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PQI-2321 Tópicos de Química para
Engenharia Ambiental I
Adsorção Aula 01
Prof. Moisés Teles
Departamento de Engenharia Química
Escola Politécnica da USP
Introdução
Adsorvente: o sólido que adsorve .
Adsorvato: componente atraído pela superfície sólida.
Exemplos.
Bicarbonato de sódio e carvão ativado na geladeira para remover odores.
Ar comprimido passando através do cloreto de cálcio para remover vapor de água
(secagem).
Ar comprimido passando através de carvão ativado para remover hidrocarbonetos
(purificação).
Máscara contra gás tóxico.
Atração de espécies químicas presentes em gases/líquidos por uma superfície sólida
Processo de separação
Introdução
Grande área superficial.
320 m2/g carvão ativado (29,6 campos de futebol em 1 kg)
1500 m2/g Carboxen-1012®
Porosidade
Micro, meso e macroporos
Esquedo et al., 2014.
X Encontro Brasileiro sobre Adsorção.
Adsorventes
Alumina
Sílica gel.
Peneiras moleculares (zeólitas).
MCM-41, MCM-48...
Carvão ativado
Resinas poliméricas
Nanotubos de carbono.
Introdução: adsorção vs absorção
Adsorção
Acúmulo/adesão de espécies químicas na superfícies de um sólido em contato com um
fluido (gás ou líquido).
Exemplo: remoção de contaminantes de um efluente usando um material adsorvente.
Absorção
Um componente de uma mistura gasosa se dissolve em um solvente (líquido).
Exemplo: remoção de CO2 de gás natural por contato com líquido (DEA)
http://www.co2crc.com.au/images/researchpics/solvent_absorpti
on.jpg http://journals.sfu.ca/coactionbks/index.php/Bindslev/article/view
File/3/16/267
Motivação: Adsorção e Engenharia Ambiental
Atração de espécies químicas presentes em gases/líquidos por uma superfície sólida
Processo de separação
Remoção de contaminantes de um efluente
Motivação: Adsorção e Engenharia Ambiental
Exemplos de aplicação
Remoção de metais pesados (Cr+3, Pb+2, Cd+2, Ni+2, Cu+2) de efluentes industriais
usando diferentes adsorventes.
Remoção de contaminantes orgânicos (pesticidas, antibióticos, fenóis etc) de água
usando diferentes adsorventes.
Remoção de corantes de efluentes industriais usando diferentes adsorventes.
Remoção de enxofre em combustíveis usando diferentes adsorventes.
Remoção de odor, cor e aroma de água (carvão ativado).
Adsorvente
Contaminante
em alta concentração
Contaminante
em baixa concentração
Qual quantidade de adsorvente necessária para uma dada vazão de efluente e
concentração de entrada?
Qual tempo de contato entre o adsorvente e o adsorvato? Equilíbrio e Cinética
Adsorção e Dessorção
http://www.naturaltec.com.br/images/Carvao-Ativado-raiz.jpg
A + B AB ka velocidade: ra
AB A + B kd: velocidade rd
A: adsorvato
B: adsorvente
Cinética
Equilíbrio
da rr Velocidade líquida:
Velocidade líquida = 0
Cinética
Modelos Cinéticos
dat rr
dt
dqVelocidade líquida:
qt = quantidade adsorvida por grama de adsorvente no tempo “t” (mg/g)
Modelo de pseudoprimeira ordem
)(1 tet qqk
dt
dq qe = quantidade adsorvida por grama de adsorvente no equilíbrio
(mg/g)
Modelo de pseudossegunda ordem
2
2 )( tet qqk
dt
dq qe = quantidade adsorvida por grama de adsorvente no equilíbrio
(mg/g)
Equilíbrio
0 dat rr
dt
dqVelocidade líquida:
qt = quantidade adsorvida por grama de adsorvente no tempo “t”,
Isotermas de Adsorção
Dados de equilíbrio de um adsorvato sobre um adsorvente a uma determinada temperatura.
Dados de equilíbrio de CCl4 em carvão ativado a 34 °C
P (mmHg) 0 1,69 3,38 6,76 8,45 11,8 20,7 32,1 40,0 84,5 104 123 133
g CCl4/g
carvão
0 0,07 0,14 0,27 0,34 0,48 0,57 0,63 0,68 0,70 0,71 0,71 0,7
1
Isotermas de adsorção
Isoterma de Freundlich
1
1
npkym
x
x : massa do soluto/gás adsorvido.
m: massa do adsorvente.
y: massa de adsorvato por massa de adsorvente.
p: pressão parcial do adsorvato na fase gasosa.
x: massa de soluto por massa de solução na fase líquida.
K, n: constantes experimentais.
Para um gás 2
2
nxkym
x Para um líquido
Isotermas de adsorção
Isoterma de Langmuir
Para um gás Para um líquido
pK
paKy
L
L
1cK
caKy
L
L
'1
'
a, KL e K’L : constantes experimentais.
c: concentração do soluto na fase líquida
Seader and Henly, 2011
A baixas pressões do adsorvato, as isotermas podem ser lineares.
Kcy
pKy '
Isotermas de adsorção
Quantidade adsorvida/massa de adsorvente
Quantidade no fluido / L de fluido
Coeficiente de partição de sorção do solo (Koc)
Usado em aplicações ambientais.
Caracteriza a partição de um componente entre a fase sólida e líquida no solo
(mobilidade de um componente no solo).
KOC = μg de composto adsorvido / g de C orgânico no solo
μg de composto na fase líquida / mL de líquido na fase líquida
Introduction to the Sorption of Chemical Constituents in Soils
Thompson, Goyne © 2012 Nature Education
Adsorção combinada com Balanço de Massa
Projeto de equipamentos de adsorção
PROCESSO
G, massa de transportador
A, massa de adsorvente y0 = massa de soluto / massa de adsorvente
y1 = massa de soluto / massa de adsorvente A, massa de adsorvente
x0 = massa de soluto
/ massa de G
G, massa de transportador
x1 = massa de soluto
/ massa de G
Gás ou líquido
sólido
Adsorção combinada com Balanço de Massa
Projeto de equipamentos de adsorção
PROCESSO
G, massa de transportador
A, massa de adsorvente y0 = massa de soluto / massa de adsorvente
y1 = massa de soluto / massa de adsorvente A, massa de adsorvente
x0 = massa de soluto
/ massa de G
G, massa de transportador
x1 = massa de soluto
/ massa de G
Gás ou líquido
sólido
Adsorção combinada com Balanço de Massa
Correntes de saída em equilíbrio.
Massa G (carreador) e massa A (adsorvente) livres de soluto
Contaminante diluído: G aproximadamente igual ao escoamento total.
PROCESSO
G, massa de transportador
A, massa de adsorvente
y0 = massa de soluto / massa de adsorvente
y1 = massa de soluto / massa de adsorvente A, massa de adsorvente
x0 = massa de soluto
/ massa de G
G, massa de transportador
x1 = massa de soluto
/ massa de G
Entrada = saída
G(x0 – x) = A (y1 – y0)
Quantidade adsorvida em função da
quantidade no fluido
Isoterma
Ex. y = 37,92x0,583
O que acontece se o adsorvente for usado de forma contínua? Quais modos de operação?
Como o adsorvente é regenerado?
EXERCÍCIOS DA LISTA