ROTEIRO_Processos_ADSORTIVOS

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO 
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
 LABORATÓRIO 
DE ENGENHARIA 
QUÍMICA 
 Vol. 9 pp. 1-8 
 
 
OPERAÇÕES E PROCESSOS ADSORTIVOS 
CINÉTICA-EQUILÍBRIO E DINÂMICA DE ADSORÇÃO 
 
 
INTRODUÇÃO 
 Interações fluido-sólido, envolvendo contato de componentes de fases fluidas com as 
superfícies de sólidos podem destacar efeitos físicos e/ou químicos. No processo adsortivo as 
espécies das fases fluidas aderem e podem ser retidas ou não nas superfícies em dois 
principais níveis de interação. Um primeiro tipo, de natureza física, é dito adsorção física. 
Interações mais fortes, em níveis energéticos das reações químicas são identificadas como 
adsorção química. Etapas de liberação dos componentes adsorvidos incorrem sobre o 
fenômeno de dessorção. 
 Decorrentes das possibilidades de interações em diferentes níveis, devido às naturezas 
dos componentes das fases fluidas e dos materiais sólidos adsorventes, os processos 
elementares de adsorção e dessorção podem ser utilizados para a operacionalização de 
processos de separação, em catálise, como técnicas analíticas e em tratamentos de remoção de 
impurezas e subprodutos. Caracterizado o potencial de materiais para aplicação como 
adsorvente, busca-se viabilizar suas aplicações como agentes determinantes nos processos 
adsortivos. Para tais fins orientam-se seus usos em termos cinéticos e de equilíbrio, 
procurando-se garantir tempos exeqüíveis de processamento e capacidades adsortivas 
significantes para determinadas interações adsorvente-adsorvato. 
 
OBJETIVOS 
 O presente desenvolvimento experimental recorre à prática de contatos gás-sólido e 
líquido-sólido, objetivando levantando dados que descrevem os comportamentos cinéticos e 
de equilíbrio das correspondentes interações adsortivas. De modo específico, os resultados 
identificados devem ser adequados aos respectivos modelos de previsão de equilíbrio e 
cinético, fornecendo valores dos parâmetros característicos capacidade de adsorção, 
constantes de equilíbrio de adsorção e constante cinética de adsorção. Aplicações 
experimentais são realizadas com o cálculo de operações de remoção em batelada e para um 
processo adsortivo contínuo fluido-sólido. 
 
FUNDAMENTOS 
1. Cinética de adsorção 
A evolução cinética do processo adsortivo em sistema fechado pode ser descrita pelo 
balanço de massa referente ao adsorvato (A), assim escrito: 
 O balanço equacionado é expresso por: 
AadsS
A
F rm
dt
dC
V 
 (1) 
Processos Adsortivos. Cinética e Equilíbrio de Adsorção 
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2 
 Ao se interpretar a cinética de adsorção segundo Langmuir (n = 1), propõe-se a 
seguinte taxa de adsorção, definida por 
dtdqrAads 
: 
  AdAAadAads AA k1Ckr 
 (2) 
A inserção desta taxa na equação de balanço (Equação 1), fornece uma equação 
diferencial (Equação 3), cuja solução descreve o processo cinético de adsorção em um 
adsorvedor descontínuo. 
  AdAAadSAF AA k1Ckmdt
dC
V 
 (3) 
Visto que 
SAAA
qq
 ; 
AA dadA
kkK 
 e 
  SFAAA mVCCq 0 
 reescreve-se a 
Equação 3 na seguinte forma, em termos da concentração do adsorvato na fase fluida: 













A
A
AA
AF
S2
A
A
adA
K
C
CC
K
1
V
m
C
q
k
dt
dC
0
0
S
A
 (4) 
A integração da Equação 4 nos limites de CA0 a CA no intervalo de 0 a t, conduz à solução 
seguinte: 
 
t
q
kXX
XC
XC
XC
XC
ln
S
A
0
0
A
ad
A
A
A
A



















 (5) 
na qual 
2KC4C
K
1
V
m
C
K
1
V
m
X,X
2
1
AA
2
A
AF
S
A
AF
S
000































 
Conhecido o comportamento cinético adsortivo através de observação da variação da 
concentração do adsorvato A na fase fluida em função do tempo, é possível ajustar-se a 
Equação 5 aos dados experimentais extraindo-se a constante cinética de adsorção. 
2. Equilíbrio de adsorção 
Situando-se o processo adsortivo no equilíbrio a Equação 2, segundo o modelo de 
Langmuir (n =1) transforma-se em: 
eqAA
AA
eq
A
A
CK1
CK
q
q
S


 (6) 
identificando-se com a isoterma de Langmuir. 
 Na forma linear a Equação 6 assim se apresenta: 
Processos Adsortivos. Cinética e Equilíbrio de Adsorção 
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3 
eq
SSeq
eq
A
AAAA
A
C
q
1
qK
1
q
C

 (7) 
 Observações experimentais de estabelecimento de equilíbrio de adsorção, partindo-se 
de diferentes concentrações do adsorvato na fase fluida, revelam diferentes valores de CAeq e 
qAeq , as quais introduzidas na Equação 7 podem se submeter a um ajuste linear, fornecendo 
KA e qAS. 
 Outras formas de representação dos comportamentos cinéticos e de equilíbrio de 
adsorção incluem em destaque a formulação de Freundlich, a qual combinada à teoria de 
Langmuir indica um maior grau de generalização. Assim, identificadas com enfoque de 
Langmuir-Freunlich (n), tem-se as seguintes representações : 
 - para a cinética de adsorção fluido-sólido monocomponente, 
  AdA
n
Aad
A
AA
k1Ck
dt
dq

 (8) 
 - para o equilíbrio correspondente, 
eq
n
AA
n
AA
eq
As
A
CK1
CK
q
q
S


 (9) 
a qual para soluções diluídas (KACA
n
 →0) e tendo-se qA = X e CA/ρsolução = Y, transforma-se 
em Y = m X
1/n’
, m = qAsKA a forma original da isoterma de Freundlich. O ajuste da isoterma 
de Langmuir-Freundlich (Equação 9) aos resultados experimentais decorre de sua aplicação 
na forma linear assim expressa : 
As
n
AAAsA q
1
C
1
Kq
1
q
1







 (10) 
3. Dinâmica de adsorção 
 Os parâmetros estimados permitem o estabelecimento de previsões para a operação de 
um processo contínuo de adsorção. Considerando o contato fluido-sólido em uma coluna de 
leito fixo de um adsorvente (ε, porosidade do leito), admite-se escoamento convectivo ideal 
do fluido (u, m/s), contendo o componente adsorvato em baixa concentração, e com 
ocorrência de rápido estabelecimento de equilíbrio de adsorção (KA ). Resultante de um 
balanço de massa para o componente adsorvato da fase fluida obtém-se a seguinte equação 
diferencial: 
t
q
)1(
t
C
z
C
u As
AA









 (11) 
Processos Adsortivos. Cinética e Equilíbrio de Adsorção 
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4 
Decorre da solução da Equação 12 as quantificações das evoluções e perfis de concentração 
do adsorvato no leito poroso C = f (z, t). 
4. Operações unitárias de adsorção 
Operando-se em leito fixo, adotando condições de equilíbrio segundo Langmuir, e 
considerando a faixa linear de equilíbrio, para soluções diluídas, qA = qAsKACA. Assim, 
introduzida na Equação 11 e desenvolvendo-se sua diferenciação para uma concentração CA 
constante percolando o sistema, acompanhando-se a saturação do leito fixo de uma coluna 
para adsorção em operação contínua, formula-se a expressão da velocidade de propagação da 
frente de adsorção uC : 
AAss
C
Kq)1(
u
u


 (12) 
na qual 
 
S
CC
t
L
tzu 
, com L a altura da coluna e tS seu tempo de saturação.Empreendendo-se operações em batelada, um balanço de massa em tanque de mistura 
(
AadsS
A
F rm
dt
dC
V 
) assim se escreve F (CAO – CA)/ρF = S (qA – qAo), sendo F e S as massas 
de fluido e sólido em contato no adsorvedor, e ρF a massa específica da solução. De outro mo- 
do tem-se, F (YAo – YA) = S (XA – XAo). 
 
Operação em estágio único: 
n
m
Y
YYL
S
1
1
10 )(








 (13). Operação em dois estágios com correntes 
cruzadas: 
n
m
Y
YYL
S
1
1
10
1
)(








, 
n
m
Y
YYL
S
1
2
21
2
)(








, 






























nn
m
Y
YY
m
Y
YY
LSS
1
2
21
1
1
10
21 (14) 
 
Condição de otimização: 
0
)(
1
21 

dy
SSd
, permite o calculo de Y1, conduzindo aos valores de 
S1 e S2. 
 
EXPERIMENTAL 
 Utilizando os conceitos de adsorção e promovendo suas aplicações em processos 
adsortivos, são planejadas experiências de equilíbrio, cinética e dinâmica de adsorção. 
Sistemas líquido-sólido e gás-sólido são avaliados experimentalmente. 
Processos Adsortivos. Cinética e Equilíbrio de Adsorção 
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5 
1. Equilíbrio de adsorção 
 Avalia-se o equilíbrio de adsorção líquido-sólido procedendo-se contato entre 
diferentes soluções aquosas de ácido acético (10) e carvão ativado (ms) em sistema fechado 
com agitação à temperatura constante (Figura 1). As concentrações residuais do ácido acético 
(Cif, i = 1,...,10) são medidas na fase líquida após se atingir os equilíbrios de adsorção, obtidos 
a partir de diferentes concentrações iniciais (Cio, i = 1,.....,10) 
 
C1o↓ C2o↓ C3o↓ C4o↓ C5o↓ C6o↓ C7o↓ C8o↓ C9o↓ C10o↓ 
          
 ↓C1f ↓C2f ↓C3f ↓C4f ↓C5f ↓C6f ↓C7f ↓C8f ↓C9f ↓C10f 
 
Figura 1 – Esquema da experiência de equilíbrio de adsorção. 
 
 
1.1. MATERIAL 
Os materiais utilizados nesta etapa do presente desenvolvimento experimental estão 
listados na Tabela 1. 
 
 
Tabela 1 – Materiais e equipamentos 
Material Quantidade 
Reagentes líquidos 
Ácido acético 1L 
Hidróxido de sódio 0,05M 1L 
Fenolftaleína 1% 50mL 
Reagentes sólidos 
Carvão ativado 20g 
Vidraria 
Erlenmeyer 125mL/250mL 10/20 
Balões volumétricos 10 
Pipeta volumétrica 10mL 10 
Pipeta graduada 10mL 01 
Bureta 01 
Outros materiais 
Papel de filtro 10 
Cronômetro 01 
 
Processos Adsortivos. Cinética e Equilíbrio de Adsorção 
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6 
1.2. PROCEDIMENTO 
a. Preparar 10 soluções de ácido acético com concentrações de 0,01M; 0,02M; 0,03M 
0,04M; 0,05M; 0,06M; 0,07M; 0,08M; 0,09M e 0,1M. 
b. Em 10 erlenmeyers, colocar 1g de carvão ativado granulado em cada um e adicionar as 
correspondentes soluções preparadas. Marcar a hora de início da operação. 
c. A cada 5 min agitar os erlenmeyers até completar 1,5 h de tempo. Deixar em repouso ½ h 
e filtrar as soluções. 
d. Tomar uma alíquota de 10 mL de cada filtrado e titular com uma solução de hidróxido de 
sódio 0,05M, em presença de fenolftaleína, e anotar o volume gasto.e 
2. Cinética de adsorção 
 Evoluções cinéticas são monitoradas mantendo-se a interação do adsorvente sílica-gel 
(seco) com a atmosfera úmida. A massa inicial de sílica-gel é acrescida de água adsorvida, 
transferida do ar para o sólido mantido em uma balança analítica digital. A massa acumulada 
sílica + água é medida em função do tempo de contato. 
 
2.1. MATERIAL 
 Os materiais utilizados nesta etapa do presente desenvolvimento experimental estão 
listados na Tabela 2. 
 
Tabela 2 – Materiais e equipamentos 
Material Quantidade 
Reagentes sólidos 
Sílica-gel 0,5g 
Vidraria 
Vidro de relógio 01 
Equipamentos 
Balança analítica digital 10 
Cronômetro 01 
 
2.2. PROCEDIMENTO 
a. Usar uma balança analítica e pesar uma quantidade pequena ( 0,5g) de sílica gel 
previamente seca em estufa a 100°C para retirada da umidade. A sílica quando seca tem 
coloração azul intenso. 
b. No início da pesagem acionar um cronômetro. Manter a balança ligada e aberta para que a 
sílica adsorva a umidade do ar. Repetir a pesagem a cada 5 min até que não mais ocorra 
variação significativa da massa. 
 
3. Operações de adsorção em batelada. 
Processos Adsortivos. Cinética e Equilíbrio de Adsorção 
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7 
 
Com base no equilíbrio de adsorção ácido acético-carvão ativado (Y = mX
n
) propõe-se 
processar a remoção do ácido em presnça do carvão através de dois modos operacionais em 
batelada: em um adsorvedor unico em batelada e em dois adsorvedores em batelada com 
alimentações de caragas diferentes de carvão ativado (Figura 2). 
 
3.1. Adsorção em estágio simples (ms, VL) 
L,S (kg) 
 
 
L,Y1o↓ ↓S, X1o 
  →L, Y1 
 ↓S, X1 
3.2. Adsorção em sois estágios em correntes 
cruzadas (ms, VL), L, S1, S2 (kg) 
 
L,Y1o↓ ↓S1, X1o →L,Y1↓ ↓S2, X1o 
  →L, Y1 ↑  →L, Y2 
 ↓S1, X1 ↓S2, X2 
 
Figura 2 - Operações unitárias de remoção de ácido acético por adsorção. 
 
3.1 MATERIAL 
 
Tabela 3 – Materiais e equipamentos 
Material Quantidade 
Reagentes líquidos 
Ácido acético 1L 
Hidróxido de sódio 0,05M 1L 
Fenolftaleína 1% 50mL 
Reagentes sólidos 
Carvão ativado 20g 
Vidraria 
Erlenmeyer 500 mL 01 
 
3.2 PROCEDIMENTO 
3.2.1. Adsorção em estágio simples (S, VL), L,S (kg) 
Alimentar L = 0,5 L de uma solução de ácido acético com L, Y1o. Calcular previamente a 
massa S de carvão para se obter uma concentração de equilíbrio final Y1. Operar e determinar 
a concentração Y1 por titulação da solução final. Comparar com aquela prevista. 
 
3.2.2 Adsorção em sois estágios em correntes cruzadas (S1, S2, VL), L, S1, S2 (kg) 
Alimentar L = 0,5 L de uma solução de ácido acético com L, Y1o. A solução final de 
equilíbrio no primeiro adsorvedor alimentará o segundo adsorvedor. Calcular previamente as 
massas S1 e S2 de carvão, a serem carregadas nos dois adsorvedoeres, para se obter uma 
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8 
concentração de equilíbrio final Y2 no adsorvedor 2. Operar e determinar a concentração Y2 
por titulação da solução final. Comparar com aquela prevista. 
4. Processo contínuo de adsorção 
 Escalonando-se a adsorção H2O/sílica-gel para o desenvolvimento de um processo 
contínuo utiliza-se uma coluna com leito fixo de sílica-gel seca. O ar umidificado através de 
um sistema lavador de gases é alimentado na base da coluna, a qual passa a adsorver água 
desta fase gasosa. No decorrer da operação uma frente de propagação de saturação do leito é 
observada através da mudança de cor que ascende a coluna. A velocidade desta frente de 
mudança de cor é medida visualmente. Na Figura 3, o sistema de leito fixo contínuo está 
representado. 
 
 
5 
 
 
1 – Coluna de Adsorção 6 – Bomba 
 
2 – Coluna de Adsorção 7 – Medidor de Vazão
 
3 – Coluna de Adsorção 8 – Transdutores de Pressão 
4 – Tanque de Alimentação 9 – Válvulas de Amostragem 
5 – Tanque de Descarga 10 – Válvulas 
11 – Termopares 12 – Controlador de Nível 
 
 
4 
 
Figura 3 – Sistema de leito fixo de adsorção contínua gás-sólido 
 
4.1. MATERIAL 
 Os materiais utilizados nestaetapa do presente desenvolvimento experimental estão 
listados na Tabela 3. 
 
Tabela 3 – Materiais e equipamentos 
Material Quantidade 
Reagentes sólidos 
Sílica-gel (105m-145m) 50g 
Reagentes gasosos 
Cilindro de ar pressurizado 01 
Equipamentos 
Colunas para adsorção contínua 03 
Válvulas 06 
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9 
Rotâmetro 01 
Frasco lavador de gás 01 
Fluxímetro 01 
Cronômetro 02 
 
4.2. PROCEDIMENTO 
a. Preencher as três colunas da montagem (Figura 1) com a sílica-gel. Utilizar a primeira 
coluna para observar a frente de adsorção pela mudança de coloração de sílica (de azul a rosa) 
devido à passagem de um gás contendo um certo teor de umidade que será removida. 
b. . Para iniciar a operação, abrir a válvula do cilindro, ajustar para uma pressão baixa em 
torno de 1,5atm e controlar a vazão pelo rotâmetro. Evitar vazão elevada, do contrário, 
ocorrerá fluidização do leito. A vazão do gás deve ser medida com auxílio de um fluxômetro e 
de um cronômetro na saída da coluna. 
c. Acionar um outro cronômetro assim que se iniciar a operação. A cada ½ cm de 
deslocamento da frente de adsorção deve-se marcar o tempo de tal forma que se possa 
calcular uma velocidade média de deslocamento da frente de adsorção. 
d. Medir o diâmetro interno da coluna, a altura do leito, sua densidade aparente, e estimar 
sua porosidade. 
 
RESULTADOS 
Os resultados brutos das experiências de equilíbrio, cinética e dinâmica de adsorção 
são tratados e ajustados às equações respectivas da isoterma de equilíbrio, da cinética de 
adsorção e segundo o cálculo da velocidade de propagação em leito fixo. Operações são 
avaliadas em adsorvedores em batelada. 
 
1. Equilíbrio de adsorção 
Calcular a concentração final de cada solução de ácido acético a partir da Equação 15: 
MVVM 
 (15) 
Estimar pela Equação 15 a massa de ácido acético adsorvida pelo carvão. Construir as 
isotermas de Langmuir-Freundlich identificando o ajuste na forma linear, calculando os 
valores da constante de equilíbrio e a capacidade de adsorção (Eq. 7). 
 
2. Cinética de adsorção 
 Considerando a sílica isenta de umidade no início da pesagem, efetuar o seguinte 
cálculo (Equação 16): 
 
S
GAA
A
m
VCC
q 0


 (16) 
Processos Adsortivos. Cinética e Equilíbrio de Adsorção 
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10 
sendo qA (g H2O/g sílica) a massa de umidade adsorvida, CAo a umidade do ar, medida pelo 
higrômetro, VG o volume de gás estimado, contida na atmosfera da balança e mS a massa da 
sílica. CA é a umidade do ar após a remoção a cada instante. 
 Os valores finais de CA e qA são considerados em equilíbrio de adsorção. 
 
3. Operações de adsorção em batelada 
 
Segundo os balanços de massa nos adsorvedores em estágio único e em dois estágios em 
correntes cruzadas são calculadas as massa de carvão ativado (S1, Eq. 13; S2, Eq. 14) a serem 
carregadas nas operações que atingem os correspondentes equilíbrios (Y = mX
n
). 
 
 
4. Processo contínuo de adsorção 
Estimar a velocidade média de propagação da frente de adsorção de umidade no leito 
de sílica-gel. Comparar com as previsões de cálculo da equação da velocidade de propagação, 
que utiliza a velocidade linear, a porosidade, a constante de equilíbrio e a capacidade de 
adsorção (Equação 12). 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
BIRD, R. B., STEWART, W. E. e LIGHTFOOT, E. N., Transport Phenomena, Wiley, New 
York, (1960) 
 
COULSON, J. M. e RICHARDSON, J. F., Chemical Engineering, 3ª ed., Pergamon Ed., 
1994. 
 
LEVENSPIEL, O., Engenharia das reações químicas, Editora Edgard Blücher LTDA, São 
Paulo, 1974. 
 
RUTHVEN, D. M., Adsorption, Encyclopedia of Chemical Technology, Kirk-Othmer, 4ª 
Ed.,Wiley, New York, 1991. 
 
RUTHVEN, D. M., Principles of Adsorption and Adsorption Processes, Ed. John Wiley & 
Sons, 1984.