Adsorção de gases – Aplicações

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Adsorção de gases – Aplicações 
Data: (05/12/2017).
Colóides e Fernômenos de Superfícies. 
Resumo
A adsorção gasosa é muito utilizada em diversos processos industriais, podendo-se destacar a separação de gases emitidos durante as etapas de produção ou em outros processos, como a purificação de um produto, por exemplo. Um dos meios utilizados para esse tipo de separação é a adsorção gasosa em torres de adsorção, nas quais a fase gasosa,ao entrar em contato com uma fase sólida, fica retida na mesma. A superfície do sólidopode ser alterada fisicamente e quimicamente, dependendo do produto de interesse, para que se possa obter os maiores rendimentos possíveis. Um dos melhores exemplos de aplicação é a remoção degás sulfídrico (H2S)de fontes de gás natural utilizado pelas indústrias petrolíferas. O gás sulfídrico é tóxico e deve ser retirado tanto para a preservação industrial (envenenamento de catalisadores) quanto para a proteção ambiental e humana, e para isso, estudos com diversos sólidos adsorventes, como o carvão ativado, têm sido realizados. Todo o processo de remoção deste gás (não somente deste, mas também para outros gases) pode ser descrito pela isoterma de Langmuir e segue os parâmetros teóricos de adsorção gasosa que já estão muito bem estabelecidos na literatura.
Apresentação
A adsorção é um fenômeno físico-químico onde o componente em uma fase gasosa é transferido para a superfície de uma fase sólida. As operações de adsorção de gases possuem inúmeras aplicações não somente em indústrias químicas, mas também em petroquímicas, alimentos, bem como em equipamentos de purificação (remoção de impurezas indesejáveis como H2S do gás natural e de produtos orgânicos da água).
Em geral, para que se obtenha um alto rendimento nesses processos são utilizadas torres de adsorção que são preenchidas com materiais sólidos em sua maioria porosos como, por exemplo, zeólitas, alumina ativada, sílica-gel e carvão ativado, sendo este o mais utilizado devido à sua disponibilidade, custo e eficiência.
Na Torre de Adsorção tem-se um processo de difusão com o transporte de gás (por exemplo, CO2) para a superfície de um material sólido, neste caso o carvão, purificando o ar que entra sujo pelo topo da coluna. O adsorvente presente deve apresentar alta seletividade pelo gás e, conforme a corrente gasosa vai passando pelo leito, ocorre a saturação do mesmo sendo, em seguida, realizado um tratamento de regeneração desse leito. Depois de regenerado e resfriado, a coluna com o adsorvente pode ser colocada novamente no ciclo de adsorção. Este processo pode alcançar uma eficiência de até 100%.
O primeiro passo para o desenvolvimento de um processo de separação por adsorção é, geralmente, a escolha de um adsorvente adequado para uma determinada separação, que possua suficiente seletividade, estabilidade e elevada capacidade de adsorção, pois de outra forma, o equipamento necessário para o processo de separação se tornaria muito grande. 
Um processo de extrema importância e que é muito utilizado em indústrias do ramo petrolífero é a remoção de sulfeto de hidrogênio (H2S) na purificação do gás natural. O sulfeto de hidrogênio é um gás incolor, possui um cheiro desagradável, é extremamente tóxico e mais denso do que o ar (1,36 g/cm3). O gás é bastante inflamável e sua temperatura de autoignição é de 260°C.
O H2S pode ter origem na natureza, proveniente dos campos de petróleo e gás natural, principalmente. Nos segmentos industriais é oriundo de processos de remoção química e/ou lavagens de gases ácidos, sistemas de tratamentos de efluentes, fermentações, etc.
É conhecido desde o século XVIII que o gás gerado é toxico para o ser humano (efeitos mostrados na Tabela 1), entretanto ainda ocorrem casos de intoxicações com grande número de mortes. Além da toxicidade, a agressividade também se encontra sobre os materiais e equipamentos industrias, resultando em deterioração ou fraturas de materiais ferrosos causando grandes prejuízos. Portanto é de extrema importancia que se monitore a concentração de H2S no ar para evitar riscos à saúde dos trabalhadores na indústria, problemas ambientais e de maquinário.
	No ramo petrolífero é necessário que se retire os H2S do gás natural que se encontra nas jazidas de petróleo antes de realizar qualquer processo de transformaçao do gás natural, já que o H2S se adsorve aos catalisadores utilizados e faz com que os mesmos se tornem quase que inativos, atrapalhando o processo de produção, processo conhecido como envenenamento.
Para a adsorção do sulfeto de hidrogênio e remoção do mesmo de correntes gasosas utiliza-se um processo de tratamento de acordo com a concentração, pressão, temperatura e alguns outros fatores do gás contaminante. O tratamento pode ser feito via a utilização de um biofiltro, no qual o gás é degradado por microorganismos presentes no biofilme formado no material suporte (geralmente, carvão ativado).
Na maior parte dos processos são utilizadas torres de adsorção recheadas com carvão ativado (Fig. 1), que são caracterizados por uma grande área superficial entre 300 – 4000 m2/g. O carvão ativado apresenta uma forma microcristalina e conta com mesoporos de 3,0 a 8,0 nm, onde o gás contaminante é adsorvido e oxidado na superfície, produzindo enxofre elementar e depositando-se nos poros do adsorvente. 
As principais fontes carbonáceas são turfa, madeira de alta e baixa densidade, carvão betuminoso, resíduos agroindustriais, casaca de coco, etc. No entanto, o uso desses materiais pode ser considerado oneroso devido às perdas no processo de recuperação. Assim, novas alternativas vêm sendo estudadas para a substituição da matéria-prima na fabricação de carvão ativado por outro material que possua uma eficiente capacidade de adsorção e baixo custo. Após pesquisas, algumas indústrias já utilizam lodo proveniente das estações de tratamento de efluentes como matéria-prima carbonácea, o que tem resultado em um material atrativo na produção de carvão ativado.
Fig. 1: Representação da estrutura porosa do carvão ativado e moléculas orgânicas adsorvidas em sua superfície (GARCIA, C. 2014).
A preparação do lodo envolve, primeiramente, secagem seguida de peneiramento. Após esses processos ocorre o tratamento térmico utilizando o processo de pirólise simples, para que se maximize o volume dos poros do carvão formado. A etapa de pirólise é realizada em atmosfera contendo ar diluído em nitrogênio (1:5) com aquecimento até cerca de 700 °C. Em alguns casos, o lodo tratado termicamente apresenta o dobro da capacidade obtida com o uso da casca de coco como fonte de matéria-prima, por exemplo. 
Antes da aplicação propriamente dita do carvão se faz necessário caracterizar/estudar o volume total dos seus poros, área superficial específica e distribuição de tamanhos de poros. Este processo também se utiliza dos conceitos de adsorção gasosa através de medidas de isotermas de adsorção/dessorção de N2 (Fig.2):
Fig. 2: Exemplo de uma isoterma de adsorção/dessorção de N2 em diferentes carbonos ativados a -196,15 °C (MENEZES, R. 2017).
A área superficial específica pode ser determinada pela equação: 
Onde:é a área superficial específica, Na = 6,02.1023 mol-1, é a área ocupada por uma molécula de N2 (0,162 nm2) e é o número de mols numa monocamada completa.
Já o volume total de poros é dado por:
Onde M é a massa molar do N2 (28,09 mol-1), é a densidade do nitrogênio líquido (0,809 g.cm-3) e é o número de mols adsorvidos.
Em alguns casos, esse carvão proveniente do lodo recebe um tratamento de ativação química com iodo. Em seguida, a coluna de adsorção é preenchida, constituindo o leito fixo. Sabe-se que essa coluna possui um tempo de trabalho que é determinado pela sua capacidade de adsorção. Esta capacidade é estudada através da construção de uma curva de ruptura (Fig. 3) que é dada pelo comportamento da adsorção sobre o adsorvente numa coluna ao longo do tempo até sua saturação.
Como pode ser observado na Fig. 4, no início do processo as partículas do adsorventeestão livres de adsorbato, e à medida que a corrente passa na coluna, o material adsorve rapidamente o adsortivo. O ponto de ruptura ocorre em CA3, a partir desse ponto, a concentração do adsortivo no efluente aumenta rapidamente até chegar ao ponto CA4, onde praticamente não ocorre nenhuma adsorção, já que a coluna está saturada.
Fig. 3: Curva de ruptura até saturação do sistema de adsorção (MENEZES, R. 2017).
O tempo para atingir o ponto de ruptura geralmente diminui com a diminuição do comprimento do leito, aumento do tamanho do particulado adsorvente e aumento na vazão da coluna.
Fronteiras tecnológicas
O processo de adsorção gasosa é relativamente simples, entretanto muito eficaz. As possibilidades de aplicação desta técnica são inúmeras e, de fato, muitas indústrias a aplicam, não somente para a confecção de filtros (que visam purificar gases das etapas de produção), mas também como meio de acelerar e aumentar a eficiência do processo produtivo como um todo. A remoção de gases poluentes (como o H2S) por torres de adsorção é muito eficaz (rendimento de aproximadamente 100%) e a utilização de carvão ativado como sólido adsorvente também se mostra vantajosa (já que este possui alta disponibilidade e baixo custo), porém ainda são desenvolvidas pesquisas que visam a implementação de outros materiais adsorventes ou, até mesmo, tratamentos físico-químicos que melhorem os materiais que já são aplicados.
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 Menezes, R. Desempenho de carbonos ativados para a remoção de H2S do biogas. Universidade Federal do Ceará, Fortaleza - 2017.
2Masel, B. Adsorção em carvão ativado e outros materiais. 2006.
3 Garcia, C. Operação de unidade de adsorção em leito fixo para remoção de H2S de corrente gasosa. Universidade de São Paulo – 2014.
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