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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO SETOR DE ENGENHARIA QUÍMICA Introdução à Catálise Heterogênea Prof. Dr. Eliezer Ladeia Gomes 2º Semestre de 2013 AULA 6 6. FISISSORÇÃO 6.1. Tipos de Isotermas de Fisissorção As isotermas de adsorção física apresentam comportamentos que não são possíveis de se explicar utilizando os modelos de Langmuir. Brunauer, Emmett e Teller (BET) em 1938 analisaram dezenas de isotermas em 5 tipos bem característicos (Figura 6.1). 6.1. Tipos de Isotermas de Fisissorção As isotermas de adsorção física apresentam comportamentos que não são possíveis de se explicar utilizando os modelos de Langmuir. Brunauer, Emmett e Teller (BET) em 1938 analisaram dezenas de isotermas em 5 tipos bem característicos (Figura 6.1). Figura 6.1. Tipos de isotermas de fisissorção. Cada tipo de sólido apresenta um perfil de acordo com o arranjo de poros. 6.1. Tipos de Isotermas de Fisissorção A adsorção no espaço intracristalino regular das zeólitas conduz a uma isoterma de Langmuir (Tipo I), a qual indica um preenchimento quase completo dos poros a pressões relativas bastante baixas (Figura 6.1.a). Nestas isotermas a adsorção incrementa rapidamente e logo alcança um valor constante para pressões relativas baixas (P/Po 0,15). Sabe-se que a adsorção ocorre em multicamadas em sólidos microporosos. O valor limite da adsorção reflete o completo preenchimento dos microporos. Isoterma TIPO (I): A adsorção aumenta rapidamente com a pressão do gás até uma saturação, tal como ocorre com a quimissorção, mas com A > 1. Este comportamento é observado em sólidos que possuem somente microporos (mp < 20 Å). Exemplo: nitrogênio sobre zeólitas e H2O sobre sílica gel. 6.1. Tipos de Isotermas de Fisissorção Isoterma TIPO (II): A adsorção aparentemente tende a uma saturação a pressões intermediárias (joelho no ponto B) devido a formação de uma monocamada, crescendo porém rapidamente à medida que a pressão se aproxima da pressão de vapor do gás à temperatura da isoterma (po). A quantidade adsorvida cresce com a pressão sendo típico para sólidos não porosos, com a média interação com o adsorbato. Exemplo: N2/-Al2O3; benzeno/grafite. B 6.1. Tipos de Isotermas de Fisissorção Isoterma TIPO (III): A adsorção sempre cresce com a pressão do gás, sem formação do “joelho”. Típica para sólidos não porosos com fraca interação do gás com o sólido. Exemplo: H2O/grafite; hexano/carbonato de cálcio. 6.1. Tipos de Isotermas de Fisissorção Isoterma TIPO (IV): A isoterma apresenta dois patamares, o primeiro devido à formação de uma monocamada de gás adsorvido e a segunda devido ao preenchimento de gás condensado em mesoporos 250 Å (rp > 20 Å). Típica para sólidos porosos com a média interação com o adsorbato. Exemplo: materiais mesoporosos, N2/-Al2O3 6.1. Tipos de Isotermas de Fisissorção Isoterma TIPO (V): Inicialmente a curva é semelhante ao tipo III, mas a isoterma apresenta um patamar: o “joelho” a altas pressões. Característica para sólidos porosos com fraca interação do gás com o sólido. Exemplo: H2O/carvão ativo. 6.1. Tipos de Isotermas de Fisissorção Isoterma TIPO (VI): A isoterma escalonada ou “stepped isotherm” embora relativamente rara, é de interesse teórico e é assim também incluída na classificação. Exemplo: materiais com hierarquização de poros. Para explicar esse comportamento, Brunauer, Emmett e Teller desenvolveram um modelo, que se baseia no modelo de Langmuir, com exceção da hipótese de que cada sítio adsorve só uma molécula. Esta hipótese foi substituída por: 6.2. A Equação de B.E.T 1º) Cada molécula adsorvida na superfície (1ª camada) pode servir como sítio para adsorção de uma segunda molécula, e assim por diante. Logo, na fisissorção, dependendo da pressão e temperatura poderá haver formação de multicamadas, ao contrário do que se supôs para a quimissorção (Figura 4.3). Figura 4.3. Fisissorção de um gás sobre um sólido. 2º) A energia liberada na formação da 1ª camada é típica para cada sistema gás-sólido, Hads,1. 3º) As energias liberadas na formação da 2ª e demais camadas são iguais entre si, e iguais ao calor de condensação do gás, Hads,1 Hads,2 = Hads,n = HL,A. 4º) As constantes de adsorção na 2ª camada e demais são iguais entre si, ou seja ka/kd = K2 = K3 = ... = Kn. 5º) Quando a pressão do adsorbato, p, for igual à sua pressão de vapor, po, se a superfície de adsorção for totalmente livre, forma-se um número infinito de camadas de adsorção. 6º) 0, 1, ..., i, ..., n são as frações de sítios sobre os quais estão emparelhadas i moléculas do adsorbato. 6.2. A Equação de B.E.T Figura 4.3. Fisissorção de um gás sobre um sólido. 1 = z1/zm; 2 = z2/zm; ...; n = zn/zm Portanto, o grau de ocupação dos sítios pelo adsorbato A, é: A = zA/zm = 1 + 21 + 31 + ...+ ii + nn ou A = (1) 6.2. A Equação de B.E.T 1i iiθ Seguindo as hipóteses anteriores e após os devidos arranjos matemáticos, encontramos a EQUAÇÃO DE BET: (1) onde > 0 e não está limitado a < 1. a constante C = eHL -H 1 /RT H1 = entalpia de adsorção da 1ª camada HL = calor de condensação do gás p = pressão do gás A no sistema gás-sólido po = pressão de vapor do gás A à temperatura T, da isoterma. Em geral, na adsorção e na condensação S2 S1, logo 6.2. A Equação de B.E.T oo o A p/p 1C1 p/p-1 p/p C θ /RTΔHΔH e K K C 12 2 1 K1 = kads1/kdes1 K2 = kads2/kdes2) ou K1 = e -G 1 /RT (adsorção) K2 = e -G 2 /RT (condensação) Um dos grandes méritos da equação de BET é que ela consegue representar muito bem as isotermas de adsorção física, cuja classificação em tipo I, II, III, etc, vai depender de dois fatores: 1º) do valor da constante C, caso o sólido não seja poroso pois a equação de BET pode ser rearranjada da seguinte forma: (6.1) que é uma equação do tipo: 0 < x = pA/po < 1 e que representa a diferença de duas hipérboles: A configuração da função y2 depende de C (Figura 6.1). 6.3. Análise da Equação de B.E.T o A o A A p p 1C 1 1 p p 1 1 θ x1C1 1 x1 1 y x1C1 1 y e x1 1 y 21 1º) Se a interação do adsorbato com a superfície for média, então H1 < HL HL – H1 > 0, portanto, c >> 1, logo c-1 c (hipérbole A da figura 6.1) 2º) Se a interação do adsorbato com a superfície for a de Van der Walls, então H1 = HL c = e 0 = 1 e c –1 = 0, logo y2 = 1 (reta B da figura 6.1) 6.3. Análise da Equação de B.E.T Figura 6.1. Função y2 com diferentes valores da constante C. xc1 1 y 2 3º) Se a interação do adsorbato com a superfície muito fraca, HL < H1 H1 – HL < 0, logo, c = 0, portanto: (hipérbole C da figura 6.1) A B C x1C1 1 y2 Vemos assim que as isotermas de fisissorção são muito dependentes do valor da constante c, ou seja, da diferença das energias de adsorção da 1ª camada e de liquefação do gás, podendo adquirir as configurações apresentadas na figura 6.2. Para uma temperatura de condensação do nitrogênio a –193 oC (ou 90 K) essas curvas (Figura 6.2) podem ser obtidas se: (I) c = 0,1 HL-H1 = -0,88kcal/mol (II) c = 1 HL-H1 = 0 (III) c = 100 HL-H1 = 1,76 kcal/mol 6.3. Análise da Equação de B.E.T Figura 6.2. Isotermas segundo a equação de BET, com diferentes valores da entalpia de adsorção A equação (6.1) pode ser rearranjada na forma linearizada, que é a forma mais conhecida da equação de BET, e que nos permite calcular: vm = volume da monocamada de gás C, e portanto, conhecido HL, nos permite calcular a entalpia de adsorção na 1ª camada Hads,1 invertendo a equação (6.1): E lembrando que A = v/vm: Multiplicando-se por p/p0: 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.1. Linearização da equação de BET p/p C p/p 1C1 p/p-1 θ 1 o oo A o A o A A p p 1C 1 1 p p 1 1 θ C 1)(C p/p C 1 p/p1v v oo m Cp 1)p(C C 1 p/p 1v p/pv oo om Cp v 1)p(C Cv 1 p pv p omm0 (6.2.) Graficando-se pA/v(1-p/po) em função de p/po, devemos obter pontos alinhados numa reta se a equação de BET for válida (figura 6.3): y = a + bx 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.1. Linearização da equação de BET cv c m 1 mcv 1 ppv p 0 0p p b ba c ba vm 1 cb vm . 1 Cp v 1)p(C Cv 1 p pv p omm0 O parâmetro vm, determinado pela equação de BET, tem uma importância especial, pois representa o volume de gás adsorvido/grama de sólido necessário para que o gás forme uma monocamada completa na superfície do sólido. Se expressarmos vm, em CNPT, podemos calcular o número de moléculas n do gás que forma uma monocamada em 1 grama de sólido: onde: vm = volume da monocamada em CNPT (cm 3/g) NA = número de Avogadro = 6,02 x 10 23 VM = volume molar em CNPT = 22.400 cm 3, logo portanto, n = 2,68 x 1019 vm 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.2. Medida de área específica de sólidos M Am M A m V Nv n portanto , V N v n , 22.400 6,02x10v n 23 m Se a área ocupada por uma molécula for , a área total ocupada pelas n moléculas será: S = n , portanto S = 2,68x1019 vm. A tabela seguinte indica os valores de de gases a diferentes temperaturas. Tabela 6.1. Área ocupada por diversas moléculas. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.2. Medida de área específica de sólidos gás N2 O2 Kr Temperatura -195 oC -183 oC -195 oC 16,2 Å2 14,2 Å2 20,8 Å2 O gás mais utilizado para medidas de área específica é o nitrogênio, e estima-se que a área ocupada por uma molécula de nitrogênio é N2 = 16,2x10 -16 cm2, logo, ao utilizarmos esse tipo de gás a área específica do sólido será dada por: S = 2,68x1019 x 16,2x10-16 vm, ou S = 4,34 vm S = m2/g e vm = cm 3 N2/g sólido (CNTP) A Tabela 6.2 mostra alguns valores de área específica de sólidos usados em catálise heterogênea. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.2. Medida de área específica de sólidos Tabela 6.2. Área específica de catalisadores e suportes sólido área específica (m2/g) carvão ativo sílica gel zeólitas aluminas e CuCr2O4 Fe3O4 alumina MCM-41 500 – 1000 200 – 600 150 – 500 100 – 300 15 – 50 10 – 15 0,1 – 1 500 - 2000 Nota-se da tabela que os sólidos podem possuir uma faixa relativamente ampla de área específica, o que se torna possível graças à existência de poros com raios de 10 a 100 Å. Em 1871, a partir de considerações sobre a energia livre envolvida na condensação de moléculas de um gás A no interior de um poro a uma temperatura T, Kelvin chegou à expressão que relaciona p, a pressão do gás contido em um poro: (6.4.a) onde: dV = volume do poro coberto pela condensação dS = área do poro em contato com as moléculas condensadas = tensão superficial entre as moléculas gasosas A e líquidas A VM = volume molar de A na fase líquida a temperatura T = ângulo de contato líquido/parede do poro pA,po = pressão de vapor de líquido A no poro e numa superfície plana à temperatura T 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos )/p(pln RT φ cos γV dS dV oA M A equação de Kelvin foi usada durante algum tempo supondo os poros do sólido sendo cilindros abertos em ambas extremidades. Nesse caso temos da equação (4.3): (6.4.b) onde rK é chamado raio de Kelvin. Portanto, a pressão p no interior de um poro é dada pela expressão: pA/po = e -B/r K 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos RT φ cos γ2V B, )/p(pln B r 2 r dS dV M oA K K A Figura 6.4 mostra o comportamento da pressão parcial do líquido contido em poros em função do seu raio rK. Nota-se que a influência do tamanho do poro na pressão de vapor do líquido começa a ser considerável para rK <200 Å 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos Figura 6.4. Pressão de vapor de um líquido em mesoporos. Para poros que possuem outras configurações geométricas regulares, pode-se demonstrar os valores indicados na tabela abaixo. Tabela 6.3. Raio de Kelvin para vários modelos de poros. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos Tipo de sistema Parâmetro R rK Empacotamento dentro de barras cilíndricas paralelas raio dos cilindros 0,137 R Barras cilíndricas triortogonais de espaçamento 2R raio dos cilidros 1,814 R Placas planas paralelas distância entre as paredes R Empacotamento cúbico de esferas rígidas raio das esferas 0,613 R É importante frisar que, na condensação capilar que origina calotas com o centro fora do líquido, como é o caso da maioria dos gases, a pressão de vapor do líquido contido no microcapilar é menor que a pressão de vapor desse líquido com superfície plana. Para a adsorção de nitrogênio a -195 oC e assumindo = 0o, VM = 34,68 cm 3/mol e = 8,85 dinas/cm, a constante vale B = 9,53 e o raio dos poros cilíndricos, segundo Kelvin é calculado por: (6.5) onde rK é expresso em Angstrons. Portanto, a grosso modo, a determinação da distribuição acumulativa do volume dos poros pode ser feita a partir da isoterma de adsorção, trocando-se o eixo pA/po por rK, calculado da equação (6.5), como mostrado na Figura 6.5. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos oA K /ppln 9,53 r Figura 6.5. Correspondência entre a pressão relativa e o raio de Kelvin em uma isoterma de adsorção de nitrogênio Vários autores fizeram uma análise mais minuciosa da condensação capilar, considerando que a uma pressão p1, o adsorbato não se encontra condensado somente nos poros com raios r < rK calculados pela equação (6.5). A essa pressão, há a formação também de uma camada, de espessura t, nos poros maiores que rK. O volume total adsorvido, vf, se deve portanto à condensação nos poros com raio rK e à camada t: vf = vK + vt portanto, quando o poro estiver preenchido com o líquido, o raio desse poro valerá: rf = rK + r t (6.6) O processo de adsorção, a pressões crescentes, pode ser portanto descrito como na Figura 6.7. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3.Distribuição do volume dos mesoporos Assim, ao aumentarmos a pressão, vão-se preenchendo os poros menores com líquido e formando camadas de espessura t nos maiores, diminuindo o raio livre rK destes últimos. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos Figura 6.7. Espessura t, da camada de adsorbato, a diversas pressões do gás em dois poros de diferentes raios, rp. Halsey, em1948, propôs uma equação que permite calcular a espessura da camada adsorvida em função de pA/po. Para o nitrogênio essa expressão vale: Å (6.7) O número 3,5 é estimado como sendo a espessura da monocamada de nitrogênio a -196oC. A título de exemplo são colocados na Tabela 6.4 os raios reais dos poros, rp, medidos com nitrogênio a –195 oC. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos 3 Ao /ppln 5 3,5t Tabela 6.4. Raio dos poros segundo Kelvin (rK) e Halsey (rp). Nota-se, portanto, que o raio do poro previsto por Kelvin se desvia mais dos previstos por Halsey quanto menor é o poro. Considerando-se válida a hipótese de Halsey, a determinação da distribuição dos volumes dos poros a partir da isoterma de adsorção torna-se um pouco mais complicada tendo em vista que para cada pressão temos que estimar qual é o volume ocupado pelas camadas, vt. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos pA/po rK t rp n (rK/rp).100 0,96 0,90 0,80 0,60 0,50 0,10 233 91 43 19 14 4,1 17 13 10 7,5 6,8 4,5 250 104 53 26 21 8,6 71 29 15 7 5 2 93 88 81 71 67 47 Wheeler em 1955, propôs que a distribuição dos volumes dos poros seguisse uma certa função L (de Gauss ou de Maxwell), podendo o volume dos poros sem adsorbato ser calculado por: onde vp é o volume total dos poros no sólido. A solução deste tipo de equação, porém, não é simples. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos 0 dr r Ltr πvv 2 pp O procedimento de Orr e Dalla Valle é no entanto relativamente mais simples e conduz a resultados bastante coerentes. O procedimento trata os resultados da isoterma calculando, para cada valor decrescente de p/po (dessorção): 1º) O raio de Kelvin, rK, a espessura da camada adsorvida, t, e o do raio de Halsey, rp. 2º) De cada duas medidas consecutivas de dessorção calcula-se v (cm3 dessorvido nas CNTP), . 3º) vf, a variação do volume do filme adsorvido, (cm3 dessorvido nas CNTP) (6.8) O primeiro valor de vf é considerado zero tendo em vista que os poros inicialmente estão completamente preenchidos de líquido. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos 15,62 ΔSΔt v p f 4º) vK, o volume dessorvido dos poros com líquido (cm 3 CNTP), vK = v - vf (6.9) 5º) vp, o volume dessorvido dos poros com raio rp (cm 3 CNPT), (6.10) 6º) Sp, a área dos poros com raio , e que dessorveram o volume vp. Supondo os poros como cilindros abertos, dV/dS = r/2 e portanto, para pequenos incrementos de dessorção, (6.11) 7º) Sp, a soma de todos Sp anteriores, será utilizada no cálculo do próximo vf. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos 2 KpKp r/r Δv Δv p p p r Δv 15,62 x 2ΔS 8º) rp e v/rp, o primeiro corresponde à variação do raio dos poros no intervalo considerado e o segundo ao volume total dos poros nessa região de raios. 9º) Gráfico vp/rp em função de rp, que é, finalmente, a distribuição dos volumes dos poros. Esses cálculos podem ser realizados para p/po > 0,3 que correspondem a poros com raios menores que 15 Å. Para pressões menores correspondem raios menores, e a equação de Kelvin perde precisão nessa região. A Tabela 6.5 exemplifica o método do cálculo. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos Tabela 6.5. Cálculo de distribuição de volume dos poros. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos Medida nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 p/po exp. v rK eq. 6.5 t eq. 6.7 rp eq. 6.6 t v vf eq. 6.8 vK eq. 6.9 vp eq. 6.10 Sp eq. 6.11 S p rp vp rp 1 X1 v1 9,53 lnX1 rK+t - - - - 0 - - - - - - 2 X2 v2 9,53 lnX2 rp1+r p2 2 rp1+r p2 2 t1-t2 V1- V2 pr Kr 3 1- 1Xln 5 3,5 Uma propriedade encontrada em alguns sólidos é que a isoterma de adsorção apresenta um comportamento diferente da isoterma de dessorção. A configuração dessas isotermas está esquematizada na Figura 6.8, onde se nota que no trecho de adsorção (ABC) o volume adsorvido é menor que no trecho de dessorção (CDA). 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos Figura 6.8. Isoterma de adsorção com histerese. Este fenômeno encontra como explicações, por exemplo, a mudança de ângulo de contato nos dois trechos, ou a existência de poros, tipo “garrafa”. Neste caso, a adsorção a pressão crescente se dá em um diâmetro maior, exigindo pressões maiores para o preenchimento com o líquido. No trecho de dessorção, a evaporação do líquido se dá no “gargalo da garrafa”, que por ser de menor diâmetro ocorre a pressões menores (Figura 6.9). 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.3. Distribuição do volume dos mesoporos Figura 6.9. Histerese de adsorção em poros com gargalos. Quando o diâmetro dos poros é da ordem de grandeza das próprias moléculas (cerca de 20 Å) a equação de Kelvin não tem mais significado visto que: 1º) A espessura da camada de adsorção passa a ser igual ou até maior que o raio previsto pela equação de Kelvin. 2º) Surgem novas forças entre as moléculas fisissorvidas porque elas necessitam se reacomodar no interior do orifício. Dubinin, em 1948 lançou um método sem um embasamento muito rigoroso, que permite estimar a área específica e o volume de microporos de um sólido. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.4. Volume dos microporos (r < 20 Å) Inicialmente ele supõe que o preenchimento dos microporos é dado por uma função gaussiana do tipo (6.12) onde: = RT ln (po/p) vmi = volume dos microporos = potencial de Polanyi v = volume dos microporos preenchido à pressão p p/po 0,1 (pressões muito baixas) Fazendo-se o logaritmo da expressão (6.12), temos: 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.4. Volume dos microporos (r < 20 Å) 2kε mi evv ln v = -k 2 + ln vmi ou seja, ln v = -k (RT)2 [ln (po/p)] 2 + ln vmi Fazendo-se um gráfico de ln v em função de [ln (po/p)] 2 deve-se obter um trecho de reta cujo prolongamento a p/po = 1 ou seja [ln (po/p)] 2 = 0 nos deve dar o volume dos microporos. 6.4. Aplicação da Fisissorção 6.4.4. Volume dos microporos (r < 20 Å) Finalmente, se conhecemos o volume adsorvido a p/po = 0,96 (rp = 250 Å) e a p/po = 0,5 (rp = 20 Å) podemos calcular o volume dos mesoporos: vme = v0,96 – v0,5
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