PQI-2321 Tópicos de Química para Engenharia Ambiental I · Motivação: Adsorção e Engenharia Ambiental Exemplos de aplicação Remoção de metais pesados (Cr+3, Pb+2, Cd+2,

PQI-2321 Tópicos de Química para

Engenharia Ambiental I

Adsorção Aula 01

Prof. Moisés Teles

[email protected]

Departamento de Engenharia Química

Escola Politécnica da USP

mailto:[email protected]

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


Adsorção

Absorção

Fase fluida

Fase fluida

Fase fluida

Fase sólida


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


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 '


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



/ massa de G

Gás ou líquido

sólido


Projeto de equipamentos de adsorção

PROCESSO


A, massa de adsorvente y0 = massa de soluto / massa de adsorvente



/ massa de G



/ massa de G

Gás ou líquido

sólido


Correntes de saída em equilíbrio.

Massa G (carreador) e massa A (adsorvente) livres de soluto

Contaminante diluído: G aproximadamente igual ao escoamento total.

PROCESSO


A, massa de adsorvente

y0 = massa de soluto / massa de adsorvente



/ massa de G



/ 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

FIM

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