Relatório Adsorção Azul de metileno em carvão ativado - Operações Unitárias

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
Departamento de Engenharia Química 
Laboratório de Operações Unitárias II 
Adsorção do corante azul de metileno em carvão ativado.
Alunos: Ana Júlia Porciúncula da Fonseca e Gustavo Lourenço Campos.
INTRODUÇÃO 
	Segundo Schneider (2008), a adsorção é um fenômeno de transferência de massa que explora a habilidade de certos sólidos em concentrar algumas substâncias fluidas em sua superfície. Isto, permite a separação de componentes presentes em soluções líquidas ou gasosas. Tendo em vista que é um fenômeno superficial, difere da absorção, que por sua vez, é a difusão de um componente do seio da solução para um material.
	Pode ser empregado no tratamento de efluentes da indústria têxtil, e o processo adsortivo é regulado por alguns parâmetros como área superficial e o volume dos poros do adsorvente. A área superficial restringe a quantidade de material que pode ser adsorvido e o volume dos poros restringe a dimensão das moléculas que podem ser adsorvidas. 
	Existem dois tipos principais de adsorção, a física e a química, sendo a primeira mais interessante às operações unitárias, pois é um processo reversível na maioria das vezes. Isto deve-se ao fato de que as forças de atração entre adsorvato e adsorvente são baixas, ou seja, interações intermoleculares dipolo-dipolo, ligações de hidrogênio e van der Waals. 
	Além da área superficial e o volume dos poros, outros fatores que também influenciam na adsorção são: a temperatura, tamanho das partículas do sólido, polaridade do solvente, concentração inicial do adsorvato, velocidade da agitação, relação sólido-solução, pH da solução, outras espécies competitivas e impurezas na superfície do adsorvente.
	A velocidade com a qual as moléculas do adsorvato são adsorvidas pode ser descrita pela cinética de adsorção. Portanto, depende das características físico-químicas do adsorvato, do adsorvente e da solução. 
	O mecanismo de adsorção de um composto em sólidos porosos pode ser segmentado em 6 etapas:
Contato entre as moléculas do adsorvato e a superfície externa do adsorvente;
Adsorção nos sítios da superfície externa;
Difusão das moléculas do adsorvato nos poros;
Adsorção das moléculas do adsorvato nos sítios disponíveis na superfície interna.
	As condições de equilíbrio dos sistemas podem ser descritas em diferentes modelos matemáticos, chamados de isotermas de adsorção. Estas curvas contêm informações sobre a quantidade do adsorvato adsorvido no equilíbrio em função da concentração remanescente. Os modelos mais relevantes são o de Langmuir e Freundlich.
	O modelo de Langmuir descreve o processo adsortivo seguindo alguns pressupostos: a existência de um número definido de sítios, que possuem energia equivalente, as moléculas adsorvidas não interagem umas com as outras, e a adsorção ocorre em uma monocamada. Portanto, cada sítio pode comportar apenas uma molécula adsorvida. A equação 1 representa a isoterma de Langmuir: 
						(1)
	Onde qe é a quantidade do soluto adsorvido por grama de adsorvente no equilíbrio, qmáx é a capacidade máxima de adsorção, b é a constante de interação adsorvato/adsorvente e Ce é a concentração do adsorvato no equilíbrio. 
	A equação 1 é rearranjada para outras formas lineares de modo que b e qmáx sejam determinados, como mostrado nas equações 2 e 3:
				(2)
					(3)
	Portanto, tomando como base a equação 3, a construção do gráfico Ce versus Ce/qe irá produzir uma linha reta, em sua maioria, obtida por um procedimento de ajuste linear por mínimos quadrados, cuja inclinação é 1/qmáx e o intercepto no eixo y é 1/qmáx.b.
	O modelo de Freundlich foi um dos primeiros a equacionar a relação entre a quantidade do material adsorvido e a concentração do material na solução em um modelo empírico. Isto faz com que seja aplicado em sistemas não ideais, em superfícies heterogêneas e de adsorção em multicamadas (CIOLA, 1981; MCKAY, 1996). 
	Tendo em vista que considera o sólido heterogêneo, o modelo admite uma distribuição logarítmica de sítios ativos, que possuem diferentes energias adsortivas. Esse tratamento é válido quando não existe interação apreciável entre as moléculas de adsorvato (FREUNDLICH, 1906 apud FEBRIANTO, 2009). 
	A equação da isoterma de Freundlich assume a seguinte forma: 
						(4)
	A equação 4 pode ser expressa na forma linearizada, tomando o logaritmo de cada lado, tornando-a:
					(5)
	Em que: qe é a quantidade de soluto adsorvido; Ce é a concentração de equilíbrio em solução; 1/n é a constante relacionada à heterogeneidade da superfície; Kad é a constante de capacidade de adsorção de Freundlich.
	Assim, para a determinação dos parâmetros Kad e 1/n, a partir de regressão linear, um gráfico de lnqe versus lnCe fornecerá uma inclinação de 1/n e um intercepto lnKad (FEBRIANTO, et al., 2009).
OBJETIVO
	Avaliar o processo de adsorção na indústria química, usando azul de metileno como alimentação e carvão ativado como adsorvente. Além disso, determinar a isoterma e o modelo de adsorção.
METODOLOGIA
Adsorção simulada no Jar-test
	Para início dos procedimentos, adicionou-se a cada um dos 6 jarros do Jar-test 1,5L da solução de azul de metileno e, simultaneamente, pesaram-se 6 amostras de 2 g de carvão ativado com granulometria entre 1-2mm. Em seguida, acionou-se a agitação em 400 rpm. Por fim, adicionou-se o carvão ativado e iniciou-se a contagem do tempo. 
	A cada meia hora de teste, recolheram-se alíquotas de 20mL de cada um dos recipientes em Erlenmeyers e fizeram-se as diluições convenientes a fim de obtermos alíquotas com diferentes concentrações. Analisou-se cada uma das alíquotas no UV/Vis a fim de determinar a concentração de azul de metileno por absorbância.
 
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Todos os dados obtidos nos procedimentos descritos no Item 3.1 encontram-se na Tabela 1.
Tabela 1 - Dados do processo de extração adsorção do azul de metileno
	Tempo (min)
	Concentração
(mg/L)
	
	I
	II
	III
	IV
	V
	VI
	0
	60,8
	95,9
	137,6
	170,5
	197,6
	250,4
	30
	60,2
	92,6
	135,2
	164,9
	192,8
	248,6
	60
	62,9
	90,6
	132,9
	160,3
	186,7
	244,2
	120
	60,3
	89,6
	130,4
	146,5
	191,1
	244,3
	180
	55,0
	88,9
	127,0
	141,2
	190,3
	244,0
	220
	53,2
	86,5
	123,7
	155,2
	187,9
	235,8
	250
	52,0
	92,9
	122,0
	158,2
	184,3
	243,8
Fonte: Elaborado pela autora.
Tratamento dos dados
	Para plotagem dos gráficos, calcularam-se os logaritmos das concentrações (lnCe), os valores de quantidade de adsorvato no sólido (qe) e o logaritmo dessa, além da razão entre as concentrações e a quantidade de adsorvato. Essa quantidade pode ser calculada de acordo com a seguinte equação:
					(6)
	Onde Cn é a concentração inicial de cada um dos 6 jarros do Jar-test, Ce é a concentração de adsorvato na solução remanescente, m é a massa de adsorvente e V é o volume dos jarros. 
	Sabe-se que o volume de cada jarro do Jar-Test é igual a 1,5 litros de volume e a massa de adsorvato adicionada ao sistema é de 2 grama. Todos os valores calculados encontram-se na Tabela 2:
Tabela 2 – Quantidade de adsorvato no sólido, logaritmos e Ce/Qe em 220 minutos
	
	Jarros
	
	I
	II
	III
	IV
	V
	VI
	Qe
	5,70
	7,05
	10,43
	11,48
	7,27
	10,95
	lnQe
	1,74
	1,95
	2,34
	2,44
	1,98
	2,39
	lnCe
	4,01
	4,49
	4,84
	4,95
	5,25
	5,50
	Ce/Qe
	9,33
	12,27
	11,87
	13,53
	25,83
	21,53
Fonte: Elaborado pelos autores.
	A partir dos valores registrados na Tabela 2, constroem-se as isotermas de Freundlich (Gráfico 1) e Langmuir (Gráfico 2). Além disso, com os dados da Tabela 1 pode-se observar o comportamento da solução com o decorrer do tempo.
Gráfico 1 - Isoterma de Freundlich
Fonte: Elaborado pelos autores.
Gráfico 2 - Isoterma de Langmuir
Fonte: Elaborado pelos autores.
Gráfico 3 - Comportamento da quantidade de adsorvato no sólido com a concentração na solução remanescente com o em 220 minutos
Fonte: Elaborado pelos autores.
Discussão dos resultados
	O conteúdodos béqueres foi analisado em espectrofotômetro, para determinação da concentração e, posteriormente, relacioná-la com o tempo do processo. Isso permitiu avaliar como a adsorção se comportou ao longo do tempo, a fim de verificar a variação de capacidade adsorvente do carvão ativado à medida em que o azul de metileno era adsorvido em sua superfície.
	No gráfico 3 pode-se observar que há uma variação irregular entre quantidade de adsorvato no sólido e a concentração deste na solução remanescente. Um dos fatores que pode ter desencadeado tal efeito é a saturação do adsorvente, diminuindo a sua capacidade adsortiva. Além disso, erros operacionais podem ter acontecido, uma vez que a prática envolve partes delicadas como mexer no espectrofotômetro e retirar alíquotas ao mesmo tempo do Jar test.
	Comparando os resultados obtidos, a isoterma que melhor se encaixa nessa atividade é a de Langmuir, uma vez que a regressão linear rendeu 0,7028. Enquanto que, a isoterma de Freundlich obteve uma regressão de 0,4839.
	A partir da equação 3, construiu-se a isoterma de Langmuir, traduzida no gráfico Ce versus Ce/qe (gráfico 2), cuja inclinação é 1/qmáx e o intercepto no eixo y é 1/qmáx.b. O comportamento esperado era linear, contudo, ocorreram interferências tanto operacionais quanto humanas, o que provocou tal divergência. Fez-se o procedimento de ajuste linear por mínimos quadrados, e os valores encontrados para a quantidade do soluto adsorvido por grama de adsorvente no equilíbrio (qe) e a capacidade máxima de adsorção (qmáx) foram, respectivamente, 12,36 mg/g e 0,018 mg/g. 
	Já a isoterma de Freundlich é expressa no gráfico de lnqe versus lnCe (gráfico 3). A partir da regressão linear do gráfico é possível determinar os seguintes parâmetros: constante de capacidade de adsorção de Freundlich (Kad) e a constante relacionada à intensidade de adsorção (n) e, consequentemente, à heterogeneidade da superfície. Diante disso, os valores encontrados para a constante de capacidade de adsorção de Freundlich (Kad) e a constante relacionada à intensidade de adsorção (n) foram, respectivamente, -1,11 mg1--(1/n).(g-1) L1/n e 2,67.
CONCLUSÃO 
	Apesar dos erros cometidos durante o experimento, foi possível entender a utilização das isotermas de adsorção e para que servem os processos desse cunho. Avaliando o processo, para a escolha do melhor modelo, pode-se observar que a isoterma de Langmuir descreve o fenômeno da melhor forma que a de Freundlich.
REFERÊNCIAS 
CIOLA, R. Fundamentos da catálise. São Paulo: Moderna, 1981.
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: < https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030438940800928X>. Acesso em: Acesso em: 16 nov. 2018. 
HO, Y. S.; MCKAY, G. A kinetic study of dye sorption by biosorbent waste product pith. Resources, Conservation and Recycling, v. 25, p. 171-193, 1 mar. 1999. Disponível em: <http://dns2.asia.edu.tw/~ysho/YSHO-English/Publications/PDF/Res%20Con%20Rec25,%20171.pdf>. Acesso em: 13 nov. 2018.
SCHNEIDER, E. L. Adsorção de compostos fenólicos sobre carvão ativado. Universidade Federal do Oeste do Paraná, 2008. Disponível em: <http://www.unioeste.br/eq/peq/dissertacoes/eduardo_luiz_schneider.pdf>. Acesso: 13 nov. 2018.