relatorio cinética 3

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
Relatório da atividade prática: Adsorção
Gabriela Soares Dias de Almeida
Disciplina: Cinética Química
Professor: Marcelo Machado Viana
Belo Horizonte, 13 de Agosto de 2021.
1. INTRODUÇÃO
A adsorção é uma operação de transferência de massa, na qual se estuda a habilidade de certos sólidos em concentrar na sua superfície determinadas substâncias existentes em fluidos líquidos ou gasosos, possibilitando a separação dos componentes desses fluidos. A espécie que se acumula na interface do material é normalmente denominada de adsorvato, e a superfície sólida na qual o adsorvato se acumula, de adsorvente.
 Dependendo da natureza das forças envolvidas, a adsorção pode ser classificada quanto a sua intensidade em dois tipos: adsorção física e adsorção química. No caso de adsorção física, a ligação do adsorvato à superfície do adsorvente envolve uma interação relativamente fraca que pode ser atribuída às forças de Van der Waalls, que são similares às forças de coesão molecular. Diferentemente, a quimissorção, envolve a troca ou partilha de elétrons entre as moléculas do adsorvato e a superfície do adsorvente, resultando em uma reação química. 
O equilíbrio de adsorção é geralmente um requisito essencial para obtenção de informações relevantes sobre a análise de um processo de separação por adsorção. Quando uma determinada quantidade de um sólido, o adsorvente, entra em contato com um dado volume de um líquido contendo um soluto adsorvível, o adsorvato, a adsorção ocorre até que o equilíbrio seja alcançado. Isto é, quando o adsorvato é colocado em contato com o adsorvente, as moléculas ou íons tendem a fluir do meio aquoso para a superfície do adsorvente até que a concentração de soluto na fase líquida () permaneça constante. 
Nesse estágio é dito que o sistema atingiu o estado de equilíbrio e a capacidade de adsorção do adsorvente () é determinada. Quando o equilíbrio de adsorção é atingido, temos a concentração final de soluto na solução em equilíbrio ( , em gramas ou mols por litro de solução) e a capacidade de adsorção do adsorvente (, em massa ou mols de adsorvato, por unidade de massa de adsorvente). Assim, podemos obter um gráfico de por . A temperatura constante, esses gráficos se denominam isotermas.
As isotermas são diagramas que mostram a variação da concentração de equilíbrio no sólido adsorvente com a pressão parcial ou concentração da fase líquida, em uma determinada temperatura. Os gráficos assim obtidos podem apresentar-se de várias formas, fornecendo informações importantes sobre o mecanismo de adsorção. Dentre as mais comumente utilizadas, encontram-se as equações de Langmuir e Freundlich.
1.1. Isoterma de Langmuir
A equação modelo de Langmuir é uma das equações mais utilizadas para representação de processos de adsorção. Apresenta os seguintes pressupostos: 
1) Existe um número definido de sítios. 
2) Os sítios têm energia equivalente e as moléculas adsorvidas não interagem umas com as outras. 
3) A adsorção ocorre em uma monocamada.
4) Cada sítio pode comportar apenas uma molécula adsorvida.
É dada pela seguinte equação:
em que é a quantidade do soluto adsorvido por grama de adsorvente no equilíbrio (); a capacidade máxima de adsorção (); a constante de interação adsorvato/adsorvente () e a concentração do adsorvato no equilíbrio ().
A equação é frequentemente rearranjada para outras formas lineares para determinar os valores de e :
1.2. 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 para adsorção em multicamada.
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. A equação da isoterma de Freundlich assume a forma:
A equação acima pode ser expressa na forma linearizada, tomando o logaritmo de cada lado, tornando-a:
Em que é a quantidade de soluto adsorvido (); a concentração de equilíbrio em solução (); 1/n: constante relacionada à heterogeneidade da superfície; a constante de capacidade de adsorção de Freundlich (/g).
Em geral, uma adsorção favorável tende a ter um valor de n (constante de Freundlich) entre 1 e 10. Quanto maior o valor de n (menor valor de 1/n), mais forte a interação entre o adsorvato e o adsorvente. Por outro lado, quando o valor 1/n for igual a 1, isso indica que a adsorção é linear, ou seja, as energias são idênticas para todos os sítios de adsorção. Quando o valor de 1/n for maior do que a unidade, o adsorvente tem maior afinidade pelo solvente, sugerindo que há uma forte atração intermolecular entre os dois. 
2. OBJETIVOS
Estudar a adsorção do azul de metileno, existente em soluções aquosas, pelo carvão ativado e determinar as constantes de adsorção da isoterma de Freündlich.
3. MATERIAIS
· Soluções previamente preparadas (em balões de 50 mL) de azul de metileno em água com concentrações: 2; 3; 4; 5; 6 e 8 ;
· 6 Erlenmeyers de 50 mL;
· 6 béqueres de 50 mL;
· 6 provetas de 50 mL;
· 4 gramas de carvão ativado;
· centrífuga 5000 rpm;
· espectrofotômetro uv-visível;
· balança;
· cubetas para medidas da absorbância no equipamento.
4. PROCEDIMENTOS
Primeiramente, pesou-se uma massa 0,4 g de carvão ativado para cada um dos seis Erlenmeyers de 50 mL, aos quais acrescentou-se o sólido. Em seguida, com o auxílio de uma proveta de 30 mL, adicionou-se as soluções previamente preparadas de azul de metileno aos Erlenmeyers numerados, conforme suas respectivas concentrações. 
Feito isso, selou-se os Erlenmeyers, mantendo-os a 25°C e sob constante agitação durante uma hora. Transcorrido o tempo, centrifugou-se as soluções por 10 minutos a 4000 rpm. Então, transferiu-se alíquotas de 3 mL de cada um dos Erlenmeyers para sua respectiva cubeta para realizar a medida de absorbância. Finalmente, realizou-se a medida da absorbância, a qual foi anotada.
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
De posse dos valores de absorbância obtidos experimentalmente e da concentração inicial de corante em cada erlenmeyer, ,obteve-se a concentração de azul de metileno em equilíbrio após a adição de carvão ativado, , aplicando-se a lei de Beer:
Em seguida, fez-se uso dos valores das concentrações inicial e em equilíbrio para descobrir suas respectivas massas, e . Com isso, pode-se chegar a um valor de massa de corante adsorvida, x, subtraindo da massa inicial a massa detectável em solução no equilíbrio. Finalmente, com o valor de massa adsorvida, foi possível calcular o quociente de massa adsorvida por massa de carvão ativado, . Esses valores foram reunidos na tabela abaixo.
Tabela 1: Valores de concentração inicial e em equilíbrio das soluções, absorbância, massa inicial e em equilíbrio, massa adsorvida, quantidade de massa adsorvida por massa de adsorvente.
	Amostra
	 (mg/L)
	Absorbância
	 (mg/L)
	 (mg)
	 (mg)
	x (mg/L)
	
	
	
	1
	2
	0,037
	0,0600
	60
	0,0018
	59,998
	0,1500
	-1,8971
	-2,8140
	2
	3
	0,059
	0,0956
	90
	0,0029
	89,997
	0,2250
	-1,4917
	-2,3473
	3
	4
	0,125
	0,2026
	120
	0,0061
	119,994
	0,3000
	-1,2040
	-1,5966
	4
	5
	0,199
	0,3225
	150
	0,0097
	149,990
	0,3750
	-0,9809
	-1,1316
	5
	6
	0,275
	0,4457
	180
	0,0134
	179,987
	0,4500
	-0,7986
	-0,8081
	6
	8
	0,494
	0,8006
	240
	0,0240
	239,976
	0,5999
	-0,5109
	-0,2223
Após, buscou-se traçar a isoterma de Freundlich, plotando os valores de por , conforme a equação:
Dessa forma, obteve-se o seguinte gráfico:
Figura 1: Isoterma de Freundlich, obtida pela regressão linear de ln po ln .
Assim, determinou-se os valores das constantes = 0,6780 e n = 1,9596. O parâmetro indica a capacidade de adsorção do adsorvente para o adsorvato. Portanto, quanto maior o maior será sua capacidade de adsorção. A constante 1/nverifica a quão espontânea e forte é a adsorção, ou seja, a existência de afinidade entre adsorvato e adsorvente, com valores de n entre 1 e 10 indicando a adsorção como sendo favorável. Como n = 1,9596, é possível concluir que a adsorção, no experimento, é favorável.
Com esses resultados, efetuou-se, ainda, a construção da isoterma de Langmir, para efeitos comparativos, conforme a equação:
Em que representa a quantidade máxima de adsorvato por massa de adsorvente necessária para se formar uma monocamada, e uma constante relacionada à afinidade dos sítios ativos. Para essa isoterma, realizou-se a regressão linear de por , obtendo-se o gráfico:
Figura 2: Figura 1: Isoterma de Langmuir, obtida pela regresão linear de por .
Feito isso, alcançou-se os valores para as constantes e . 
Considerando-se os valores de para as isotermas de Freundlich e Langmuir iguais a 0,9882 e 0,9672, respectivamente, é possível constatar que os dados do experimento se ajustaram melhor a isoterma de Freundlich. Isso provavelmente se deve ao fato das condições do sistema não se adequarem as determinações previstas para a utilização da isoterma de Langmuir, que restringem seu uso para adsorção com recobrimento com apenas uma monocamada e superfície uniforme, com a ocupação de sítios ativos independente dos sítios vizinhos. 
6. CONCLUSÃO
A partir dos cálculos realizados e dos dados obtidos, é possível concluir-se que a isoterma de Freundlich oferece uma aproximação precisa para o comportamento das variáveis envolvidas no processo de adsorção, com R² = 0,9882. Ademais, os valores dos parâmetros e n oferecem informações relevantes sobre a extensão do processo de adsorção.
Na literatura, os valores de 1/n encontrados para a adsorção de azul de metileno em carvão ativado variaram de 0,176332, a 333 K para 0,317495 a 305 K. Considerando-se o valor obtido de 1/n = 0,5103 e a realização do experimento a temperatura ambiente, e, portanto, a cerca de 298,15 K, é possível perceber um erro considerável, mesmo levando em consideração as diferenças de temperatura. 
Os erros podem ser associados ao maior preparo do adsorvente e da amostra nos ensaios descritos no artigo, havendo dessorção de possíveis contaminantes no carvão ativado promovida por rigoroso aumento de temperatura e agitação do corante em presença do carvão ativado por 24h, em vez de apenas uma. Outra possível fonte de erro é a própria medida humana, que é inexata e pode ter provocado mudança em algum dos valores.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ATKINS, Peter. PAULA, Julio de. Físico-Química. LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. 8º ed. v.1. Rio de Janeiro, 2008.
KUMAR , K. Vasanth et al. Isotherms and thermodynamics by linear and non-linear regression analysis for the sorption of methylene blue onto activated carbon: Comparison of various error functions. Journal of Hazardous Materials, 19 jun. 2007.
PIZA, Ana Vera de Toledo. AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE ADSORTIVA DE CARVÕES ATIVADOS PARA A REMOÇÃO DE DIURON E HEXAZINONA. 2008. Dissertação (Mestrado) - UNIVERSIDADE DE RIBEIRÃO PRETO, 2008. Disponível em: https://tede.unaerp.br/bitstream/handle/tede/10/ANA%20VERA%20DE%20TOLEDO%20PIZA.pdf?sequence=1&isAllowed=y. Acesso em: 13 ago. 2021.
DO NASCIMENTO, Ronaldo Ferreira et al. ADSORÇÃO: ASPECTOS TEÓRICOS E APLICAÇÕES AMBIENTAIS. Fortaleza: Imprensa Universitária da Universidade Federal do Ceará (UFC), 2014. Disponível em: http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/10267/1/2014_liv_rfdnascimento.pdf. Acesso em: 13 ago. 2021.
WEI, Houliang et al. Highly flexible heparin-modified chitosan/grapheneoxide hybrid hydrogel as a super bilirubin adsorbent with excellent hemocompatibility. Journal of Materials Chemistry, 2015. Disponível em: http://www.rsc.org/suppdata/tb/c4/c4tb01673d/c4tb01673d1.pdf. Acesso em: 13 ago. 2021.
APÊNDICE – Cálculos efetuados na prática
Cálculo de 
· Para a amostra 1, A = 0,037:
Repetiu-se o cálculo realizado para a amostra 1 para as demais amostras.
Cálculo de 
Para 
· Para a amostra 1, :
Repetiu-se o cálculo realizado para a amostra 1 para as demais amostras.
Cálculo de 
Para 
· Para a amostra 1, :
Repetiu-se o cálculo realizado para a amostra 1 para as demais amostras.
Cálculo de x
· Para a amostra 1, e :
Repetiu-se o cálculo realizado para a amostra 1 para as demais amostras.
Cálculo de 
Para 
· Para a amostra 1, x = :
Repetiu-se o cálculo realizado para a amostra 1 para as demais amostras.
Determinação das constantes de Freundlich:
Comparando a equação da isoterma de Freundlich com a obtida através da regressão linear:
· Cálculo de :
· Cálculo de n:
ln qe por ln Cf
ln x	y = 0,5103x - 0,3886
R² = 0,9882
-2.8139511110000002	-2.3473315800000001	-1.5965552869999999	-1.131564199	-0.80809792599999997	-0.22233350700000001	-1.897149969	-1.4916867519999999	-1.2040234540000001	-0.98089376100000003	-0.79858198300000005	-0.51092570999999998	
qe por Cf
Cf/x	
5.9967584999999997E-2	9.5623986999999994E-2	0.202593193	0.32252836299999998	0.44570502400000001	0.80064829800000004	0.39979588854604453	0.42500904517720889	0.67534484729869959	0.86013111885804039	0.99052918979945914	1.3345473937274099