Adsorção na Indústria Química

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AULA 14 : Adsorção
PQI0410 -
Operações 
Unitárias da 
Indústria Química V
Prof. Moisés Teles/ moises.teles@usp.br
Departamento 
de Engenharia 
Química 
Escola 
Politécnica da 
USP
mailto:moises.teles@usp.br
INTRODUÇÃO
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INTRODUÇÃO
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Nitrogen/Oxygen Generating Plant by Pressure Swing 
Adsorption (verdellc.com)
ACTIVATED CARBON FILTER uses hi-grade granular 
carbon columns and uses Adsorption Technology to 
remove the organic contaminants from the raw water.
(indiamart.com)
INTRODUÇÃO
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Pressure swing adsorption: peneiras moleculares como adsorventes para separar O2 / N2. 
Pureza do 02: 93%.
Pureza N2: 99.5%~99.99%.
INTRODUÇÃO
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Adsorvente: o sólido que adsorve .
Adsorvato: componente atraído pela superfície sólida.
 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
EXEMPLOS
INTRODUÇÃO
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 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
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 Alumina
Sílica gel.
Peneiras moleculares (zeólitas).
MCM-41, MCM-48...
Carvão ativado
Resinas poliméricas
Nanotubos de carbono.
ADSORVENTES
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INTRODUÇÃO
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Dependendo das forças envolvidas entre as moléculas no fluido e na superfície sólida: 
Adsorção Química
- Formação de ligações químicas com liberação de calor normalmente maior que o calor de vaporização.
- Lenta e irreversível. Para gases, geralmente em temperaturas maiores que 200 ºC.
Adsorção física.
- Forças de atração sólido-gás maiores que gás-gás.
- Semelhança com condensação (liberação de calor: calor de adsorção).
- Ocorre rapidamente, podendo ser monomolecular (reversível) ou multimolecular.
- Densidade do adsorbato é da ordem de magnitude da densidade na fase líquida.
INTRODUÇÃO
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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
_absorption.jpghttp://journals.sfu.ca/coactionbks/index.php/Bindslev
/article/viewFile/3/16/267
INTRODUÇÃO
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ADSORÇÃO vs. ABSORÇÃO ADSORÇÃO
ABSORÇÃO
Fase fluida
Fase fluida
Fase fluida
Fase sólida
INTRODUÇÃO
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ADSORÇÃO vs. ABSORÇÃO
Molecular models of the organization of the adsorbed DNA layer a) full embedding, b) intermediate and c) full coverage.
DNA adsorption at liquid/solid interfaces studied by X-ray reflectivity
http://www.esrf.eu/UsersAndScience/Publications/Highlights/2008/SCM/scm2
INTRODUÇÃO
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ADSORÇÃO vs. ABSORÇÃO
MOTIVAÇÃO
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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
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ADSORÇÃO E MEIO-AMBIENTE
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/saída?
 Qual tempo de contato entre o adsorvente e o
adsorvato? Equilíbrio e Cinética
ADSORÇÃO E DESORÇÃO
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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 
TRANSFERÊNCIA DE MASSA
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CINÉTICA
Modelos Cinéticos
da
t rr
dt
dq
Velocidade líquida: 
qt = quantidade adsorvida por grama de adsorvente no tempo “t” (mg/g)
 Modelo de pseudoprimeira ordem
)(1 te
t qqk
dt
dq
 qe = quantidade adsorvida por grama de adsorvente no equilíbrio 
(mg/g)
 Modelo de pseudossegunda ordem
2
2 )( te
t qqk
dt
dq
 qe = quantidade adsorvida por grama de adsorvente no equilíbrio 
(mg/g)
TRANSFERÊNCIA DE MASSA
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CINÉTICA
Modelos Cinéticos
da
t rr
dt
dq
Velocidade líquida: 
qt = quantidade adsorvida por grama de adsorvente no tempo “t”,
 Modelo de Weber e Morris
CtKq dt  5.0
K, C = parâmetros do sistema adsorvente - adsorvato
 Equação de Elovich
tqt ae
dt
dq 
 α, a = parâmetros do sistema adsorvente - adsorvato
EQULÍBRIO
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0 da
t rr
dt
dq
Velocidade 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 0,71
ISOTERMAS DE ADSORÇÃO
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 ISOTERMA DE FREUNDLICH
1
1
npky
m
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
nxky
m
x
 Para um líquido
ISOTERMAS DE ADSORÇÃO
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 ISOTERMA DE LANGMUIR
Para um gásPara um líquido
pK
paK
y
L
L


1cK
caK
y
L
L
'1
'


a, KL e K’L : constantes experimentais.
c: concentração do soluto na fase líquida
Seader and Henly, 2011
O que representam as constantes?
Adsorção monocamada vs Modelo BET
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Método de BET (Teoria de Adsorção Multimolecular):
- Descreve a adsorção física de moléculas de gás sobre uma superfície sólida.
- Usada para técnicas de medição de área superficial específica de um 
material.
http://www.cchem.berkeley.edu/
ISOTERMAS DE ADSORÇÃO
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 A BAIXAS PRESSÕES DO ADSORVATO, AS ISOTERMAS PODEM SER LINEARES.
Kcy 
pKy '
Quantidade adsorvida/massa de adsorvente
Quantidade no fluido / L de fluido
Composto a ser adsorvido está no líquido
Composto a ser adsorvido está no gás
Analogia com Lei de Henry: soluções diluídas
ISOTERMAS DE ADSORÇÃO
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ISOTERMAS DE ADSORÇÃO
25
ADSORÇÃO COMBINADA COM BALANÇO DE MASSA
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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 adsorventeA, massa de adsorvente
x0 = massa de soluto
/ massa de G
G, massa de transportador
x1 = massa de soluto
/ massa de G
Gás ou líquido
sólido
ADSORÇÃO COMBINADA COM BALANÇO DE MASSA
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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 adsorventeA, massa de adsorvente
x0 = massa de soluto
/ massa de G
G, massa de transportador
x1 = massa de soluto
/ massa de G
Gás ou líquido
sólido
ADSORÇÃO COMBINADA COM BALANÇO DE MASSA
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 Correntes de saída em equilíbrio.
 Massa G (carreador) e massa A (adsorvente) livres de soluto
Contaminante diluído: G aproximadamente igual ao escoamento total.
PROCESSO
G, massa de transportador
A, massade adsorvente
y0 = massa de soluto / massa de adsorvente
y1 = massa de soluto / massa de adsorventeA, massa de adsorvente
x0 = massa de soluto
/ massa de G
G, massa de transportador
x1 = massa de soluto
/ massa de G
Entrada = saída
G(x0 – x1) = A (y1 – y0)
Quantidade adsorvida em função da 
quantidade no fluido
Isoterma
Ex. y = 37,92x0,583
EX. PSA (pressure swing adsorption)
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Coeficiente de partição de sorção do solo (Koc)
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 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
Introduction to the Sorption of Chemical Constituents in Soils
Thompson, Goyne © 2012 Nature Education
EQUIPAMENTOS
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EQUIPAMENTOS
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