotermas, as quais podem relatar o mecanismo de adsorção envolvido no

processo de remoção do adsorbato.

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O comportamento da adsorção pode ser evidenciado de maneira dinâmica. Nestes

casos, longe do equilíbrio, a troca ocorre de forma mais semelhante aos processos

industriais. Para se projetar uma coluna, inicialmente, é necessário compreender os dados

de equilíbrio para que possam complementar os dados dinâmicos. Daí a importância da

construção das isotermas, as quais podem relatar o mecanismo de adsorção envolvido no

processo de remoção do adsorbato.

O comportamento da adsorção pode ser evidenciado de maneira dinâmica. Nestes

casos, longe do equilíbrio, a troca ocorre de forma mais semelhante aos processos

industriais.

3. EQUIPAMENTOS E MATERIAIS

O equipamento utilizado está apresentado na Figura 5.

Figura 5 – Experimento para Adsorção Sólido-Líquido – Batelada e Contínuo

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Banho termostático de bandeja/suporte para agitação;

12 Elernmeyers de 125 ml de boca esmerilhada com tampa, para ensaios de

equilíbrio e cinética em batelada;

4 Elernmeyers de 125 ml simples para titulação;

1 Elernmeyer de 500 ml;

1 Pipeta Volumétrica de 100 ml;

1 Pipeta volumétrica de 10 ml;

1 pipeta graduada de 10 ml;

1 Bureta com suporte universal;

Espátula;

Funil e Papel filtro;

Pêra de sucção;

Mini coluna para ensaio de adsorção contínua em leito fixo;

Reservatório de solução de ácido acético;

Bomba peristáltica;

Proveta de 100 ml e de 10 ml;

pHmetro;

Cronômetro.

As substâncias utilizadas são:

Carvão ativo (granulometria entre 14 e 20 Mesh ou Tyler, que deve ser secado a

60oC por 2 horas antes de ser usado na experiência);

Solução aquosa de ácido acético a aproximadamente 0,2N (a ser fatorada

durante o experimento);

Solução aquosa de Hidróxido de sódio a aproximadamente 0,2N (padronizada

previamente);

Indicador (ácido/base) fenolftaleína;

Água destilada e reservatório de solução de ácido acético para alimentação contínua

da mini-coluna de adsorção.

4-PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Para alcançar o objetivo do item (a-1), ou seja, Curva de Equilíbrio, temos:

4.1. Preparar, no mínimo, 5 litros de solução aquosa de ácido acético a 0,2N e colocar no

Reservatório.

4.2. Pesar, com precisão de três casas decimais, 6 (seis) amostras de carvão ativado (W)

de, aproximadamente, 0,5; 2,0; 3,5; 5,0; 6,5 e 8,0 gramas cada, colocando-as,

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respectivamente, em 6 (seis) erlenmeyers de boca esmerilhada /tampa, limpos e

secos de 125 ml, identificando-os.

4.3. Adicionar em cada erlenmeyer, 100 ml (ou 50 ml) de solução aquosa de ácido

acético a 0,2N (com auxílio da pipeta volumétrica respectiva);

4.4. Colocar os erlenmeyes sobre os suportes da bandeja, no banho termostático, e

regular a agitação e a temperatura do banho para 25oC e deixar agitar por, no

mínimo, 45 min. para atingir o equilíbrio do sistema;

OBS: Enquanto se espera este tempo, aproveitar para fatorar (padronizar) a

solução de ácido acético aproximadamente 0,2 N utilizada (ou seja,

determinar a normalidade real desta solução com precisão de três casas

decimais);

4.5. Após o equilíbrio estabelecido, retirar de cada erlenmeyer, duas aliquotas de 10ml

(filtradas se for necessário para não retirar carvão ativo na hora das alíquotas).

e titular cada alíquota com solução de NaOH (0,2N já padronizado) usando-se como

indicador a fenolfaleina, afim de determinar a Concentração molar (C) residual

de ácido acético em solução e, portanto, a quantidade em moles de ácido

acético adsorvido (Xads) no carvão.

Para alcançar o objetivo do item (a-2), ou seja, Cinética de Adsorção,

temos:

4.6. Pesar, com precisão de três casas decimais, 6 (seis) amostras de carvão ativado (W)

de 5,0 gramas cada colocando-as em seis, respectivos, erlemneryres de boca

esmerilhada, limpos e secos e identificando.

4.7. Adicionar, rapidamente, em cada erlemneryer, 100 ml (ou 50 ml) de solução aquosa

de ácido acético a 0,2N e começar a marcar, logo em seguida, o tempo individual

para cada elernmeyer,

4.8. Colocar os erlemneyers sobre a bandeja, do Banho termostático, e regular a

temperatura e agitação para as mesmas condições do item (a-1);

4.9. A cada 5 minutos, tirar um erlemneyer do banho e, rapidamente, filtrar e retirar

duas alíquotas de 10 ml titulando cada uma com a solução de NaOH (0,2N já

fatorada) usando-se fenolftaleina como indicador, afim de determinar a fração

residual de ácido acético em solução.

Para alcançar os objetivos do item (b), ou seja, Condições de Equilíbrio

dinâmico em processo contínuo numa mini-coluna, temos:

4.10. Pesar uma quantidade de carvão ativado granulado necessária para encher a Mini-

coluna, para fazer um leito fixo;

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4.11. Colocar uma proveta de 500 ml ao lado da mini-coluna para coletar o volume total

de solução de ácido acético que irá passar durante toda a operação;

4.12. Iniciar a alimentação contínua de solução de ácido pela mini-coluna, regulando-se a

vazão entre 2 a 3 ml/min , regulando-se através da Bomba peristáltica e com

auxílio das medidas de vazão por proveta de 10 ml e cronômetro.

4.13. Assim que a solução atingir o topo da coluna e começar a pingar na proveta, acionar

um cronômetro e inserir, cuidadosamente, o eletrodo do pH-metro no topo da

mini-coluna, afim de monitorar o abaixamento do pH ao longo do tempo.

Obs.: O pH inicial vai estar próximo de 7. Porém, com o decorrer do tempo e com

a saturação do leito de carvão, começará a aparecer traços de ácido

acético no topo da mini-coluna.

4.14. Quando a solução aquosa que sai no topo da mini-coluna apresentar uma

concentração ácida em torno de 0,02N, ou seja, no momento em que o pH for 4,0;

interromper o experimento fechando a alimentação, e registrar o tempo total

decorrido e o volume total que passou pela coluna (coletado na proveta).

OBS: Ao final do experimento, determine:

a porosidade ( ε) aproximada de um leito formado por deste carvão ativado;

a densidade aparente (ρap) deste carvão e

o diâmetro médio de partícula do carvão utilizado.

5- CÁLCULOS E ANÁLISES DOS RESULTADOS

Enfatizando-se a Isoterma de Langmuir, temos:

5.1. Para o objetivo do item (a-1), graficar (Xads/W) em função de C (concentração

molar residual). Analise, comente e compare com gráficos típicos dados em literatura;

5.2. Em outra figura, graficar C /(X/W) em função de C determinando-se o valor

experimental de Xs e KL, relativas à equação de Langmuir (eq. 5). Analise, comente e

compare, se houver, com a literatura.

5.3. Para o objetivo do item (a-2), graficar Xads em função do Tempo e,

5.4. E outra figura, graficar (Xads/W) em função do Tempo, para determinarmos a

velocidade específica média de adsorção.

PROBLEMA PROPOSTO

Uma indústria possui um efluente aquoso contendo ácido acético com uma

concentração de 12 g/l e uma vazão constante de 600 L/h, cuja temperatura está em torno

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de 250C. Deseja-se diminuir a concentração deste efluente para, no máximo, 1,2 g/l

(exigências de Órgão ambiental). Para tanto, você foi contratado para dimensionar uma

coluna de adsorção em leito fixo com carvão ativado granulado (idêntico ao usado no seu

experimento) para operação em regime contínuo.

Faça o seu projeto/dimensionamento levando-se em conta apenas:

1) Os resultados obtidos nos objetivos do item (a-1) aliados a metodologia de resolução

baseada no exemplo 16.4 da referência [1]. Supondo-se, para questão do exercício,

que o Coeficiente de transferência de massa composto na fase líquida (KyL.a), seja

dada pela expressão:

KyL.a = 3,3.10-3 (V)0,5/ dP1,5

onde: V - velocidade volumétrica superficial do fluido em cm/s e

dP - diâmetro médio de partícula do carvão ativo em cm.

2) Os resultados obtidos nos objetivos do item (a-1) e (a-2) e sua capacidade de

interpretação dos resultados.

3) Os resultados obtidos nos objetivos do item (b) com Scale-up e sua capacidade de

interpretação dos resultados.

Questiona-se, em cada um dos casos (1): (2) e (3):

a) Em função do consumo de carvão ativado utilizado, qual seria o custo para a indústria

mensalmente?

Sabendo-se que o preço do carvão ativado, nesta granulometria, é de 3 (três) reais/Kg.

b) Faça um esquema simples de montagem do seu sistema de adsorção explicando

resumidamente a sua operação (entradas, saídas, cargas, descargas, etc):

6- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1- FOUST, A.S. et alli- Princípios das Operações Unitárias- Editora Guanabara Dois, Rio de

Janeiro, 1982.

2- PERRY & CHILTON- Manual de Engenharia Química- 5o ed. , Editora Guanabara Dois, Rio

de Janeiro, 1980.

3- SHREVE, R.N. e JOSEFH, A.B.Jr.- Industrias de Processos Químicos- 4o ed. , Editora

Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1980.

4- RICCA, F - Adsorption-Desorption Phenomena- London, 1972.

5- SATO, T. - Stabilization of Colloid Dispersions by Polymer Adsorption- New York, 1980.

6- WANKAT, P.C. - Large- Scale Adsorption and Cromatography. - 1986