ADSORÇÃO COM FOCO NA ISOTERMA BET

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
Instituto Politécnico – Departamento de Engenharia Química
Mayra Avelar e Silva
ADSORÇÃO COM FOCO NA ISOTERMA BET
Artigo: Área superficial e porosidade da fibra alimentar do albedo de laranja
Belo Horizonte
2017
INTRODUÇÃO 
A adsorção é um processo de concentração ou acumulação de uma substância química sobre a superfície de um sólido, ou seja, na interface entre duas fases, como entre gás-sólido e líquido-sólido. A substância cuja superfície ocorre a adsorção é chamada de adsorvente e a substância adsorvida é o adsorbato.
Em geral, a adsorção é seletiva, exotérmica, depende da pressão parcial do gás adsorvido e também da estrutura dos materiais adsorventes. Esse processo pode ser físico ou químico. A adsorção física ocorre quando há somente forças do tipo dipolo-dipolo entre o adsorvato e a superfície do adsorvente, as interações são fracas e a energia liberada no processo é baixa, nesse processo pode-se formar camadas moleculares sobrepostas. Já a adsorção química ocorre quando há ligação química entre o adsorvente e o adsorvato e como há quebra ou formação de ligações o calor de adsorção é da mesma ordem dos calores de reação química, nesse processo se forma uma única camada molecular adsorvida.
O processo de adsorção ocorre em quatro etapas e para descobrir como o adsorvente irá de forma efetiva adsorver o soluto existem curvas chamadas Isotermas de Adsorção. Essas curvas representam uma estimativa da quantidade máxima de soluto que o adsorvente irá adsorver, além disso, elas também podem prever se o adsorvente é viável economicamente. Existem diversos modelos de Isotermas de Adsorção como a Teoria das Multicamadas BET.
As isotermas desenvolvidas por BET (Brunauer, Emmett & Teller, 1938) incluem um modelo similar à teoria de Langmuir para o fenômeno de adsorção mas de forma mais simplificada em que são introduzidas algumas hipóteses em que são admitidas a possibilidade de que uma camada tenha a capacidade de produzir sítios de adsorção o que gera a deposição de uma camada sobre a outra.
As hipóteses da Teoria das multicamadas BET são que há homogeneidade da superfície do sólido; Não se considera as forças horizontais entre uma molécula e suas moléculas vizinhas na mesma camada; Todas as camadas, exceto a primeira, são tratadas de modo equivalente e por fim a entalpia de adsorção é considerada igual à entalpia de condensação. 
	A equação da teoria de BET é expressa pela Equação 1:
		 (1)
Onde:
Ct : constante relacionada ao tamanho do poro;
P: pressão;
Po: pressão de saturação do gás;
Va: quantidade de gás adsorvido (mL);
Vm: capacidade de adsorção na monocamada.
Na sua forma mais simples o valor de C é encontrado seguindo a Equação 2:
 (2)
Em que:
C: concentração da espécie adsorvente;
q1: calor de adsorção da primeira camada;
ql: calor de liquefação do gás adsorvente.
Assim, reorganizando a equação, em sua forma linear tem-se:
 (3)
2. ANÁLISE DO ARTIGO
2.1. Resumo
ÁREA SUPERFICIAL E POROSIDADE DA FIBRA ALIMENTAR DO ALBEDO DE LARANJA
As fibras alimentares estão presentes principalmente em frutas, raízes, legumes, tubérculos, grãos e cereais e têm sido fonte de interesse de grande parte da população devido aos seus benefícios nutricionais. Essas fibras apresentam uma enorme variedade de propriedades físico-químicas pois são compostas por diferentes macromoléculas. As características físicas importantes para esse material particulado são a área superficial e o tamanho e distribuição de poros. 
Para determinar essas características existem técnicas de adsorção de gases que consistem na determinação da quantidade de adsorbato, necessária para formar uma monocamada sobre a superfície que irá ser medida. Normalmente o método das isotermas de BET (Brunauer, Emmett & Teller, 1938) é utilizado para essa determinação. A partir desse método e de sua equação pode ser avaliado o número de moléculas que é necessário para formar uma monocamada e a partir da área ocupada pela molécula que é conhecida calcula-se a área específica do material. Além disso, através do método de BET também é possível avaliar a porosidade do material.
Dessa forma, este artigo teve como objetivo mostrar as diferenças na estrutura da fibra de laranja obtida do albedo, um constituinte do resíduo sólido das indústrias processadoras de suco, em diferentes tamanhos e submetidas a dois métodos de secagem, através de adsorção na fase gasosa a baixa temperatura.
A metodologia empregada no artigo ocorreu através do estudo das características da fibra alimentar do albedo da laranja desidratada por liofilização e secador de leito fixo, estando separadas em três intervalos granulométricos de 0,420 a 0,150mm. Já as características da superfície das partículas foram investigadas usando-se adsorção de nitrogênio a baixa temperatura. Através do método de BET a área superficial específica, o volume e o diâmetro médio de mesoporo foram determinados, e por fim, a área superficial cumulativa, volume, diâmetro médio e distribuição de poros, usando-se o método BJH (Barret, Joyner and Halenda).
Os resultados demonstraram que diferentes métodos de secagem e tamanho das partículas promoveram diferenças significativas nas propriedades físicas da fibra.
2.2 MÉTODO DE BET
Para obtenção da isoterma de BET no artigo foram determinadas as medidas de área superficial específica, o volume de microporo e o diâmetro médio de poro. O método empregado foi o de adsorção de nitrogênio gasoso de alta pureza, utilizando - se banho de nitrogênio líquido em condições criogênicas (T = -196°C).
A partir dessa isoterma foram determinados os parâmetros físicos do particulado. A área superficial específica foi calculada a partir da equação em sua forma linear (Eq. 3). De acordo com essa equação a curva de P/Va (Po-P) em função de P/Po resulta em uma linha reta, cuja inclinação é obtida pela equação 4:
 (4) 
e sua interseção é: 
 
	
 (5)
Dessa forma a Figura 1 abaixo demonstra uma curva característica do método BET.
Figura 1. Representação característica do método BET
O volume da monocamada de gás adsorvido Vm e a constante C de BET, são calculados pela inclinação e o da interseção no intervalo de pressão relativa de 0,05 a 0,35:
 (6)
 (7) 
Já a área superficial específica, SBET ( m².g-1), da amostra é calculada por:
 (8)
Onde: 
σ: área efetiva ocupada por uma molécula de adsorbato (1,6 x 10-20 m² para o nitrogênio)
NA: o número de Avogadro (mol-1) 
m: a massa de absorbato (g) 
Vo: volume molar do gás a STP (cm3. mol-1).
Já o volume total de poro ou volume cumulativo (cm3.g-1) e o diâmetro médio do poro (Å) foram determinados a uma pressão relativa de 0,99.
Então a partir da teoria descrita é possível observar na Figura 2 a isoterma de BET obtida pela adsorção de nitrogênio para as fibras de albedo de laranja. Tem-se que B é o ponto que indica o término da formação de uma monocamada completa de adsorbato sobre o adsorvente, como mostrado na fase I. A fase II ocorre a formação da multicamada e a II a condensação capilar.
Figura 2. Isotermas de adsorção de nitrogênio para fibra alimentar de laranja
A partir da isoterma
pronta foi possível calcular o volume total adsorvido pela amostra liofilizada e seu valor encontrado foi de 1,934, 1,961 e 1,445 cm3.g-1 para os tamanhos 1, 2 e 3, respectivamente e os valores obtidos para amostras secadas em leito fixo de 0,690, 1,961 e 0,895 cm3.g-1 também respectivos aos tamanhos.
Pode-se observar também através da isoterma que a fibra alimentar de laranja submetida à desidratação por liofilização, obteve maior adsorção de nitrogênio do que as fibras desidratadas em secadores em leito fixo devido às características do processo de desidratação que promove pouco dano à estrutura celular do material.
Além disso, a área superficial específica, volume e diâmetro de mesoporos podem ser encontrados conforme mostra a Tabela 1 abaixo.
Tabela 1. Propriedades físicas dos poros da fibra alimentar do albedo de laranja submetida a liofilização e secagem em leito fixo separado por tamanhos de partículas
A área superficial da fibra alimentar de laranja submetida à secagem em leito fixo, apresenta valores próximos (0,82 a 1,19 cm2.g-1) enquanto a área superficial específica (SBET) da fibra liofilizada apresentou valores maiores de 2,24 a 1,65 cm2.g-1.
Dessa forma através dos resultados obtidos foi possível observar que a diferença no tamanho das partículas obtidos através do método da isoterma de BET podem promover diferenças significativas nas propriedades físicas da fibra alimentar do albedo de laranja. 
REFERÊNCIAS
ATKINS, P.W. Físico-Química: Fundamentos; 5ª ed. Rio de Janeiro, LTC Editora, 2011. 7. 
CASTELLAN, Gilbert W. Fundamentos de físico-química. Rio de Janeiro, LTC Editora, 2007
DE FÁTIMA, M. et al. Área Superficial E Porosidade Da Fibra Alimentar Do Albedo De Laranja. Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, v. 14, n. 3, p. 261–273, 2012.