PQI-2321 Tópicos de Química para Engenharia Ambiental I

Transcrição

1 PQI-2321 Tópicos de Química para Engenharia Ambiental I Adsorção Aula 01 Prof. Moisés Teles moises.teles@usp.br Departamento de Engenharia Química Escola Politécnica da USP

2 Introdução 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 Adsorvente: o sólido que adsorve. Adsorvato: componente atraído pela superfície sólida.

3 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., X Encontro Brasileiro sobre Adsorção.

4 Adsorventes Alumina Sílica gel. Peneiras moleculares (zeólitas). MCM-41, MCM Carvão ativado Resinas poliméricas Nanotubos de carbono.

5 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) File/3/16/267 on.jpg

6 Introdução: adsorção vs absorção Adsorção Fase fluida Fase sólida Absorção Fase fluida Fase fluida

7 Introdução: adsorção vs absorção

8 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

9 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

10 Adsorção e Dessorção A + B AB ka velocidade: ra AB A + B kd: velocidade rd A: adsorvato B: adsorvente Cinética Velocidade líquida: ra r d Equilíbrio Velocidade líquida = 0

11 Cinética Velocidade líquida: dq dt t r a r d qt = quantidade adsorvida por grama de adsorvente no tempo t (mg/g) Modelo de pseudoprimeira ordem Modelos Cinéticos dq dt t k ( q q 1 e t ) qe = quantidade adsorvida por grama de adsorvente no equilíbrio (mg/g) Modelo de pseudossegunda ordem dq dt t k 2 2 ( qe qt ) qe = quantidade adsorvida por grama de adsorvente no equilíbrio (mg/g)

12 Equilíbrio Velocidade líquida: dq dt t r a r d 0 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, 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

13 Isotermas de adsorção Isoterma de Freundlich x m y k 2 x n2 Para um líquido x m y k 1 p n1 Para um gás 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.

14 Isotermas de adsorção Isoterma de Langmuir y ak' L 1 K' c c L Para um líquido a, K L e K L : constantes experimentais. c: concentração do soluto na fase líquida y ak 1 K L L p p Para um gás Seader and Henly, 2011

15 Isotermas de adsorção A baixas pressões do adsorvato, as isotermas podem ser lineares. y Kc y K' p Quantidade adsorvida/massa de adsorvente Quantidade no fluido / L de fluido

16 Coeficiente de partição de sorção do solo (Koc) Introduction to the Sorption of Chemical Constituents in Soils Thompson, Goyne 2012 Nature Education Usado em aplicações ambientais. Caracteriza a partição de um componente entre a fase sólida e líquida no solo (mobilidade de um componente no solo). K OC = μg de composto adsorvido / g de C orgânico no solo μg de composto na fase líquida / ml de líquido na fase líquida

17 Adsorção combinada com Balanço de Massa Projeto de equipamentos de adsorção A, massa de adsorvente y0 = massa de soluto / massa de adsorvente sólido Gás ou líquido G, massa de transportador x0 = massa de soluto / massa de G PROCESSO G, massa de transportador x1 = massa de soluto / massa de G A, massa de adsorvente y1 = massa de soluto / massa de adsorvente

18 Adsorção combinada com Balanço de Massa Projeto de equipamentos de adsorção A, massa de adsorvente y0 = massa de soluto / massa de adsorvente sólido Gás ou líquido G, massa de transportador x0 = massa de soluto / massa de G PROCESSO G, massa de transportador x1 = massa de soluto / massa de G A, massa de adsorvente y1 = massa de soluto / massa de adsorvente

19 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. A, massa de adsorvente y0 = massa de soluto / massa de adsorvente Entrada = saída G(x0 x) = A (y1 y0) G, massa de transportador G, massa de transportador x0 = massa de soluto / massa de G PROCESSO x1 = massa de soluto / massa de G Quantidade adsorvida em função da quantidade no fluido Isoterma A, massa de adsorvente y1 = massa de soluto / massa de adsorvente Ex. y = 37,92x 0,583

20 O que acontece se o adsorvente for usado de forma contínua? Quais modos de operação? Como o adsorvente é regenerado? EXERCÍCIOS DA LISTA

21 FIM