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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Adsorção em Coluna de Enchimento

Adsorção de CO2 em Carvão Ativado

Projeto FEUP 2014/2015 – MIEA:

Coordenador Geral: João Bastos

Coordenador do Curso: Fernando Pereira

Supervisor: José Miguel Loureiro

Monitor: Bárbara Pereira

MIEA102_Grupo 1:

Daniela Castro ([email protected])

Margarida Vaz ([email protected])

Miguel Matos ([email protected])

Miguel Vale ([email protected])

Tiago Lopes ([email protected])

Wilson Fernandes ([email protected])

2 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Resumo

O nosso trabalho baseia-se na adsorção em coluna de enchimento. De modo

a realizar este processo, foi escolhido como adsorvente o carvão ativado.

O trabalho foi realizado em laboratório, onde se obteve, através da

experiência de adsorção, as curvas de rutura e de temperatura na coluna de enchimento,

representadas em programa de computador, para as etapas de adsorção e dessorção.

Durante a experiência, a percentagem de CO2 variou ao longo das etapas

(adsorção e dessorção). Esta aumentou ao longo da fase de adsorção até estabilizar –

final da adsorção – e, posteriormente, houve um decréscimo de CO2, momento em que

se deu a fase de dessorção, finalizando quando a percentagem deste ficou nula,

terminando assim a experiência. Durante todo o processo a temperatura dos termopares

presentes na coluna variou de forma independente em cada um.

Palavras - Chave: adsorção; dessorção; CO2; carvão ativado; coluna de enchimento.

3 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Índice

Resumo ............................................................................................................................. 2

Índice ................................................................................................................................ 3

Lista de Figuras ................................................................................................................ 4

Abreviaturas e Símbolos ................................................................................................... 5

Introdução ......................................................................................................................... 6

Tipos de Adsorção ............................................................................................................ 8

Carvão Ativado ................................................................................................................. 9

Principais Utilizações ............................................................................................ 9

Experiência ..................................................................................................................... 10

1. Material ............................................................................................................ 10

2. Procedimento Utilizado ................................................................................... 11

3. Resultados Obtidos .......................................................................................... 12

Conclusão ....................................................................................................................... 14

Referências Bibliográficas .............................................................................................. 15

Anexos ............................................................................................................................ 16

Anexo I: Instalação experimental e modo de operação ....................................... 17

Anexo II: Indicações especiais de operação e segurança ..................................... 19

4 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Lista de Figuras

Figura1 – Material utilizado experimentalmente para a realização da adsorção.…...…10

Figura2 – Gráfico indicador da percentagem de CO2 em função do tempo..……….…12

Figura3 – Gráfico ilustrador da variação da temperatura dos 7 termopares em função do

tempo …………………………………………………………………………………..12

Figura4 – Gráfico mostrador da percentagem de CO2 em função do tempo no fenómeno

de dessorção………………………………………………………………………….…12

Figura5 – Gráfico ilustrador da variação da temperatura em função do tempo no

fenómeno de dessorção…………………………………………………………………12

Figura6 – Esquema representativo da atividade experimental..…………………….....16

5 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Abreviaturas e Símbolos

CO2 – dióxido de carbono

He - hélio

C - carbono

6 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Introdução

No âmbito de unidade curricular “Projeto FEUP” do 1º ano do Mestrado

Integrado em Engenharia do Ambiente da Faculdade de Engenharia da Universidade do

Porto, foi realizado o presente relatório cujo tema é “Adsorção em Coluna de

Enchimento”.

A adsorção é um fenómeno de superfície decorrente da aderência de

moléculas de um componente de uma fase fluida sobre a superfície de um sólido

adsorvente. O processo tem origem nas forças atrativas entre as moléculas e a superfície

do sólido adsorvente, tratando-se de um fenómeno espontâneo. Existem dois tipos de

adsorção: a física e a química, no entanto apenas iremos aprofundar sobre a adsorção

física. Este tipo de adsorção é um fenómeno superficial, no qual um fluido é

reversivelmente retido na superfície de um sólido por forças dispersivas de van der

Waals (este processo é usual na separação ou purificação de gases). O processo de

adsorção visa a retenção de gases nefastos para o ambiente, nomeadamente o CO2. Com

a captura deste numa corrente gasosa e o seu sequestro num meio sólido, o adsorvente, é

possível originar um efluente limpo que poderá ser libertado sem trazer consequências

para a saúde ambiental, facto que comprova a utilidade e eficiência deste processo.

O adsorvente é um sólido cujas propriedades permitem aumentar a concentração

do(s) soluto(s) sobre a sua superfície. Este tem de ter uma área específica elevada, facto

que é possível pela sua estrutura porosa. Quando em contacto com a fase líquida ou

gasosa, é estabelecido um equilíbrio entre esta e a fase sólida.

O carvão ativado será o adsorvente utilizado, devido à sua microporosidade e

fácil obtenção1. “Uma das características mais importantes de um adsorvente é a

quantidade de substância que pode ser acumulada ou retirada da sua superfície”

(LETTERMAN, 1999.; OSCIK e COOPER 1982). Ao longo da experiência será

possível observar a capacidade de adsorção de CO2 que o carvão ativado apresenta.

No processo de adsorção em leito fixo, uma corrente líquida ou gasosa é

continuamente alimentada a uma coluna que contém o adsorvente sólido (carvão

ativado). Os solutos presentes na corrente serão retidos pelo adsorvente até ao seu limite

de saturação, obtendo-se um efluente purificado. De forma a que o processo seja

efetuado considera-se uma coluna de volume V, comprimento L, secção reta S e

7 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

contendo um enchimento de porosidade X. Esta é atravessada inicialmente por um gás

puro não retido pelo adsorvente (gás de arrasto) com caudal Q, de modo a retirar

possíveis impurezas presentes na coluna. À entrada da coluna será introduzido um

soluto A, cuja concentração passará instantaneamente de zero a C(A). Supondo que o

degrau de concentração introduzido à entrada se desloca ao longo da coluna sem

distorção, este é designado de frente estacionária. O tempo em que essa frente sai na

outra extremidade da coluna é o tempo estequiométrico. “A velocidade do avanço da

frente é inferior à velocidade do gás de arrasto, sendo a diferença entre as duas tanto

maior quanto maior for a capacidade de adsorção do soluto pelo adsorvente.

Em geral, o tempo ao qual a concentração atinge 5% do valor máximo é

designado tempo de ruptura, tbp (breakthrough point). Ao fim deste tempo a coluna

deve ser regenerada, uma vez que a corrente gasosa começa a sair contaminada.” (DEQ

FEUP, 2008)

1 Em princípio, qualquer material com alto teor em carbono pode ser transformado em carvão ativado (carvões

minerais, turfas, madeiras, resíduos de petróleo). Atualmente são utilizados caroços e cascas de azeitona, cereja,

damasco, pêssego, azeitonas e ossos de animais. “Cerca de 1/3 da produção mundial de carbono activado é de origem

vegetal.” (CLAUDINO, 2003).

8 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Tipos de Adsorção

A adsorção é um processo espontâneo que, pode ser dividido em dois tipos:

adsorção química e adsorção física.

Na adsorção química (também denominada de quimissorção) ocorre uma

reação química entre o adsorvente e o adsorvido resultante de forças eletrostáticas e de

quebras e/ou formações de ligações covalentes que, por sua vez, promovem a

transferência de eletrões entre estas duas substâncias. Esta é bastante utilizada na

separação de misturas. (Teixeira, Viviane G., Coutinho, Fernanda M. B., Gomes, Ailton

S. 2001)

Por outro lado, a adsorção física (ou fisissorção), é utilizada geralmente

em máscaras de protecção e na purificação e descoloração de líquidos. Neste tipo de

adsorção, a substância adsorvida é transferida de uma superfície fluida para uma

superfície sólida. Este tipo de adsorção é caracterizado pelo desenvolvimento de forças

atrativas entre as moléculas e a superfície adsorvente, sendo estas forças denominadas

de forças de van der Waals. Ao contrário da adsorção química, neste tipo de adsorção a

superfície do adsorvente não é modificada.

Comparando estes dois tipos de adsorção pode-se concluir que, na adsorção

química há maior produção de energia sob a forma de calor do que na adsorção física.

9 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Carvão Ativado

A ativação do carvão é um processo que o torna num bom adsorvente pois, a

sua superfície sofre alterações que o tornam mais poroso e, como tal, a sua área de

adsorção aumenta. Antes de este ser ativado sofre carbonização que consiste, na

remoção dos componentes voláteis do carvão, provocando um grande aumento da

quantidade de carbono. Segundo Oliveira, Marcelo H. A. (2004), o que torna uma

substância num bom adsorvente é: uma elevada capacidade e percentagem de

adsorção/dessorção; um grande número de microporos (aumenta a área de adsorção);

uma alta capacidade calorifica; uma elevada capacidade hidrofóbica e o baixo custo. O

carvão ativado reúne as condições necessárias para ser considerado um bom adsorvente,

dai ser muito utilizado neste processo.

Principais utilizações

Para além da sua utilidade no processo de adsorção, este carvão também

desempenha um papel importante no ramo industrial, quer no controlo da poluição, quer

na purificação de produtos naturais ou sintéticos. O carvão ativado pode, também, ser

utilizado na “purificação de gases e na recuperação de solventes”, na separação dos

compostos de misturas gasosas ou em stock de gás natural.

Ficam aqui alguns dos campos de utilização do carvão ativado: alimentar

(purificação de óleos, clarificação de glicose, açúcar e gelatinas), farmacêutico

(fabricação de medicamentos, como antibióticos e anestésicos), químico (purificação de

ácidos, álcoois e glicerinas), tratamento de ar (adsorção de gases contaminantes),

tratamento de água (purificação da mesma para uso potável ou industrial).

10 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Experiência

(ver anexos)

1. Material

① Forno:

1.1. Válvulas direcionais;

1.2. Válvulas de globo de He e CO2;

②Colunas de enchimento;

③ Termopares;

④ Medidor de caudal de hélio e medidor de caudal de dióxido de carbono;

⑤ Computador (mostrador de diferenças de temperatura tanto analiticamente como

graficamente e de caudais e concentrações dos diferentes compostos);

⑥ Analisador da concentração de CO2.

Figura 1 – Material utilizado experimentalmente para a

realização da adsorção

11 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

2. Procedimento utilizado

1. Verificar se a estufa onde se encontra a coluna está à temperatura que se

pretende (35ºC), caso contrário, alterar o valor estabelecido no controlador de

temperatura. Se necessário, aguardar até o perfil de temperaturas na coluna ser

suficientemente uniforme (horizontal) pois, de outra forma será difícil comparar

os resultados da evolução da temperatura para os vários termopares. Esta

precaução aplica-se também quando se efetua uma experiência de dessorção.

2. Verificar se as duas válvulas direcionais estão na posição “calibração” e as

válvulas de globo nas linhas de He e CO2 estão fechadas.

3. Abrir as linhas de He e CO2 nos redutores, regulando a pressão para 3 bar

(pressão relativa).

4. Abrir a válvula de globo correspondente ao He e regular o caudal com a válvula

de agulha, de forma a obter o valor pretendido.

5. Rodar as válvulas direcionais para a posição “operação”, verificando

previamente que não alimenta CO2 à coluna. As duas válvulas direcionais

devem ser acionadas simultaneamente, de forma a nunca fechar completamente

a saída de gás do sistema.

6. Se o analisador indicar a saída de algum CO2 da coluna, aguardar até todo o CO2

ser removido.

7. Rodar novamente as válvulas direcionais para a posição “calibração” e abrir a

válvula de globo correspondente ao CO2. Regular o caudal com a válvula de

agulha, de forma a obter o valor pretendido.

8. Anotar a composição indicada pelo analisador e verificar se corresponde ao

valor pretendido.

9. Rodar as válvulas direcionais para a posição “operação”. Este instante assinala o

início da etapa de adsorção. Deve ser ativado simultaneamente a gravação de

dados em ficheiro no programa de monitorização da instalação. Verificar

durante toda a execução experimental se os caudais de He e CO2 permanecem

constantes.

10. Tomar nota da pressão na coluna no decorrer da experiência (o valor obtido no

manómetro corresponde a uma pressão relativa).

12 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800

Pe

rce

nta

gem

de

CO

2

Tempo (s)

Adsorção CO2

36

37

38

39

40

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42

0 200 400 600 800

Term

op

are

s (o

C)

Tempo (s)

Temperatura dos Termopares na Adsorção

T2

T3

T4

T5

T6

T7

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000

Pe

rce

nta

gem

de

CO

2

Tempo (s)

Dessorção de CO2

32

33

34

35

36

37

38

0 200 400 600 800 1000

Term

op

are

s (o

C)

Tempo (s)

Temperatura dos Termopares na Dessorção

T2

T3

T4

T5

T6

T7

11. Após a saída da curva de rutura, uma vez estabilizada a composição à saída da

coluna, iniciar a regeneração da mesma, fechando o caudal de CO2 na válvula de

globo correspondente. Anotar o tempo a que tal ocorre no programa de

monitorização da instalação (inicio da etapa de dessorção).

12. Aguardar até o analisador indicar uma composição nula de CO2 à saída da

coluna (final da etapa de dessorção).

3. Resultados Obtidos

Figura 2 – Gráfico mostrador da percentagem de

CO2 em função do tempo

Figura 3 – Gráfico ilustrador da variação da

temperatura dos 7 termopares em função do tempo

Figura 4 – Gráfico mostrador da percentagem de

CO2 em função do tempo no fenómeno de

dessorção

Figura 5 – Gráfico ilustrador da variação da

temperatura em função do tempo no fenómeno de

dessorção

13 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

A partir desta experiência podemos verificar que durante a etapa de

adsorção há um aumento da percentagem de CO2 na coluna de enchimento, pois este é

absorvido pelo carvão ativo existente nesta coluna. Desta forma, à medida que o CO2 se

vai acumulando na coluna observa-se o aumento gradual e individual da temperatura

nos 7 termopares, provando-se assim que, durante esta fase, ocorre uma reação

exotérmica. Quando a coluna de enchimento se encontra saturada deste gás, a

temperatura nos termopares tende a diminuir (carvão ativado deixa de absorver CO2),

porque deixa de haver reação entre os dois elementos.

Por outro lado, durante a etapa de dessorção ocorre a libertação de CO2 da

coluna, havendo então, uma diminuição da percentagem do mesmo. Consequentemente,

ocorre uma diminuição da temperatura dos termopares até ao momento em que todo o

CO2 é libertado.

Em conclusão, ao compararmos estas duas reações, podemos verificar que a

primeira liberta energia (sob a forma de calor), enquanto que a segunda absorve energia

(sob a forma de calor). Por este motivo, na primeira etapa é esperado que a temperatura

diminua, à medida que o CO2 é libertado da coluna de enchimento, enquanto na

segunda etapa é natural que, enquanto o CO2 estiver a ser absorvido, ocorra um aumento

da temperatura.

14 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Conclusão

A concentração do CO2 aumenta durante o processo de adsorção, e quando

se fecha o caudal do CO2 (início da dessorção) a concentração do CO2 diminui até

chegar a perto de 0% (fim da experiencia). Além disso, com a realização do trabalho

laboratorial, percebemos que a adsorção é um processo exotérmico, porque durante esta

fase a temperatura dos sete termopares aumenta devido à libertação de energia. Por

outro lado, a dessorção é um processo endotérmico, pois à medida que o CO2 é libertado

a temperatura dos termopares diminui, o que significa que houve uma absorção de

energia. Como é facilmente percetível nos gráficos, existe um momento na adsorção em

que a temperatura diminui ligeiramente, quando o carvão fica saturado, em que, como

deixa de ser capturado CO2, a reação deixa de libertar energia e o sistema tende para um

equilíbrio. Na fase final da dessorção, quando a concentração de CO2 está perto de zero,

a temperatura aumenta ligeiramente de modo a que o sistema encontre um equilíbrio

térmico.

Poderemos assim dizer que a adsorção é um processo muito útil pois pode

ser usado para diminuir a poluição gerada pelas indústrias através, por exemplo, do

carvão ativado, que como vimos, adsorve o CO2.

15 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Referências Bibliográficas

4. (Teixeira, Viviane G., Coutinho, Fernanda M. B., Gomes, Ailton S. 2001.

“Principais Métodos De Caracterização Da Porosidade De Resinas À Base De

Divinilbenzeno.” Quim. Nova 24 (6): 808-818. Acedido a 17 de Outubro de

2014. http://www.scielo.br/pdf/qn/v24n6/6791.pdf)

5. (Oliveira, Marcelo H. A. 2004. “Cinética E Equilíbrio De Adsorção Para

Armazenamento De Gás Natural Em Carvão Ativado”. Dissertação de Mestrado,

Universidade Federal De Pernambuco)

6. Acedido a 24 de Setembro de 2014; Site:

http:/www.lenntech.com/library/adsorption/adsorption.htm

7. Acedido a 24 de Setembro de 2014; Site: http://sigarra.up.pt/ant/feup/projectos

geral.mostra projecto?p id=960

8. Acedido a 27 de Setembro de 2014; Site:

https://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/.../262745.pdf;

9. Acedido a 27 de Setembro de 2014: Site: www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-

Environ/Adsorb/adsorb.htm;

10. Acedido a 22 de Outubro de 2014; Site:

http://www.meiofiltrante.com.br/materias.asp?id=254.

16 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

ANEXOS

17 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Anexo I - Instalação experimental e modo de operação

18 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Instalação experimental e modo de operação

Na figura 6 é apresentado o esquema da instalação experimental. Nela é

visível a coluna de adsorção e os termopares. Podemos ainda ver em baixo, à direita, o

sensor de concentração do dióxido de carbono e em cima o manómetro de pressão e os

medidores de caudal mássico. Os termopares estão colocados em posições equidistantes

ao longo da coluna, a qual se encontra dentro de uma estufa.

O gás de arrasto utilizado é o hélio. As válvulas direccionais permitem fazer

uma pré-verificação da composição da mistura He/CO2 no analisador de CO2, sem ter

que a fazer passar pela coluna. Para tal basta redirecionar a alimentação diretamente

para o detetor, curto-circuitando a coluna. Após esta pré-verificação, a mistura é

direcionada para a coluna, dando início à experiência de adsorção propriamente dita. Os

caudais dos dois gases são regulados por válvulas de agulha. Válvulas de globo

permitem interromper completamente o caudal de cada gás.

Figura 6 – Esquema representativo da atividade experimental

19 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Anexo II - Indicações especiais de operação e segurança

20 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento

Indicações especiais de operação e segurança

No final da sessão experimental colocar as duas válvulas direcionais na posição

de curto-circuito à coluna, de forma a evitar a contaminação do adsorvente com

ar exterior. Não esquecer ainda de fechar a alimentação de He e CO2 nos

manorredutores da rede de gases.

Deverão ser tomados cuidados especiais na manipulação dos manorredutores das

linhas de gás. Na abertura dum manorredutor deve-se começar sempre por

verificar se a válvula secundária está fechada. Depois abre-se a válvula principal

e verifica-se a pressão. De seguida e cuidadosamente, abre-se a válvula

secundária até à pressão desejada. Para fechar o manorredutor deve-se começar

por fechar a válvula secundária e só depois a principal.

Tomar em atenção o facto de que os medidores de caudal indicam um caudal

volúmico em condições PTN (pressão e temperatura normais: 0 ºC e 1 atm),

sendo necessário, para efeitos de cálculos, a sua conversão para as condições

reais de operação.