Adsorção em coluna de enchimento

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1 Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente 1º Ano Relatório do Projeto FEUP Adsorção em coluna de enchimento Trabalho realizado por: Cristiana Cardoso Hugo Monteiro Professor: José Miguel Loureiro Monitora: Viviana Lima de Sousa Octávia Vieira Tiago Monteiro Grupo 1 da turma MIEA103 Outubro de 2014

2 Resumo Após a realização deste trabalho, conclui-se que: O carvão ativado é usado em vários setores, tais como tratamento de efluentes, tratamento de água, tratamento de ar, indústria alimentícia, adsorção de gases, entre outros, uma vez que a sua utilização apresenta diversas vantagens, mas as de maior destaque são a sua flexibilidade e a sua reutilização. O carvão ativado é um bom adsorvente, porque tem uma área específica elevada, o que é verificado pela sua estrutura porosa. Por isso, é um dos componentes utilizados no processo de adsorção que se efetuou. Outro componente utilizado foi o CO2, uma vez que este gás passou pela coluna e entrou em contato com o carvão ativado lá inserido, a fim de ser estabelecido um equilíbrio entre esta fase e a fase sólida, consequentemente, ficar retido por este, até ficar saturado, e se obter um efluente purificado. 2 Outubro de 2014

3 Índice Introdução Experiência: Adsorção em coluna de enchimento... 8 Metodologia... 8 Condições:... 8 Procedimento:... 8 Esquema da instalação experimental... 9 Resultados Gráfico correspondente à etapa da adsorção: Gráfico correspondente à etapa da dessorção: Recomendações Conclusão Bibliografia Anexos Outubro de 2014

4 Introdução No âmbito da unidade curricular Projeto FEUP foi-nos proposto a elaboração de um relatório sobre a experiência Adsorção em Coluna de Enchimento, assim como as diversas aplicações do carvão ativado. O carvão ativado é uma substância que fora previamente tratada para abrir milhares de pequenos poros entre os átomos de carbono. O carvão ativado é amplamente usado para adsorver substâncias (Ebah, 29 de Março de 2013). A adsorção é um processo em que um componente presente numa corrente gasosa ou líquida é retido na superfície dos poros de um sólido adsorvente, (neste caso o carvão ativado). Existem dois tipos de adsorção: a adsorção química e a adsorção física. Sendo que a principal diferença entre estes dois tipos de adsorção é a quantidade de energia libertada, na adsorção química é libertada muito mais energia do que na adsorção física. Na experiência realizada pelo nosso grupo ocorre adsorção física. A adsorção física ocorre quando as moléculas do adsorvente interagem, formando ligações de Van der Waals, as reações são fracas e não formam ligações químicas. No caso da adsorção física, a natureza do adsorvente não é alterada, embora possa ser deformada pela presença dos campos de força da superfície. A porosidade dos carvões ativados é um dos aspetos mais importantes para a avaliação de seu desempenho. As diferenças nas características de adsorção estão relacionadas com a estrutura dos poros do material, que podem variar de tamanho (Meio-Filtrante, ). Esta substância é usada em vários setores, tais como tratamento de efluentes, tratamento de água, tratamento de ar, indústria alimentar, adsorção de gases, entre outros. A utilização do carvão ativado apresenta várias vantagens, mas as de maior destaque são a flexibilidade e a reutilização, visto que no carvão ativado existe uma grande capacidade dos produtos serem adaptados especificamente às necessidades do utilizador. Por outro lado, é económico, porque este adsorvente pode ser reciclado, por reativação térmica, para reutilização. A reativação envolve o tratamento do carvão gasto num forno a alta temperatura. Durante este processo de tratamento, os compostos orgânicos indesejáveis sobre o carvão são destruídos termicamente. A reciclagem de reativação térmica é um processo altamente qualificado para garantir que o carbono gasto é devolvido com qualidade para ser reutilizado (Filtros de ar 2009). 4 Outubro de 2014

5 Além disso, o carvão ativado é uma ferramenta fundamental na diminuição da emissão de gases de efeito de estufa, nomeadamente o dióxido de carbono. O dióxido de carbono, originado pela combustão de combustíveis fósseis: petróleo, gás natural, carvão, desflorestação (libertam CO2 quando queimadas ou cortadas). Este é responsável por cerca de 64% do efeito estufa (Rui Meira, 2002). A captação e armazenamento de dióxido de carbono (CAC) é uma nova tecnologia com grande potencial para ajudar a combater as alterações climáticas. À semelhança de todas as novas tecnologias, é importante analisar cuidadosamente os seus possíveis impactos no ambiente e na saúde humana. A CAC implica a captação de dióxido de carbono junto de centrais elétricas ou instalações industriais, o qual é posteriormente transportado para locais específicos e injetado em formações geológicas das quais não se possa escapar. As formações geológicas indicadas para o efeito podem situar-se ao largo ou em terra, como sejam campos petrolíferos ou de gás esgotados ou aquíferos salinos, a vários quilómetros abaixo do nível do mar ou do solo. Em suma, a captação e sequestração são processos de remoção de gases com efeito de estufa da atmosfera. O processo pode ser biológico (absorção de CO2 pelas plantas, através da fotossíntese) ou geológico (armazenamento de CO2 em reservatórios subterrâneos) (Comissão Europeia, 2012). Figura 1 - CO2 acumulado capturado no período e até 2050 (cenário 2DS). Fonte AIE (Agência Internacional de Energia), Outubro de 2014

6 O carvão ativado é uma substância utilizada em várias áreas, visto que possui uma capacidade de adsorção elevada. Na área da medicina, o uso de carvão ativado é considerado atualmente um dos mais eficientes tratamentos em casos de intoxicações, sobretudo quando o socorro é realizado até 5 horas após a intoxicação. O carvão ativado adsorve a substância tóxica e diminui a quantidade disponível para absorção pelo sistema digestivo. Os seus efeitos colaterais são mínimos. As substâncias tóxicas adsorvidas nos poros são eliminadas com o carvão através das fezes (wikipédia, 3 de Abril de 2014). O ritmo acelerado da industrialização contribui largamente para a poluição das águas. Desta maneira, tem-se a necessidade de métodos eficazes para o tratamento das águas residuais. Existe uma ampla utilização do carvão ativado na purificação de água, seja para consumo de água potável ou para fins industriais. O carvão ativado elimina cor, odor, mau gosto, remove substâncias orgânicas dissolvidas através do mecanismo de adsorção. Águas de rios, mesmo após filtração, podem conter inúmeros compostos orgânicos dos quais, normalmente, apenas uma pequena fração pode ser identificada. Outras vezes, podem estar contaminadas por resíduos de pesticidas, herbicidas ou inseticidas, usados na agricultura. Estes poluentes, além de afetarem o odor e sabor, podem apresentar efeitos tóxicos sobre os seres humanos. Nos sistemas de tratamento de águas municipais é comum a utilização do carvão ativado pulverizado, em dosagens variadas, onde adsorve compostos indesejáveis e é removido, posteriormente, nos decantadores. Desta forma, a população fica livre da ação destes compostos prejudiciais à saúde. Agentes químicos, como o cloro e hipoclorito, são empregados para desinfetar ou oxidar materiais orgânicos da água. Nestes casos, o excesso do oxidante permanece na água e deve ser removido. A solução simples e económica amplamente utilizada para estas situações é a decomposição catalítica do agente oxidante sobre a superfície do carvão ativado (Meio Filtrante, Outubro de 2006). 6 Outubro de 2014

7 O carvão ativado tem um papel importante para uma purificação do ar com qualidade e é usado de várias maneiras pelos fabricantes de autopeças e automóveis. Os filtros com carvão ativado param tanques de combustível e reduzem a emissão de hidrocarboneto da gasolina dos carros e caminhões. Além disso, muitos carros incluíram recentemente um sistema de purificação de ar que utiliza carvão ativado nos seus filtros de ar interno (cabot br produto norit activated carbon, 2013) Na indústria química é utilizado para a purificação de produtos, remoção de cores residuais, odores e contaminantes. A sua ação abrange vários seguimentos da indústria, como a remoção de orgânicos, purificação de ácidos, desodorização e descoloração de produtos químicos, bem como a utilização como catalisador devido à grande área superficial e inércia química. Também possui eficiente utilização na purificação de ar, de gases, recuperação de solventes, como filtros de compostos orgânicos voláteis em automóveis, além disso, pode ser utilizado em máscaras para proteção pessoal (Guaramex). O carvão ativado é usado, por exemplo, em ETAs (Estações de tratamento de águas) em que, num dos muitos passos pelos quais a água passa, a mesma é sujeita a uma filtração em que partículas muito pequenas e em grande número necessitam ser retiradas. A capacidade de adsorção do carvão ativado é usada neste passo, adsorvendo estas mesmas partículas. Como esta capacidade de adsorção é elevada, então há uma grande eficácia na remoção das partículas indesejadas, ficando a água muito mais pura. Assim o carvão ativado é usado nesta parte importante do processo de tratamento da água. Pode também da mesma forma ser usado em tratamento de efluentes, usando um princípio parecido. Além disso, pode ser usado para adsorver gases. Neste caso, o carvão ativado adsorve gases indesejados, que podem ser, por exemplo, poluentes. Há um tratamento do ar, em que gases nocivos ou perigosos não são libertados. Também se pode purificar um gás que ia ser libertado ou ser usado na recuperação de solventes na indústria de tintas, adesivos, têxtil e de impressão (Guaramex). 7 Outubro de 2014

8 Experiência: Adsorção em coluna de enchimento Metodologia Condições: Caudal de He = 3,0 dm 3 PTN/min Caudal de CO2 = 0,16 dm 3 PTN/min Temperatura (inicial) na coluna = 35ºC Tempo inicial da etapa de adsorção = 536,6s Tempo inicial da etapa de dessorção = 1655,4s Procedimento: 1º) Colocar a coluna de enchimento à temperatura de, aproximadamente, 35ºC e aguardar até o perfil de temperaturas ser suficientemente uniforme. 2º) Averiguar se as duas válvulas direcionais estão na posição de calibração e as válvulas de globo nas linhas de hélio e dióxido de carbono estão fechadas. 3º) Em seguida, abrir as linhas de hélio e dióxido de carbono no redutor, regulando a pressão para, aproximadamente, 3 bar. 4º) Abrir a válvula de globo do hélio e regular o caudal deste gás com a válvula de agulha, a fim de obter, aproximadamente, 3,0 dm 3 PTN/min. 5º) Sem passar CO2 na coluna de enchimento, rodar no mesmo instante as válvulas direcionais para a posição operação. 6º) Aguardar até todo o dióxido de carbono ser removido. 7º) Rodar novamente as válvulas direcionais para a posição calibração e abrir a válvula de globo correspondente ao dióxido de carbono. Também regular o caudal com a válvula de agulha para obter, aproximadamente, 15 dm 3 PTN/min. 8º) Anotar a composição indicada pelo analisador. 8 Outubro de 2014

9 9º) Rodar as válvulas direcionais para a posição operação. Neste instante, inicia-se a etapa da adsorção e deve-se anotar o tempo correspondente a esse instante. Também verificar se os caudais de dióxido de carbono e de hélio permanecem constantes. 10º) Tomar nota da pressão na coluna ao longo da experiência, tanto para a adsorção como para a dessorção. 11º) Quando a composição à saída da coluna se estabilizar, fechar o caudal de dióxido de carbono na válvula de globo correspondente. Assim, inicia-se a etapa de dessorção. Também se anota esse instante. 12º) Aguardar até a composição de dióxido de carbono ser nula à saída da coluna. Nesse instante, finaliza-se a etapa de dessorção. Esquema da instalação experimental Figura 2 - Esquema da instalação experimental 9 Outubro de 2014

10 Temperatura(ºC) %CO2 Adsorção em coluna de enchimento Resultados Gráfico correspondente à etapa da adsorção: Analisando o gráfico 1, concluímos que do instante 0s ao instante 632,5 s há um aumento significativo da percentagem de dióxido de carbono na coluna. Tal acontece, porque a quantidade de dióxido de carbono que está a sair da coluna aumenta devido à menor quantidade de dióxido de carbono que reage com o carvão ativado. Isto indica-nos que a partir do instante 632,5 segundos o carvão ativado pode ter atingido o seu ponto de saturação. Em geral, o 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Gráfico da adsorção t bp t est Tempo(s) Gráfico 1 Função da %CO2 em função do tempo na adsorção tempo ao qual a concentração atinge 5% do valor máximo é designado tempo de ruptura, tbp(breakthrough time). Ao fim deste tempo a coluna deve ser regenerada, uma vez que a corrente gasosa começa a sair contaminada. O tempo de cedência é sempre inferior ao tempo estequiométrico(t est). (DEQ. (Fevereiro de 2008). Práticas de ENGENHARIA QUÍMICA VI - Adsorção em Coluna de Enchimento. FEUP). Analisando o gráfico da temperatura em função do tempo (Gráfico 2), concluímos que há um momento em que a temperatura de cada termopar atinge um máximo, o que indica que a adsorção que está a ocorrer é uma reação entre o carvão ativado e o dióxido de carbono denominada de reação exotérmica, ou seja, que liberta energia sob a forma de calor Variação da temperatura durante a adsorção Tempo(s) T3 T4 T2 T5 T6 Gráfico 2 Função da temperatura em função do tempo na adsorção 10 Outubro de 2014

11 Temperatura(ºC) %CO2 Adsorção em coluna de enchimento Gráfico correspondente à etapa da dessorção: No gráfico da percentagem de dióxido de carbono em função do tempo (Gráfico 3), há uma diminuição progressiva da percentagem de dióxido de carbono. Isto deve-se ao facto de estar a ocorrer dessorção naqueles instantes. O dióxido de 1 carbono que tinha sido adsorvido está a ser 0 dessorvido, o que implica uma menor percentagem de dióxido de carbono à saída da coluna, uma vez que não há alimentação de dióxido Gráfico da dessorção Tempo(s) Gráfico 3 Função da %CO2 em função do tempo na dessorção de carbono e o mesmo é finito dentro da coluna de enchimento. Logo, há uma diminuição da sua percentagem, pois ao longo do tempo, a percentagem de dióxido de carbono que sai da coluna é menor. O esboço do gráfico da função da temperatura ao longo do tempo, quando ocorre a etapa da dessorção, é o inverso do esboço do gráfico 2 em que se dá a adsorção (como analisado no gráfico 4). Uma vez que a reação de dessorção é endotérmica, a temperatura em cada termopar vai diminuindo conforme ocorre a dessorção entre o dióxido de carbono e o carvão havendo assim uma diminuição de temperatura, para esta reação ocorrer. Variação da Temperatura durante a dessorção Tempo(s) Gráfico 4 - Função da temperatura em função do tempo na dessorção T2 T3 T4 T5 T6 11 Outubro de 2014

12 Recomendações O ambiente em que ocorre a atividade laboratorial deve ser preparado com mais tempo, para que a diferença de temperatura entre os termopares seja mínima, ou, se possível, que a temperatura seja uniforme (sendo essa uniformidade na temperatura necessária para a realização da atividade laboratorial de, aproximadamente, 35ºC); Maior precisão no manuseamento de válvulas, de forma a não haver erros experimentais; Ser-se mais rigoroso no apontamento de resultados; 12 Outubro de 2014

13 Conclusão O carvão ativado é uma substância utilizada em várias áreas, como por exemplo, no tratamento de águas, tratamento em casos de intoxicações na purificação de produtos, remoção de cores residuais, odores e contaminantes. Além disso, pode ser usado para adsorver gases indesejados, por exemplo poluentes, para o purificar. Uma vez que é um bom adsorvente porque tem uma área de superfície elevada, o que é verificada pela sua estrutura porosa, que foi verificada na experiência Adsorção em Coluna de Enchimento que efetuamos; O processo de adsorção é fundamental, porque purifica os produtos gerados na indústria. Com a atividade prático laboratorial obtemos os resultados esperados, uma vez que na etapa de adsorção o gráfico da percentagem de dióxido de carbono em função do tempo demonstra um aumento significativo da percentagem de dióxido de carbono na coluna. Tal acontece, porque a quantidade de dióxido de carbono que está a sair da coluna aumenta devido à menor quantidade de dióxido de carbono que reage com o carvão ativado. Pelo contrário, a etapa da dessorção implica uma menor percentagem de dióxido de carbono à saída da coluna como observado no gráfico da percentagem de dióxido de carbono em função do tempo nessa mesma etapa. Além disso, o esboço do gráfico da função da temperatura ao longo do tempo, quando ocorre a etapa da dessorção, é o inverso do esboço do gráfico da temperatura em função do tempo na etapa de adsorção, uma vez que a reação de dessorção é endotérmica e a reação de adsorção é exotérmica. 13 Outubro de 2014

14 Bibliografia Barrenho, R. p. (2014). Captura e Armazenamento de CO2 na CPLP. Obtido em 16 de Outubro de 2014, de Caixa Geral de Depósitos, S. (s.d.). Caixa Geral de Depósitos. Obtido em 3 de Outubro de 2014, de GLOSSÁRIO CAIXA CARBONO ZERO: Zero/Pages/Glossario-Caixa-Carbono-Zero.aspx#sequestro Carbon, C. ( 2014). Waste Water Treatment. (Chemviron Carbon) Obtido em 5 de Outubro de 2014, de Chemviron Carbon: DEQ. (Fevereiro de 2008). Práticas de ENGENHARIA QUÍMICA VI - Adsorção em Coluna de Enchimento. FEUP. Europeia, C. (2012). Captura e Armazenamento de Dióxido de Carbono. Obtido em 6 de Outubro de 2014, de Comissão Europeia: 14 Outubro de 2014

15 Temperatura(ºC) Adsorção em coluna de enchimento Anexos Variação da temperatura durante todo o processo Tempo(s) T2 T3 T4 T5 T6 Gráfico 5 Temperatura ( C) em função do tempo (s) na adsorção e na dessorção 15 Outubro de 2014