Fichamento 2 - Operações

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INSTITUTO FEDERAL DA BAHIA – Campus Vitória da Conquista 
DISCENTE: Gianluca Nascimento Felix de Araujo 
DISCIPLINA: Operações Unitárias 
DOCENTE: Aline Magalhães 
MATRICULA: 2017218011 
 
FICHAMENTO OPERAÇÕES UNITARIAS 
 
ADSORÇÃO EM CARVÃO ATIVADO 
A adsorção é um fenômeno físico-químico onde o componente em uma fase gasosa ou líquida 
é transferido para a superfície de uma fase sólida. Os componentes que se unem à superfície 
são chamados adsorvatos, enquanto que a fase sólida que retém o adsorvato é chamada 
adsorvente. 
Como o adsorvato concentra-se na superfície do adsorvente, quanto maior for esta superfície, 
maior será a eficiência da adsorção. Por isso geralmente os adsorventes são sólidos com 
partículas porosas (BORBA, 2006). 
Os compostos permanecem adsorvidos na superfície do adsorvente pela ação de diversos tipos 
de forças químicas como: 
- Ligações de Hidrogênio 
- Interações Dipolo-Dipolo 
- Forças de London ou Van der Waals 
Existem basicamente dois tipos de adsorção: a adsorção física ou fisiosorção e a adsorção 
química ou quimiosorção. No entanto, em certas ocasiões os dois tipos podem ocorrer 
simultaneamente (CHEREMISINOFF e ELLERBUSCH, 1978). 
A adsorção física ocorre por uma diferença de energia e/ou forças de atração, chamada força de 
Van der Waals, que tornam as moléculas fisicamente presas ao carvão. Estas interações têm um 
longo alcance, porém são fracas. 
Entretanto, a quimiosorção, corresponde a uma interação de tipo químico, na qual os elétrons 
de enlace entre as moléculas e o sólido experimentam reordenamento e os orbitais respectivos 
mudam de forma, de modo similar a uma reação química. 
Os carvões microporosos pertencem a uma classe de materiais importante, conhecido como 
carvão ativado (C.A) sendo de larga aplicações através de sua reconhecida produção mundial de 
aproximadamente 400.000 ton/ano (RODRÍGUEZ-REINOSO e SABIO-MOLINA, 1998). O carvão 
ativado é utilizado como adsorvente, catalisador ou suporte de catalisador. Na área de 
tratamento de efluentes é usado na adsorção em fase líquida, por exemplo, na adsorção de 
moléculas orgânicas que causam sabor, odor e toxicidade (LETTERMAN, 1999). 
Os carvões ativados são materiais carbonosos porosos que apresentam uma forma 
microcristalina, não grafítica, que sofreram um processamento para aumentar a porosidade 
interna. Uma vez ativado o carvão apresenta uma porosidade interna comparável a uma rede 
de túneis que se bifurcam em canais menores e assim sucessivamente. Esta porosidade 
diferenciada é classificada segundo o tamanho em macro, meso e microporosidades. 
A princípio, qualquer material com alto teor de carbono, denominado de agente precursor (A.P) 
pode ser transformado em C.A, por exemplo, cascas de coco, carvões minerais (antracita, 
betuminosos, linhito), turfas, madeiras, resíduos de petróleos. Atualmente são utilizados como 
agentes precursores, os caroços e cascas de oliva, cereja, damasco, pêssego, azeitonas e ossos 
de animais. Em torno de 1/3 da produção mundial de C.A. é de origem vegetal, sendo esta 
proporção muito maior nos Estados Unidos da América e na Europa (CLAUDINO, 2003). 
No Brasil, predominantemente, empregam-se madeira, carvão betuminoso e sub-betuminoso, 
osso e casca de coco. Uma vez preparada a granulometria desejada, a produção envolve, 
basicamente, a carbonização e ativação (ou oxidação) para desenvolvimento dos vazios 
internos. A carbonização ou pirólise é usualmente feita na ausência de ar, em temperaturas 
compreendidas entre 500 - 800oC, enquanto a ativação é realizada com gases oxidantes em 
temperaturas de 800 a 900oC (DI BERNARDO, 2005). 
O carvão ativado pode ser adquirido em pó ou granulado. Com o uso do carvão em pó (CAP) é 
necessário preparar adequadamente uma suspensão, que é adicionada, geralmente, na água 
bruta ou pré-oxidada, enquanto no uso do carvão ativado granular (CAG), têm-se colunas 
(filtros), após a filtração em ETAs (Estação de Tratamento de Afluentes) que tratam água 
superficial. O CAG é caracterizado por pequenos poros e grande superfície interna, enquanto o 
CAP está associado a grandes poros e menor superfície interna (DI BERNARDO, 2005). 
As propriedades texturais dos carvões ativados se fundamentam em duas características 
importantes que são: tamanho de poro e a área superficial. Uma metodologia para determinar 
a área superficial é a descrita por Brunauer-Emmett-Teller (BET), determinada pela medida da 
isoterma de adsorção por moléculas de gás de Nitrogênio (IUPAC, 1982; LETTERMAN, 1999). 
A interação adsorvato/adsorvente na adsorção física é uma função da polaridade da superfície 
do sólido e da adsortividade. O caráter não polar da superfície no carvão ativado é fator 
preponderante na adsorção de moléculas não polares por um mecanismo não específico, 
podendo ser incrementada pela adequada modificação da natureza química da superfície do 
carvão (por exemplo: oxidação), desde que este produza um incremento na interação superfície-
adsorvato (YING et al. 2007). 
As propriedades do carvão ativado dependem das estruturas porosas e dos grupos químicos 
presentes em sua superfície. As propriedades físicas da superfície são descritas pela área 
superficial específica e porosidade, enquanto que as propriedades químicas dependem da 
presença ou ausência de grupos ácidos ou básicos sobre sua superfície (MORENO-CASTILLA, 
2004). 
O carvão ativado é considerado um trocador iônico natural (HELFFRICH,1962), sendo esta 
propriedade enriquecida pela ativação química. A superfície de carvão tem tanto cargas 
negativas (aniônicas) como cargas positivas (catiônicas) para atrair íons livres em solução ou 
suspensão. O tratamento de carvão com uma base incrementará a capacidade do carvão para a 
troca com anions, e a acidificação das superfícies dá ao carvão um poder de trocador catiônico 
(JANKOWSKA, et al. 1991). A oxidação da superfície envolve a quimiosorção da atmosfera de 
oxigênio do carvão e uma ampla reação das superfícies oxidadas que reagem quimicamente com 
outras substâncias que são oxidadas. 
O ponto isoelétrico (PIE) pode ser estabelecido através do Potencial Zeta. Esta medida 
determina o caráter global da superfície para diferentes valores de pH. O ponto isoelétrico indica 
as características catiônicas ou aniônicas da superfície do carvão e define-se como o logarítmo 
negativo da atividade dos íons para o qual a carga líquida no plano de cisalhamento é nula. É 
obtido pela medida do potencial Zeta na presença de um eletrólito indiferente. Considerando 
um sistema em que íons H+ e OH - sejam os íons determinantes do potencial, o ponto isoelétrico 
(PIE) é aquele para o qual o potencial zeta é zero (MENENDEZ, 1995). 
Uma das características mais importantes de um adsorvente é a quantidade de substância que 
possa acumular ou possa ser retirada da superfície do mesmo. Uma maneira comum de 
descrever essa acumulação é expressar a quantidade de substância adsorvida por quantidade 
de adsorvente (qe) em função da concentração de adsorvato (Ce) em solução. Uma expressão 
desse tipo é denominada de isoterma de adsorção (LETTERMAN, 1999.; OSCIK e COOPER 1982). 
O procedimento experimental para avaliar quantitativamente a adsorção através das isotermas 
é bastante simples: basta colocar em contato com a solução contendo o componente a ser 
adsorvido, com diferentes massas de adsorvente até atingir o equilíbrio. Após a filtração, pode-
se obter a concentração de equilíbrio em solução (Ce em mg/L) e a quantidade de material 
adsorvido (q em mg/g). Os gráficos assim obtidos são as isotermas e podem apresentar-se de 
várias formas, fornecendo informação importante sobre o processo de adsorção. Elas mostram 
a relação de equilíbrio entre a concentração na fase fluida e a concentração nas partículas 
adsorventes em uma determinada temperatura (PERRY, 1998). 
As isotermas de adsorção são normalmente desenvolvidas para avaliar a capacidadedo carvão 
ativado para a adsorção de uma molécula em particular. Elas constituem a primeira informação 
experimental, que é geralmente usada como uma janela para discriminar entre diferentes 
carvões ativados e assim escolher o mais apropriado para uma determinada aplicação 
(CHEREMISINOFF E ELLERBUSCH, 1978; MORENO-CASTILLA, 2004). 
Os principais modelos matemáticos das principais isotermas usados em sistemas líquido-sólido 
são as seguintes: 
• Isoterma de Lagmuir: é derivada a partir das considerações teóricas seguintes: assume que as 
superfícies são homogêneas, todos os sítios ativos têm igual afinidade pelo adsorvato, portanto, 
a adsorção de um sítio não vai afetar a adsorção do sítio adjacente a este. 
• Isoterma de Freundlich: é empírica e muito utilizada porque descreve com muita precisão os 
dados de ensaios de adsorção em sua maioria em sistemas aquosos, além de descrever o 
equilíbrio em superfícies heterogêneas e não assume a adsorção em monocamada (DINESH e 
PITTMAN, 2006). 
A cinética do processo de adsorção depende da velocidade (ou taxa) relativa entre as seguintes 
quatro etapas sucessivas, (Figura 3.5): 
1. Transporte no seio da solução envolve o movimento do material (substância) a ser adsorvido 
(adsorvato) através do seio da solução líquida para a camada-limite ou filme fixo de líquido 
existente ao redor da partícula sólida do adsorvente. 
2. Transporte por difusão através da camada limite, corresponde ao transporte do adsorvato 
por difusão através da camada limite até a entrada dos poros do adsorvente (difusão externa). 
3. Transporte através dos poros, envolve o transporte do adsorvato através dos poros da 
partícula por uma combinação de difusão molecular através do líquido contido no interior dos 
poros e difusão ao longo da superfície do adsorvente (difusão interna). 
4. Adsorção, ligação do adsorvato em um sítio disponível do adsorvente, envolvendo vários 
mecanismos, tais como: adsorção física, adsorção química, troca iônica, precipitação, 
complexação. 
A cinética da adsorção é importante já que controla a eficiência do processo. Segundo Gupta 
(2006), existem diferentes modelos nos quais se pode ajustar a dados do processo de adsorção 
com relação ao tempo. Entre os principais e mais usados temos modelo de pseudo-primeira 
ordem e de pseudo-segunda ordem. 
FILTRAÇÃO POR MEMBRANAS 
Destacam-se, especialmente, a pré e a interdesinfecção, a dotação com ar dissolvido, a adsorção 
com carvão ativado granular ou em pó e a filtração em membrana. A inserção destas etapas 
visa, ainda que com êxito variável, à remoção de dureza, ferro e manganês, matéria orgânica, 
metais pesados, sais dissolvidos e cistos e oocistos de protozoários, além de agrotóxicos, 
perturbadores endócrinos, cianotoxinas e outros microcontaminantes. 
De certa forma, o funcionamento dos filtros de membranas envolve três distintos escoamentos 
(ou fluxos): a vazão afluente (ou de alimentação), o efluente, que se denomina permeado, e a 
vazão de descarte contendo o material retido na membrana com a denominação de 
concentrado. Na significativa maioria das instalações o permeado é posteriormente submetido 
à desinfecção e, eventualmente, fluoretação e correção de pH. A medida que se sucede a 
retenção de material na superfície da membrana - fenômeno denominado foulingm similar à 
colmatação dos meios filtantes tradicionais faz-se necessária a limpeza da membrana. Esta 
realiza-se por meio de abertura de válvula, enxágue da membrana pelo permeado e descarte do 
efluente, comumente representando algo como 5 % da vazão afluente, percentual de mesma 
ordem de grandeza comparado aos sistemas de filtração direta ou tratamento convencional 
(Mierzwa, 2006). A limpeza química, quando necessária, dá-se com solução de hidróxido de 
sódio e detergente. 
Em diversas aplicações no tratamento das águas naturais, a filtração em membrana realiza-se 
praticamente como única etapa de tratamento sem aplicação de coagulantes, reduzindo signifi- 
cativamente a geração de lodo. Vale ainda ressaltar que o emprego da filtração em membrana 
não pressupõe diferença entre as densidades entre os sais e partículas removidos e a água, 
distintamente das etapas de clarificação e de alguns dos mencionados mecanismos de filtração. 
Uma membrana sintética pode ser definida como filme fino sólido semipermeável, que separa 
duas soluções e que atua como barreira seletiva para o transporte de componentes destas 
soluções, quando aplicado algum tipo de força externa. As forças externas, que impulsionam a 
filtração através das membranas utilizadas em tratamento de água de consumo, são pressão e 
sucção (pressão negativa). Ressalta-se que na purificação de água para hemodiálise a força-
motriz do processo de separação é a corrente elétrica. 
A produtividade do sistema depende do escoamento de água através da membrana que, por 
sua vez, é condicionada por uma série de fatores que, coletivamente, constituem a resistência 
da membrana à filtração, tais como: 
• porosidade e espessura da membrana; 
• pressão de filtração governada pela porosidade e pelo objetivo - em termos dos parâmetros a 
remover - do emprego da tecnologia; 
• características físicas, químicas e biológicas do afluente; 
• viscosidade dinâmica da água; 
• camada de material retido na superfície da membrana. 
Partículas maiores que este primeiro limite são comumente removidas no tratamento conven- 
cional em estações adequadamente operadas. O emprego em unidades de dessalinização 
tomou as membranas de osmose reversa as de uso mais extensivo, estimando-se em 85 % do 
número total de unidades de filtração em mebrana em operação. No tratamento de águas doces 
superficiais, as membranas de microfiltração e especialmente de ultrafiltração adquirem 
primazia ao atender os requisitos de qualidade de água de consumo e operar comumente a 
pressões no intervalo de 20 a 200 lcPa. Reforça esta assertiva o fato das membranas de micro e 
ultrafiltração não removerem sais minerais essenciais à saúde humana. 
Na prática, o mercado de saneamento básico é dominado por membranas fabricadas de 
polímeros orgânicos, tais como, polipropileno para unidades de microfíltração, polisulfona, 
poliacrilonitrila e polivinilidenefluorida para uitrafiltração, e poliamida para uitrafiltração e 
osmose reversa. O alto custo de fabricação ainda restringe o uso de membranas inorgânicas 
(cerâmicas de óxido de zircônio, alumínio ou titânio, aço inoxidável). 
As membranas podem ser produzidas em larga escala em duas configurações geométricas 
básicas: 
• folhas planas, para membranas de nanofiltração e osmose reversa; 
• cilindros, especialmente para membranas de micro e uitrafiltração, classificadas em 
membranas tubulares (diâmetro maior que 3 mm) e membranas de fibra oca (diâmetro menor 
que 3 mm). 
As membranas planas podem ser enroladas em forma de espiral, sendo utilizadas em aplicações 
que demandam pressões intermediárias (uitrafiltração) e altas (nanofiltração e osmose reversa). 
Os custos de implantação do sistema de filtração em membranas vinculam-se à própria 
configuração do sistema, às unidades de pré-tratamento existentes-estas dependentes das 
características do afluente -, às limitações do local, à estrutura que vai abrigar o sistema de 
filtração e ao custo das próprias membranas. Esta gama de fatores intervenientes resulta em 
significativa amplitude nos custos. Confirma esta assertiva, levantamento contemplando 11 
estações de tratamento utilizando filtração em membrana nos EUA e Canadá — cujas vazões 
afluentes variavam de 22 a llOOL/s -, que apontou custos de implantação de USS 8,7 mil a US$ 
69,3 mil por L/s. As membranas representaram percentuais de 20 a 77 % (média da ordem de 
37 %) do custo total de implantação da estação de tratamento. Neste estudo evidenciou-se que, 
para estações de maior porte, o custo das membranas tende a ter maior representatividade, 
aproximando-se davizinhança de 50 % do custo total de implantação (Elarde; Bergman, 2001). 
Nota-se que o custo inicial de membranas equivale praticamente ao dispêndio total de energia 
consumido durante a vida útil do sistema, estimado entre cinco e oito anos, e que o custo de 
equipamentos auxiliares representa o maior elemento individual no computo total. 
Podem ser listados os critérios mais importantes para a redução do custo de operação e 
implantação de sistemas de micro ou ultrafiltração em membrana para unidades de grande 
porte (Côté; Simon; Mourato, 2001): 
• utilizar membranas de fibras ocas de diâmetro mínimo para maximizar a área de filtração por 
volume unitário de polímero e de módulo, por meio dos quais o escoamento dá-se de fora para 
dentro, visando a maximizar a área de filtração exposta ao afluente; 
• maximizar o comprimento das fibras para minimizar o consumo de resina de fixação das fibras, 
limitando a perda de carga no interior da fibra à fração muito pequena da pressão através da 
membrana; 
• maximizar tamanho do bloco de membranas objetivando reduzir ao mínimo os pontos de 
conexão com equipamentos auxiliares e maximizar a densidade de empacotamento de módulos 
para reduzir a área ocupada por bloco; 
• operar o sistema sem recirculação da água bruta e sem aeração para reduzir o consumo de 
energia; 
• limitar a pressão de operação e a frequência de limpeza química objetivando reduzir consumo 
de energia e de produtos químicos e para prolongar ao máximo a vida útil das membranas. 
A comparação entre os custos dos sistemas de filtração em membranas e a tecnologia 
convencional de potabilização pauta-se essencialmente nas características da água bruta. Para 
o tratamento de águas oriundas de mananciais eutrofizados, que usualmente hão de requerer 
aplicação de carvão ativado em pó, a comparação entre estas tecnologias tenderá a tomar a 
filtração em membrana mais competitiva, em especial para sistemas de abastecimento de 
grande porte. 
Em busca de aprimoramento dos sistemas de membrana para a produção de água potável em 
escala industrial, muitas pesquisas associadas a este tema têm sido realizadas. Como seria de se 
esperar pela própria natureza da tecnologia, os resultados em termos de remoção dos 
parâmetros de interesse, via de regra, foram plenamente satisfatórios. 
Unidades de micro e ultrafiltração em membrana foram avaliadas no tratamento de águas das 
nascentes cársticas. Os estudos foram realizados em escala-piloto por um período de 15 e 12 
meses, respectivamente, para a remoção de material particulado e alguns compostos orgânicos 
específicos (Atrazina, tricloroetano, tetracloroetano). Verificou-se bom desempenho para 
baixos valores de turbidez no afluente à membrana (0,1 - 4,6 uT). Para possibilitar a remoção de 
matéria orgânica natural e outros contaminantes orgânicos, realizou-se dosagem de carvão 
ativado em pó, obtendo-se resultados satisfatórios, tanto em termos de quantidade da água 
produzida, como de qualidade (Pianta et al., 1998).