UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCOCENTRO DE TECNOLOGIA E
GEOCINCIASDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICALABORATRIO DE ENGENHARIA
QUMICAADSORORecife, Junho de 2011NDICE1.
INTRODUO........................................................................................................................................2
2. OBJETIVOS
.............................................................................................................................................3
3. FUNDAMENTAO
TERICA..........................................................................................................3
4. PROCEDIMENTO
EXPERIMENTAL................................................................................................5
5. RESULTADOS E DISCUSSES
...........................................................................................................8
5.1 EQUILBRIO DE ADSORO
LQUIDO/SLIDO..................................................................................................8
1. INTRODUOEm um sistema que constitudo por uma fase condensada em
contato com uma soluo ou comumamistura,
geralmentehumaumentooudiminuiodaconcentraodosolutona interface
lquido/slido, esse fenmeno denominado adsoro.Interaes fluido-slido,
envolvendo contato de componentes de fases fluidas comas superfcies
de slidos podem destacar efeitos fsicos e/ou qumicos. No processo
adsortivo as espcies das fases fluidas aderem e so ou no retidas
nas superfcies em dois principais nveis de interao. Um primeiro
tipo, de natureza fsica, dito adsoro fsica. Interaes mais fortes,
anvel energticodereaesqumicassoidentificadoscomoadsoroqumica.
Etapasde liberao dos componentes adsorvidos incorrem sobre o
fenmeno de dessoro.Aps ocorrer o processo de adsoro, o fluido fica
retido na superfcie do slido at que ocorra a reaoe,apsafinalizao
destaha separao dosprodutos formados, sendo estaetapa
2chamadadedessoro. Duranteaadsoro,
asmolculasdofluidoperdemenergiaparaas vizinhanas ao aderirem no
slido. Para ocorrer o processo inverso, conhecido como dessoro,
necessrio que haja fornecimento de energia molcula para que esta se
separe do slido, resultando em uma diminuio da temperatura.Para
odesenvolvimentodoprocessode adsoro, pode-seutilizar
umleitooucolunade partculas granulares porosas ou permeveis para a
remoo seletiva de um componente valioso ou de um sem valor, de uma
alimentao gasosa ou lquida. O leito pode ser fixo ou fluidizado.
Acomposiodaalimentaoeavazopodemser constantesouvariveis. Combaseem
mediespossvel determinar-seaquantidadedefluidoquefoi adsorvida,
assimpode-se propor ummodelo que descreva como a reao se processa,
combase emparmetros importantes mensurados durante o experimento.2.
OBJETIVOSEstudar a adsoro do cido actico em carvo ativado atravs da
titulao com Hidrxido de sdio; verificar a adsoro de gua emuma
coluna de slica atravs de uma frente de propagao formada e
acompanhar a dessoro de gua emslica quando posta emum dessecador.3.
FUNDAMENTAO
TERICAInteraesnassuperfciesdeslidosnosentidodetransformaesdecomponentesdefases
fluidas retidos sobre elas podem envolver reaes qumicas conduzindo
ao processo cataltico. Asespciesadereme so retidas nas superfciesem
dois principaisnveis de interao. Um primeironvel, denaturezafsica,
ditoadsorofsica. Interaes mais fortes, emnvel energtico das reaes
qumicas, so identificados como adsoro qumica.[3]Omodelomais simples
das isotermas deadsoroomodelodeLangmuir. Ateoriade Langmuir assume
que todas as foras que atuam na adsoro so similares em natureza
quelas que envolvem uma reao qumica. Este modelo tem as seguintes
consideraes implcitas: Um sistema ideal;
Asmolculassoadsorvidaseaderemsuperfciedoadsorventeemstiosdefinidose
localizados, com adsoro em monocamada; Cada stio s acomoda uma nica
molcula;3AsnA A As Aq C K q q1 1 1 1+
,`
.| A energia da molcula adsorvida a mesma em todos os stios da
superfcie e no depende
dapresenaouausnciadeoutrasmolculasadsorvidasnosstiosvizinhos,
ouseja, a interao entre as molculas adsorvidas desprezvelEsta
isoterma pode ser representada por:
Onde K a constante de adsoro. Esta isoterma do tipo favorvel.
Quando K grande e K.C 1, a isoterma extremamente favorvel, e quando
K.C < 1, a isoterma aproximadamente linear. A isoterma de
Langmuir derivada assumindo uma superfcie uniforme, no entanto,
vlida para gases que no so fortemente adsorvidos.Outra isoterma
bastante utilizada a de Freundlich. Esta isoterma corresponde a uma
distribuio exponencial de calores de adsoro. Para isotermas
fortemente favorveis a equao emprica de Freundlich freqentemente
uma melhor opo. Os sistemas reais podem ser melhor representados
por este tipo de isoterma que pode ser expressa por:Onde K e 1/n so
constantes e 1/n < 1. Os valores de K e n so constantes que
dependem de diversos fatores experimentais e se relacionamcoma
distribuio dos stios ativos e a capacidade de adsoro do
adsorvente.Aisoterma de Freundlich, apesar de ser emprica,
apresenta freqentemente uma melhor adequao dos pontos do que a de
Langmuir, especialmente para adsoro de lquidos e tem sido
vastamente utilizada na prtica industrial. Para a determinao da
quantidade adsorvida de um componente na saturao e da constante de
equilbrio no sistema, pode-se ainda se utilizar do modelo de
Langmuir-Freundlich (Equao 3), que corresponde a uma combinaodos
modelos de Langmuir (Equao1) e Freundlich (Equao 2). (3)O contato
fluido-slido num sistema a leito fixo constitudo de partculas
porosas converge nos processos fsicos e qumicos de separao para
interaes do fluido na superfcie do slido. A 4C K 1C Kqqsat..+(1)n1C
K q . (2)Ads A sAr mdtdCV, ]]]
,`
.| + + AAA AAsAAsA AdsAKCC CK VmCqkdtdC0012 , + (1 )cs As Auuq
KscLtufase fluida em escoamento estabelece contato com a superfcie
externa das partculas do leito e, nestas condies, componentes
migram para o interior da estrutura porosa, detentora de grande rea
superficial. Determinada a quantidade adsorvida no equilbrio e a
constante de velocidade da reao, possvel se propor um modelo para
descrever a taxa de adsoro no sistema:(4)Sendo V o volume da fase,
ms a massa de slido e rA,Ads a taxa de adsoro. Segundo Langmuir, a
taxa de adsoro pode ser representada segundo a Equao (5) (FOGLER,
2002), que
combinadacomaEquao(4)resultanomodeloparaadescriodoprocesso,
deondese podem obter os valores das constantes de adsoro e dessoro.
rA,Ads = kAds,A .CA(1 A) + kD,A.CA.A(5) (6)Onde kAds,A a constante
de adsoro do sistema, kD,A a constante de dessoro do sistema e a
frao de molculas adsorvidas em um determinado intervalo de
tempo.Construdoomodeloquedescreveadinmicadeadsoro,
pode-seentofazerautilizao deste na operao de umreator contnuo, coma
finalidade de observar se o mesmo representativo para o processo,
descrito pelo emprego da equao mostrada a seguir:(8)(9)Onde a
porosidade do leito, s a densidade do slido, (uc) velocidade da
frente de adsoro, (ts) tempo de saturao na coluna, L o comprimento
do reator, u a velocidade de escoamento do fluido.Por esta equao
pode-se observar que a velocidade de propagao diminui com o
abaixamento da porosidade do leito. Este modelo permite compreender
os fenmenos que ocorrem no interior deumleitorecheadodeadsorvente,
queumprocessobastanteutilizadoemprocessode engenharia.4.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL1. Equilbrio de Adsoro
Lquido/Slido.5Materiais utilizados Balana analtica; Erlenmeyers;
Esptula; Slica; cido actico; Bureta;ProcedimentosForam
preparadassolues de cidoactico com as seguintesconcentraes:
0,01M,0,02M, 0,05M, 0,1M, 0,25M e 0,5M. Pesou-se 1g de carvo
ativado e adicionou-se a cada soluo. Em intervalos de 5 minutos
agitou-se a soluo at que se completassem 30minutos. Em seguida, a
soluo foi deixada em repouso por mais 30 minutos e em seguida foram
realizadas filtraes. Da soluo filtrada, retiraram-se alquotas de
10mL e titulou-se com Hidrxido de Sdio 0,1M, anotando-se o volume
utilizado em cada titulao. 2. Adsoro Gs/SlidoMateriais utlizados
Balana analtica; Dessecador; Slica; Higrmetro; CronmetroPesou-se
uma massa de slica que foi posta em um vidro de relgio no interior
de um dessecador (2 L), e se comeou a marcar o tempo. Atravs de um
higrmetro foi acompanha a diminuio daumidadenointeriordodessecador,
fazendo-seestaatquenohouvessemaismudana
significativaparaosvaloresnotempo.
ComosdadosExperimentaisobtidospossvel se determinar a concentrao de
gua na slica.Usando uma balana analtica, pesou-se uma massa de
0,5636 g de slica gel previamente seca em uma estufa a 100C para
retirada da umidade. 6Cilindro de NitrognioRotmetro de GsGarrafa de
guaColuna Recheadacom SlicaBolhmetroNo incio da pesagem, acionou-se
um cronmetro. Manteve-se a balana ligada e aberta para que a slica
pudesse adsorver a umidade do ar. Repetiu-se a pesagem a cada 30
segundos at que no mais ocorresse variao significativa da massa.3.
Adsoro em Processo ContnuoMateriais utlizados Cilindro contendo gs
Nitrognio; Recipiente para gua destilada; Coluna de adsoro;
Bolhmetro; Mangueiras e conexes;Para a obteno dos dados
experimentais, foi montado o esquema mostrado na Figura 1, atravs
do qual pde se acompanhar a frente de adsoro em funo do
tempo.Figura 1 Esquema de Montagem Experimental7A coluna foi
preenchida com a slica-gel, com a finalidade de observar a frente
de adsoro pela mudana de colorao de slica (de azul a rosa) devido
passagem de um gs contendo certo teor de umidade que ser
removida.Abriu-se a vlvula do cilindro, ajustando-a para uma presso
baixa (em torno de 1,5 atm) e se controlouavazopelorotmetro.
Avazodogs(nitrognio+umidade) foi medidacom auxlio de um bolhmetro e
de um cronmetro na sada da coluna. Acionou-se o cronmetro assim que
se iniciou a operao e, a cada 0,5 cm de deslocamento da frente de
adsoro marcou-se o tempo. Mediu-se o dimetro interno da coluna, a
altura do leito, sua densidade aparente, para a determinao da
porosidade.5. RESULTADOS E DISCUSSES5.1 Equilbrio de adsoro
lquido/slidoAps 30minutos de agitao intercalada em 5minutos, e mais
30minutos em repouso, retirou-se 10mL da soluo filtrada para que se
pudesse titular com uma soluo de Hidrxido de Sdio 0,1M previamente
padronizada. Atravs dos volumes obtidos se pde calcular a
concentrao final da soluo de cido actico e ento calcular o
percentual de cido adsorvido (os resultados obtidos encontram-se em
anexos):Figura 2 - C0 do HAc. x Percentual adsorvidoApesar de
ogrficonotornar evidente, era esperadoque houvesse uma diminuiodo
percentual de cido actico adsorvido medida que se aumentasse sua
concentrao, uma vez que a quantidade de cido que pode ser adsorvida
limitada pela massa de carvo adicionada, que se manteve constante e
igual a 1g, assim um aumento da concentrao no acompanhado pelo
aumento da massa de carvo permite que haja maior quantidade de cido
no adsorvido.8O erro encontrado , possivelmente, devido impreciso
do volume aferido na bureta quando estemuitopequeno,
ouporquerealmenteadicionou-semaisbasedoquenecessriopara virada,
poisaquantidadeeramnima.
Descartando-seosdoisprimeirospontosoresultado torna-se mais
coerente.A partir do volume gasto na titulao, pde-se construir a
isoterma de Langmuir-Freundlich. Os dados obtidos esto em
anexos:Figura 3 Isoterma de Langmuir-FreundlichEra esperado que a
isoterma apresentar-se linear uma vez que foram feitos os
procedimentos de linearizao, no entanto no foi obtida tal
linearizao o que impossibilita o clculo do qsat e do KA.5.2 Adsoro
gs/slidoAtravs dos dados coletados se construiu o grfico a
seguir:9Figura 4 q (g gua/g slica) versus tempoEra necessrio um
maior tempo para que se pudesse obter o qeq, uma vez que ele
corresponde ao q quando o grfico encontra-se paralelo ao eixo das
abscissas. Estima-se qeq= 0,06 com teq= 5000s.Figura 5 - Diminuo da
umidade relativa x tempoFoi observada uma diminuio da umidade
relativa no dessecador ao longo do tempo. Tambem notavel que a
umidade mantem-se aproximadamente constante, em torno de 37% nos
ultimos instantes.10colunaslicaVmassa
,`
.|
1Sabe-sequeaumidaderelativaumarelaoentreamassadeguanoareapressode
saturao quela temperatura. Uma vez que a temperatura ambiente
girava em torno de 28C (estimativa) atravs do diagrama psicromtrico
(em anexos) obtem-se W = Ceq = 0,0088gH2O/ gar.Assim, tem-se:K =
qeq/Ceq = 0,06/0,0088 = 6,818 g de ar/ g de slicaKA = K.qeq =
6,818*0,06 = 0,409s-1 5.3 Processo Contnuo de adsoroFoi montado o
esquema apresentado com a vazo mantida constante e igual a
0,17mL/min, aferida em triplicata atravs do bolhmetro. Os valores
experimentais so mostrados abaixo:Tabela 01 Altura da frente de
propagaoAltura (cm) Tempo(s)1,5 3123 6504,5 9306 12007,5 18009
3112Dados:- Massa de slica = 18,2431 g- Massa especfica da slica =
1,373 g/cm3- Vazo mdia = 0,17 mL/min- Altura da coluna = 20 cm-
Dimetro da coluna = 1,5 cmA velocidade da frente de propagao pode
ser obtida como:uc = z/t = 9/(3112/60) cm/min. = 0,174cm/min.A
porosidade do leito foi calculada como:
= 1 (18,2431/1,373)/(*0,752*20) = 0,62u = vazo/(Ax) =
0,17cm3.min-1 / (1,77cm2.0,62) = 0,155cm/minO valor terico obtido
seria de:11") 1 ( KuuSc + = 0,037cm/minA diferena entre os dados
tericos e experimentais se deu devido a alguns fatores como a falta
de estabilidade da vazo do nitrognio, ocasionando variaes da vazo e
o arranjo da slica no leito, havendo assim caminhos preferenciais.O
tempo terico de saturao pode ento ser calculado:ts = L/uc =
20/0,037 = 539min.Devido aos erros previamente citados o valor
mostrou-se excessivamente elevado. CONCLUSOAtravs dos dados
coletados e analisados pde-se analisar e compreender melhor os
fenmenos envolvidos nos processos adsorvitos.O estudo do equilbrio
de adsoro lquido/slido no obteve resultados satisfatrios, uma vez
que no foi possvel linearizar a reta. A adsoro gs/slido para que
pudesse ser estudada teve deserealizar umaestimativamuitogrande,
pormos resultados foramsatisfatrios. Jo processo contnuo de adsoro
apresentou um tempo terico de saturao muito elevado devido aerros
citados anteriormente. Porm, demaneirageral os resultados
encontrados estode acordo com a teoria estudada.REFERNCIAS
BIBLIOGRFICAS1. ABREU, C. A. M.; FILHO, N. M. L.. Adsoro.
ApostiladeAula. DEQUFPE- Recife, 1999.2. McCABE, W. L.; SMITH, J.
C.; HARRIOTT, P. Unit Operations of Chemical Engineering. 5 Ed.
McGraw-Hill.3. PERRY, R. H.; GREEN, D. W.Perrys chemical engineers
handbook. 7Ed. - McGraw-Hill USA. 4. FOX, R. .W.; McDONALD, A.
T.IntroduoMecnicadosFluidos.4Ed. Revista. LTC.127. ANEXOS13Figura
XXX. Diagrama PsicromtricoFonte: Tabela 01 - Equilbrio de adsoro
lquido/slidoConc. Inicial Hac. (mol/L)VNaOH_Inicial
(mL)n_Hac_Inicial (mol)VNaOH_Final (mL)n_Hac_Final (mol)n_HAc
_adsorvido (mol)q (g_Ac./g_carvo)Conc. Ac. _Eq. (g/L) 1/q (g/g) 1/C
(L/g) 1/q (g/g)0,01 9 0,000101 8,9 9,10E-05 1,00E-05 1,06E-03
0,540594059 9,39E+02 1,8498168 1,06E-030,02 9,2 0,0001894 9,05
1,74E-04 1,50E-05 1,60E-03 1,030788177 6,26E+02 0,9701314
1,60E-030,05 9,4 0,0002752 9,2 2,55E-04 2,00E-05 2,13E-03
1,501323529 4,70E+02 0,6660789 2,13E-030,1 10 0,0003712 9,4
3,11E-04 6,00E-05 6,39E-03 1,761367925 1,57E+02 0,5677406
6,39E-030,25 5 0,0004242 2,7 1,94E-04 2,30E-04 2,45E-02 0,947317073
4,08E+01 1,0556128 2,45E-020,5 10 0,0005555 5 5,55E-05 5,00E-04
5,32E-02 0,222 1,88E+01 4,5045045 5,32E-0214
