Adsorção: Fenômeno Físico-Químico

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ADSORÇÃO
INCONFIDENTES – MG
2017
ADSORÇÃO
Relatório apresentado ao curso de Engenharia de Alimentos do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sul de Minas / Inconfidentes como pré-requisito para aprovação na disciplina de Físico-Química I.
Professor: Dsc. Alison Geraldo Pacheco.
INCONFIDENTES – MG
2017
EQUIPE TÉCNICA
Brenda Sobreiro Barbosa
Isabela Christina Cézar
Otávio Augusto Guidini
Rafael Júnior de Andrade
Raquel Coldibelli Ribeiro
Suzara Rayanne Ferreira Soares
Taynara Michelli Rodrigues Souza
RESUMO
O experimento consistiu na adsorção – fenômeno físico-químico em que um componente na fase líquida ou gasosa é transferido para uma superfície de fase sólida - de um ácido sobre carvão vegetal. Depois de realizar todos os procedimentos, observou-se que o experimento foi favorável em relação ao modelo utilizado, que foi o de Freundlich.
	
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO........................................................................................03
OBJETIVO.........................................................................................................06
2. MATERIAIS E REAGENTES........................................................................06
3. METODOLOGIA............................................................................................07
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO....................................................................09
5. CONCLUSÃO................................................................................................12
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................12
INTRODUÇÃO
Segundo Andia (2009) 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. 
Usualmente o adsorvente é composto de partículas que são empacotadas em um leito fixo por onde passa a fase fluida continuamente até que não haja mais transferência de massa. Como o adsorvato concentra-se na superfície do adsorvente, quanto maior for esta superfície, maior será a eficiência da adsorção (MASEL, 1996; BRUCH 1997 Apud ANDIA, 2009).
Um exemplo bastante utilizado de agente adsorvente é o carvão ativado. Esse tipo de carvão é produzido de forma a se manter a porosidade do mesmo. Para que isso ocorra, ele é produzido a partir de certas madeiras e sua queima é realizada com baixo teor de oxigênio, controlando-se ainda a temperatura (MOORE, 2005). 
Segundo Letterman (1999) Apud Andia (2009); a adsorção de moléculas pode ser representada como uma reação química:
A + B ⇌ A.B
Onde: A é o adsorvato, B é o adsorvente e A.B é o composto adsorvido.
Os compostos permanecem adsorvidos na superfície do adsorvente pela ação e diversos tipos de forças químicas como:
Ligações de Hidrogênio
Interações Dipolo-Dipolo
Forças de London ou Van der Waals
Quando as moléculas de adsorvato presentes na fase fluída atingem a superfície do adsorvente, a força residual, resultante do desequilíbrio das forças de Van der Walls que agem na superfície da fase sólida, criam um campo de forças que atrai e aprisiona a molécula. O tempo que a molécula de adsorvato fica ligada à superfície do adsorvente depende diretamente da energia com que a molécula é adsorvida, ou seja, é uma relação entre as forças exercidas pela superfície sobre essas moléculas e as forças de campo das outras moléculas vizinhas. 
Existem basicamente dois tipos de adsorção: a adsorção física ou fisiossorção e a adsorção química ou quimiossorção. No entanto, em certas ocasiões os dois tipos podem ocorrer simultaneamente. A adsorção física ocorre por uma diferença de energia e/ou forças de atração, chamadas forças de Van der Waals, que tornam as moléculas fisicamente presas ao adsorvente. Estas interações têm um longo alcance, porém são fracas. A energia produzida quando uma partícula é fisicamente adsorvida é da mesma ordem da entalpia de condensação. Este tipo de adsorção é sempre exotérmico e reversível. O equilíbrio é estabelecido rapidamente, a menos que ocorra a difusão através da estrutura porosa. A fisiossorção corresponde a interações intermoleculares entre a partícula e os átomos superficiais do sólido. Origina-se pela atração entre dipolos permanentes ou induzidos, sem alteração dos orbitais atômicos ou moleculares das espécies comprometidas. Recebe também o nome de adsorção de Van der Waals.
Entretanto, a quimiossorção, corresponde a uma interação de tipo químico, na qual os elétrons de enlace entre as moléculas e o sólido experimentam rearranjamento e os orbitais respectivos mudam de forma, de modo similar a uma reação química. Mas nem sempre a alteração eletrônica é completa no sentido dos enlaces químicos comuns, covalentes ou iônicos; pode ocorrer somente uma modificação ou deformação parcial dos orbitais. Com exceção de alguns casos, a adsorção química é exotérmica e reversível (ANDIA, 2009).
Os fenômenos de adsorção são resultados de uma combinação entre os tipos de forças envolvidas na adsorção física e química. Desta forma, são vários os fatores que influenciam o processo de adsorção como a área superficial, as propriedades do adsorvente e do adsorvato, a temperatura do sistema, natureza do solvente e o pH do meio. É um processo que depende de vários fatores tais como: natureza do adsorvente, do adsorvato e das condições operacionais. As características do adsorvente incluem: área superficial, tamanho do poro, densidade, grupos funcionais presentes na superfície e hidrofobicidade do material. Por outro lado, a natureza do adsorvato depende da polaridade, do tamanho da molécula, da solubilidade e da acidez ou basicidade. As condições operacionais incluem, principalmente, temperatura, pH e natureza do solvente (NASCIMENTO et al, 2014).
A isoterma de adsorção é a relação de equilíbrio entre a concentração na fase fluida e a concentração nas partículas adsorventes a uma dada temperatura. Para gases, a concentração é dada em porcentagem molar como uma pressão parcial. Para líquidos, a concentração geralmente é expressa em unidades de massa. A concentração do adsorvido no sólido é dada como massa adsorvida por unidade de massa do adsorvente. Os processos de adsorção foram primeiramente observados em sólidos porosos que tinham a capacidade de captar seletivamente grandes quantidades de gás em seus vazios. De acordo com a quantidade de adsorvato presente no gás, há uma quantidade definida de adsorvato presente na fase adsorvida. Isto ocorre quando se atinge o equilíbrio. Essas relações de equilíbrio são apresentadas em forma de modelos que correlacionam matematicamente as quantidades adsorvidas em equilíbrio com o meio circundante. Algumas características, tais como a natureza do sólido (sítios ativos e distribuição de poros) e natureza do adsorvato (dipolos, forma e tamanho molecular) são determinantes no equilíbrio (ANDIA, 2009).
Isoterma de Freundlich
O modelo proposto por Freundlich foi um dos primeiros a equacionar a relação entre a quantidade de material adsorvido e a concentração do material na solução em um modelo com características empíricas. Este modelo empírico pode ser aplicado a sistemas não ideais, em superfícies heterogêneas e adsorção em multicamada (NASCIMENTO, 2014).
O modelo considera o sólido heterogêneo, ao passo que aplica uma distribuição exponencial para caracterizar os vários tipos de sítios de adsorção, os quais possuem diferentes energias adsortivas (FREUNDLICH, 1906 apud FEBRIANTO, 2009)
A isoterma de Freundlich a qual é uma formulação empírica, está expressa como:
(1)
Onde:
q:quantidade de soluto adsorvido por unidade de massa do adsorvente,(mg g-1)
Ce: Concentração de soluto de equilíbrio, (mg L-1)
Kad en: constantes experimentais.
Kad indica a capacidade da adsorção do adsorvente; n indica o efeito da concentração na capacidade da adsorção e representa a intensidade da adsorção. 
Para facilitar o ajuste do modelo aos dados experimentais e seus parâmetros de avaliação, a equação (1) pode ser transformada em uma expressão de forma linear:
OBJETIVO
Estudar a adsorção do ácido acético sobre carvão vegetal. Calcular as constantes de adsorção em função da concentração do ácido usando o modelo de Freundlich. 
MATERIAIS E REAGENTES
12 erlenmeyers de 250mL
2 buretas de 50mL
1 pipeta de 10mL
1 pipeta de 25mL
1 pipeta de 50mL
7 balões volumétricos de 100mL
1 béquer de 250mL
1 funil
Papel filtro
Ácido acético 0,5M
Hidróxido de Sódio 0,5 M
 20 g de carvão ativo
Fenolftaleína
4,093g de Biftalato de Potássio 
Agitador Magnético 
Balança semi-analítica 
METODOLOGIA
Para padronizar o NaOH a 0,5 mol/L, calculou-se a solução de Biftalato de Potássio:
0,2 = m . m= 4,093g
 204,22 . 0,1
Colocou-se essa massa em um balão volumétrico enchendo-o até a marca do menisco com água destilada. Levou-se a solução no agitador magnético para a completa homogeneização. E após completamente homogeneizado, com a ajuda de uma pipeta, retirou-se 10mL da solução e transferiu-se para o erlenmeyer, colocando por fim 3 gotas de fenolftaleína.
Prendeu-se a um suporte universal uma bureta com NaOH, já feita ambiente, e posicionou-se o erlenmeyer para que o NaOH caísse lentamente para dentro dele, sempre agitando o erlenmeyer até que atingisse uma cor rósea e anotando o volume encontrado na bureta. Repetiu-se esse procedimento 3 vezes encontrando os valores: 4,5mL, 4,7mL e 4,7mL.
Tirou-se a média dos volumes encontrando 4,63mL e calculou-se:
[NaOH] . 4,63 = 0,2004 . 10
[NaOH] = 0,43287 mol/L
Para padronização do Ácido Acético a 0,5 mol/L, colocou-se 10mL deste acido, com a ajuda de uma pipeta, em um erlenmeyer e acrescentou-se 3 gotas de fenolftaleína.
Deixou-se escoar pela bureta o NaOH, até encontrar a cor rósea no erlenmeyer sempre agitando-o e anotou-se o volume. Repetiu-se esse procedimento três vezes encontrando os valores: 10,8, 10,7 e 10,8.
Tirou-se a média dos volumes encontrando 10,766mL e calculou-se:
0,43287 . 10,766 = [HAc] . 10
[HAc] = 0,4660278 mol/L
Com a solução padronizada preparou-se 5 soluções de 100mL de ácido, em diferentes concentrações. Para isso, usou-se 5 balões volumétricos de 100mL usando os valores da tabela abaixo:
Tabela 1. Valores das concentrações obtidos da diluição do Ácido Acético padronizado.
	SOLUÇÃO
	1
	2
	3
	4
	5
	Hac Padronizado(mL)
	50
	25
	10
	5
	2
	Água destilada (mL)
	50
	75
	90
	95
	98
	Concentração obtida (Mol/L)
	0,2330139
	0,11650695
	0,04660278
	0,02330139
	0,009320556
FONTE: Autoral.
Pesou-se 5 erlenmeyer com rolha e 5 amostras de carvão de 0,25g cada. Transferiram-se as soluções preparadas para os erlenmeyer que contem carvão ativo e começou-se há notar o tempo. Deixou-se a mistura sob agitação por 45 minutos. Em seguida deixou-se o carvão decantar e filtrou.
Usou-se 10mL da amostra 1 e titulou com hidróxido de sódio, utilizando como indicador a fenolftaleína. Fez-se o mesmo procedimento com as amostras 2, 3, 4 e 5.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
 Com base nos dados experimentais descritos na tabela 1, podem-se calcular os valores K e n descritos pela isoterma de Freundlich e com isso discutir os processos envolvidos.
“Em processos de adsorção, o estudo do equilíbrio fornece informações fundamentais para avaliar a afinidade ou capacidade de adsorção de um adsorvente pelo adsorvato. A condição de equilíbrio de adsorção é descrita através de gráficos que relacionam a quantidade de soluto adsorvida com a concentração de soluto que permanece em solução no equilíbrio” (ANDIA, 2009). 
Estes gráficos são denominados de isotermas de adsorção e refletem a capacidade de adsorção do adsorvente pelo soluto sob determinadas condições experimentais em que o processo é submetido (Masel, 1996; Brunch, 1996; Eckenfelder, 2002; Metcalf, 2003 Apud ANDIA, 2009).
	Tabela 2. Dados Experimentais
	Amostra
	Água (mL)
	Ácido (mL)
	Carvão (g)
	NaOH(mL)
	1
	50
	50
	0,252
	4,9
	2
	75
	25
	0,252
	2,4
	3
	90
	10
	0,255
	0,9
	4
	95
	5
	0,252
	0,4
	5
	98
	2
	0,255
	0,1
	FONTE: Autoral.
Por meio dos dados obtidos pode-se calcular a diferença de massa do soluto em solução antes e após seu contato com o adsorvente com isso chegar os valores de x que representa a quantidade de soluto adsorvido pelo carvão vegetal. Por meio desses dados, melhor descrito na Tabela 2 pode-se construir o gráfico 1 que de modo mais generalizado nos da a isoterma de adsorção da razão entre a quantidade de soluto adsorvido em relação à massa do adsorvente versus Concentração de equilíbrio (c). Sendo esta Isoterma linear e que nos mostra que, conforme a concentração do ácido acético diminui em solução, a adsorção pelo adsorvente que no caso é o carvão vegetal, também diminui.
	Tabela 3. Tratamento dos dados experimentais 
	Amostra
	MHac Inicial (g)
	MHac Final (g)
	M 
(g)
	X
	Log x/m
	Log c
	1
	1,401
	1,274
	0,252
	0,127
	-0,298
	-0,67345
	2
	0,700
	0,624
	0,252
	0,076
	-0,521
	-0,98343
	3
	0,280
	0,234
	0,255
	0,046
	-0,744
	-1,4094
	4
	0,140
	0,104
	0,252
	0,036
	-0,845
	-1,76158
	5
	0,056
	0,026
	0,255
	0,03
	-0,929
	-2,36364
FONTE: Autoral.
Gráfico I. Isoterma de Adsorção da Razão entre a Quantidade de soluto adsorvido em relação à massa do adsorvente versus Concentração de equilíbrio (c).
FONTE: Autoral.
No entanto quando aplicamos esses valores à equação de Freundlich, em que é retirado o log dos valores anteriormente mencionado, pode-se construir um segundo gráfico (Gráfico II) Em que se observa que os valores não estão mais dispersos, e agora com esses valores podemos calcular K e n assumindo K como o valor linear da equação da reta e n como o valor angular. Com isso sendo possível encontrar seus valores.
Gráfico II. Isoterma de Adsorção de Freundlich do Ácido Acético em Carvão Ativado.
FONTE: Autoral.
Tabela 4. Valores das Constantes
	K
	n
	1/n
	0,729
	2,713
	0,3686
	
FONTE: Autoral.
A constante 1/n tem valor entre 0 e 1 e está relacionada a heterogeneidade da superfície. Quanto mais próxima de 0, mais heterogênea é a superfície. n indica o efeito da concentração na capacidade da adsorção e representa a intensidade da adsorção. A constante K é uma medida aproximada da capacidade de adsorção do adsorvente. Quanto maior seu valor, maior é a capacidade de adsorção (Silva, 2005)
O valor n é uma constante que indica a intensidade de adsorção e também é conhecido como uma medida da linearidade desde que: se n é igual à unidade, o processo de adsorção é linear, e por tanto os sítios de adsorção são homogêneos em energia e não haveria nenhuma interação entre as espécies adsorvidas. Para valores de n menores que a unidade, a ligação entre o adsorvato e o adsorvente é muito fraca e por tanto o processo de adsorção não é favorável e a capacidade de adsorção decresce. No entanto, para valores de n maiores que a unidade, o processo de adsorção é favorável, consequentemente a capacidade de adsorção incrementasse, indicando que os íons das espécies presentes são favoravelmente adsorvidos sob as condições experimentais testadas. (Sivaraj, 2001; Pino, 2004; Seki, 2006; Cegeloglu, 2007 Apud ANDIA, 2009).
 
CONCLUSÃO
A partir do que diz o referencial teórico e nos valores obtidos, pode-se concluir com base na isoterma de Freundlich, que melhor se aplica a fenômenos de adsorção que ocorrem com formação de multicamadas, sendo este processo de adsorção do tipo físico ou fisiossorção, e que o processo de adsorção do acido acético pelo carvão vegetal é favorável sendo a superfície do mesmo heterogêneo e quanto maior a concentraçãode ácido acético maior a adsorção, sendo está do tipo reversível.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
FEBRIANTO, J. et al. Equilibrium and kinetic studies in adsorption of heavy metals using biosorbent: A summary of recent studies. Journal of Hazardous Materials, v. 162, p. 616-645, 15 mar. 2009. Disponível em: <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030438940800928X> Acesso em: Acesso em: 11 out. 2017.
MOORE, W.D. Físico Química. 4ª ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2005.
NASCIMENTO, R. F. do.; LIMA, A. C. A. de.; VIDAL, C. B.; MELO, D. de. Q.; RAULINO, G. S. C. Adsorção: aspetos teóricos e aplicações ambientais. Fortaleza: Imprensa Universitária, 2014. 256 p.
ANDIA, J. P. M. Remoção de Boro de Águas e Efluentes de Petróleo por Adsorção. 2009. 138p. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais e de Processos Químicos e Metalúrgicos) – Pontifícia universidade católico do Rio de Janeiro, PUC –RIO.