Relatório 3_Adsorção

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO 
Escola de Química - DPI - Processos Inorgânicos Experimental - Fabiana da Fonseca 
 
 
 
 
 
 
Adsorção 
Descoloração de efluente têxtil por adsorção 
 
 
 
 
 
 
 
 
Grupo 1: 
Camila Carreira 
Marcos Gusmão 
Rosana Santos 
Rio de Janeiro, 20 de agosto de 2021 
1 
SUMÁRIO 
 
INTRODUÇÃO 2 
MATERIAIS 4 
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 5 
DADOS 6 
RESULTADOS E DISCUSSÕES 7 
CONCLUSÃO 10 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 
1. INTRODUÇÃO 
 
As indústrias atuais precisam de um grande volume de água de boa qualidade para realizar seus 
processos, porém, após eles, é gerado um grande volume de águas residuais, com a presença de 
sólidos e materiais orgânicos. Por isso, cada vez mais há a necessidade de aplicar técnicas de 
tratamento de efluentes, para que haja o descarte correto dos resíduos, sem ocasionar nenhum 
tipo de impacto ambiental. 
Dentre os diversos segmentos de indústrias que precisam realizar o tratamento de efluentes, é 
de grande destaque a indústria têxtil, que gera efluentes com uma forte coloração devido à 
utilização de corantes nos processos de tingimento, além de grande quantidade de sólidos 
suspensos, altas concentrações de DQO, significativa quantidade de metais pesados, compostos 
orgânicos clorados e surfactantes (ARAUJO e YOKOYAMA, 2006). 
Durante o processo de tingimento, utiliza-se alguns corantes com baixo nível de fixação, sendo 
assim, uma grande quantidade de corante acaba sendo liberada junto com a água utilizada no 
processo. Logo, para remover a cor desse tipo de efluente, vários processos têm sido utilizados, 
como a clarificação, já avaliada em uma prática anterior, a degradação química, a adsorção, 
dentre outros. 
Entre os processos citados, um muito utilizado é a adsorção, que pode ser definida como a adesão 
de partículas de um fluido a uma superfície sólida, ou seja, é o processo em que ocorre a 
transferência de massa dos constituintes de uma fase líquida, ou gasosa, para uma fase sólida. A 
substância que está sendo removida é denominada adsorvato e a fase (no caso, sólida) em que 
há acúmulo de adsorvato é chamada de adsorvente. 
A adsorção não é um processo estático, mas sim de equilíbrio dinâmico entre as moléculas 
adsorvidas e dessorvidas. Além disso, se caracteriza também por ser um fenômeno de superfície 
relacionado a tensão superficial das soluções. Existem dois tipos de adsorção: a física e a química. 
No caso da adsorção física, o equilíbrio é atingido rapidamente, causada principalmente por 
forças de van der Waals. Se trata de um fenômeno reversível, pois, normalmente, ocorre a 
deposição de mais de uma camada de adsorvato sobre a superfície adsorvente. Já a adsorção 
química, ocorre devido a ligações químicas, covalentes, de moléculas/átomos, que se unem a 
superfície do adsorvente e, geralmente, é um processo exotérmico. Devido a efetiva troca de 
elétrons entre o sólido e a molécula adsorvida, esse processo forma uma camada única sobre a 
superfície sólida e é irreversível. 
A temperatura, a pressão e a área superficial do adsorvente são variáveis que influenciam no 
processo de adsorção, sendo que adsorventes podem se distinguir entre carvão ativado, 
adsorventes sintéticos poliméricos, resinas de troca iônica, inorgânicos, adsorventes naturais de 
baixo custo e outros (FERNANDES et al. 2010). 
O adsorvente a ser avaliado será o carvão ativado, é uma substância com alta capacidade de 
adsorção, possui um poder de retenção potencializado devido a sua alta superfície porosa. Além 
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disso, é um dos principais materiais usados no tratamento de água potável, fabricação de 
remédios e cosméticos, já que é capaz de remover resíduos perigosos, óleos, cores, odores, 
fenóis, sólidos em suspensão, matéria orgânica não biodegradável, entre outros. 
Para utilizar o carvão ativado, é preciso fazer o seu preparo em duas etapas, onde na primeira 
acontece a carbonização de material orgânico e na segunda etapa a ativação, usando gases em 
elevadas temperaturas. Esse preparo faz com que o carvão desenvolva uma estrutura porosa, 
criando uma grande área de superfície interna. 
O princípio básico da adsorção é a diferença de concentração dentre a fase sólida e o fluido. No 
caso da adsorção em carvão ativado, o processo segue o seguinte mecanismo: transporte de 
massa da solução, depois o transporte de difusão através do filme superficial, em seguida o 
transporte entre poros e, por último, a adsorção. 
Durante o processo de adsorção, para caracterizá-lo, é necessário medir a capacidade de 
adsorção de um determinado adsorvente com o adsorvato usado. Para realizar essa avaliação, é 
necessário fazer ensaios para o levantamento de isotermas. 
Isotermas de adsorção são equações matemáticas usadas para descrever, em termos 
quantitativos, a adsorção de solutos por sólidos, a temperaturas constantes, elas mostram a 
quantidade de um determinado soluto adsorvido por uma superfície adsorvente, em função da 
concentração de equilíbrio do soluto. 
Para gerar os dados de adsorção, utiliza-se uma técnica considerada simples: uma quantidade 
conhecida de soluto é adicionada ao sistema que já possui uma quantidade conhecida de 
adsorvente. Assim, a diferença entre a quantidade adicionada e a remanescente na solução fica 
adsorvida na superfície adsorvente (Bohn et al., 1979). 
Os modelos de isotermas mais utilizados para descrever a adsorção de íons no solo são os de 
Langmuir e Freundlich. A equação de Langmuir, se baseia em três suposições: 
✓ A superfície de adsorção é homogênea, isto é, a adsorção é constante e independente da 
extensão da cobertura da superfície; 
✓ A adsorção ocorre em sítios específicos, sem interação com as moléculas do soluto; 
✓ A adsorção torna-se máxima quando uma camada monomolecular cobre totalmente a 
superfície do adsorvente. 
A forma mais comum da equação de Langmuir é: 
𝑥
𝑚
= 
𝑎𝑏𝑐𝑒
1 + 𝑏𝑐𝑒
 
4 
Onde: x/m = massa de adsorvato adsorvido por unidade de massa de adsorvente (mg adsorvato/g 
adsorvente); ce = concentração de equilíbrio do adsorvato na solução após a adsorção (mg/L); a, b = 
constantes empíricas, sendo que a corresponde à capacidade de adsorção. 
As formas linearizadas da isoterma de Langmuir são as representadas abaixo: 
𝑐𝑒
(𝑥 𝑚⁄ )
= 
1
𝑎𝑏
+ 
1
𝑎
𝑐𝑒 
ou 
1
(𝑥 𝑚⁄ )
= 
1
𝑎
+ 
1
𝑎𝑏𝑐𝑒
 
 
Além da equação de Langmuir, outra equação muito usada para descrever fenômenos de 
adsorção é a de Freundlich, que sugere que a energia de adsorção decresce logatitmicamente à 
medida que a superfície vai se tornando coberta pelo soluto, diferentemente do proposto pela 
isoterma de Langmuir. Essa isoterma é mais utilizada em tratamento de água e efluentes. O 
modelo de Freundlich pode ser derivado teoricamente ao se considerar que o decréscimo na 
energia de adsorção com o aumento da superfície coberta pelo soluto é devido à 
heterogeneidade da superfície (Bohn et al., 1979). 
A equação de Freundlich é assim representada: 
𝑥
𝑚
= 𝐾𝑓𝑐𝑒
1 𝑛⁄ 
Onde: x/m = massa de adsorvato adsorvido por unidade de massa de adsorvente (mg adsorvato/g 
adsorvente); Kf = fator de capacidade de Freundlich; 1/n = parâmetro de intensidade de Freundlich; 
ce = concentração de equilíbrio do adsorvato na solução após a adsorção (mg/L). 
A forma linearizada da isoterma de Freundlich está representada abaixo: 
log (
𝑥
𝑚
) = log 𝐾𝑓 + 
1
𝑛
log 𝑐𝑒 
2. MATERIAIS 
• Solução mãe; 
• Solução de corante; 
• Espectrofotômetro; 
• Carvão ativado; 
• Erlenmeyer; 
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• Centrífuga. 
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
I. Determinação da curva de calibração 
Para determinar a curva de calibração é necessário desenvolver uma metodologia analítica para 
medir a cor da solução. Para isso, deve - se preparar 1 litro de solução contendo 20 mg/L do 
corante a ser avaliado, neste caso vermelhoDrimaren. Em seguida, realizar uma varredura da 
absorbância da solução mãe (20 mg/L) no espectrofotômetro, com vários valores de 
comprimento de onda. Depois, plotar uma curva absorvância versus comprimento de onda e 
selecionar o comprimento de onda a ser adotado nas próximas leituras (de maior absorvância). 
A partir da solução mãe, preparar várias diluições (2, 5, 10, 20, 30, 40 e 50 mg/L) para montar 
uma curva-padrão no comprimento de onda selecionado e realizar a medida para o branco (0 
mg/L) com água destilada. Por fim, plotar uma curva de calibração absorbância versus 
concentração de corante (mg/L). Avaliar a linearidade da curva (ou a faixa em que ela é linear). 
II. Ensaio de adsorção com os adsorventes 
O adsorvente utilizado é o carvão ativado. 
i. Avaliação do tempo de equilíbrio de adsorção 
Para avaliar o tempo de equilíbrio de adsorção é preciso que as amostras, juntamente com o 
adsorvente, sejam colocadas sob agitação de forma que mantenha todo o material misturado à 
solução (≥ 100 rpm). Em um erlenmeyer, adicionar 500 mL de solução de corante (20 mg/L), 2g 
de carvão ativado e deixar em agitação. Em seguida, retirar alíquotas do sobrenadante a cada 10 
min para analisar a cor residual (concentração de corante residual). Por fim, montar um gráfico 
de concentração de corante residual (mg/L) versus tempo (min) de adsorção e avaliar o tempo 
de equilíbrio para o adsorvente analisado (concentração na ordenada). 
ii. Levantamento de dados para ajuste de isotermas 
Em 6 erlenmeyers adicionar alíquotas de 300 mL de solução de corante (20 mg/L) e quantidade 
suficiente de adsorvente para se ter as diferentes dosagens, conforme especificado na tabela 3. 
Depois, deixar em agitação por 2h a temperatura constante. Após o tempo de contato pré-
estabelecido, retirar amostras, centrifugar por 10 min e medir a concentração de corante residual 
em cada frasco (com o comprimento de onda obtido nos experimentos do item 1). E por fim, 
construir gráficos de isotermas de Langmuir e Freundlich e estimar os seus respectivos 
6 
parâmetros. 
4. DADOS 
Curva de calibração 
[Corante] = mg/L Abs 
2 0,06 
5 0,09 
10 0,228 
20 0,465 
30 0,71 
40 0,959 
50 1,013 
Tabela 1 - Dados experimentais da curva de calibração (λ = 520nm) 
Tempo de equilíbrio 
Tempo (min) Abs 
10 1,017 
20 1,009 
30 0,956 
40 0,845 
50 0,756 
60 0,630 
70 0,489 
7 
80 0,346 
90 0,244 
100 0,189 
110 0,174 
120 0,179 
Tabela 2 - Dados experimentais para o tempo de equilíbrio (cinética) 
Isotermas de adsorção 
Frasco 
Massa adsorvente (carvão 
ativado) (g) 
[Corante]inicial 
(mg/L) 
Abs após 2h 
1 0,02 50 1,179 
2 0,04 50 1,124 
3 0,2 50 0,865 
4 0,4 50 0,626 
5 1 50 0,138 
6 2 50 0,047 
Tabela 3 - Dados experimentais para isotermas de adsorção 
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
Os dados apresentados na tabela 1 foram utilizados para a construção de uma curva de calibração a partir 
da análise de espectrofotométricas de amostras com concentrações conhecidas de corante. Desta etapa 
foi então obtida uma equação a partir de aproximação linear dos pontos obtidos, de onde valores distintos 
de absorbância e concentração poderiam ser em seguida extrapolados. A curva é demonstrada a seguir: 
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Figura 1 - Curva de calibração 
Em seguida, foi realizada a avaliação do tempo de equilíbrio de adsorção, uma análise novamente baseada 
em resultados de espectrofotometria, de onde se extraíram, com a curva de calibração, as concentrações 
de corante residuais. Os resultados encontrados permitem concluir que o tempo de equilíbrio esperado 
de 2 horas do carvão ativado realmente se provou verdadeiro para esta amostra. O gráfico a seguir 
permite avaliar estes dados: 
 
Figura 2- Tempo de equilíbrio de adsorção 
Para a obtenção das isotermas de Langmuir e Freundlich, inicialmente foram obtidas as concentrações de 
equilíbrio do corante após 2 horas, a partir dos dados de absorbância das diferentes amostras com 
diferentes massas de adsorvente. Em seguida, os parâmetros da linearização de ambos os métodos foram 
calculados e são apresentados na tabela a seguir: 
9 
Isoterma de Langmuir Isoterma de Freundlich 
1/(x/m) 1/Ce log(x/m) log(Ce) 
1,0856 0,0202 -0,0357 1,6936 
0,4603 0,0212 0,3369 1,6730 
0,4886 0,0275 0,3110 1,5606 
0,5659 0,0378 0,2472 1,4222 
0,7609 0,1615 0,1189 0,7917 
1,401 0,4141 -0,1464 0,3829 
Tabela 4 - Parâmetros das linearizações das isotermas 
Com estes dados foram construídas ambas as curvas de adsorção abaixo. Nos dois casos a linearização 
não apresenta bons resultados, trata-se de um método experimental bastante sujeito a erros. Um 
tratamento de dados que pode ser proposto é a exclusão do primeiro ponto de massa de adsorvente. Em 
ambas as curvas este é o ponto outlier que derruba o valor de R^2 de ambos os ajustes lineares. 
 
Figura 3 - Curva de adsorção de Langmuir 
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Figura 4 - Curva de adsorção de Freundlich 
6. CONCLUSÃO 
Os resultados do presente relatório permitiram concluir que o tempo de equilíbrio de adsorção da 
amostra de adsorvente (carvão ativado) foi equivalente ao esperado de 2 horas. Quanto às isotermas de 
adsorção construídas para a avaliação da capacidade de adsorção não foi possível extrair curvas onde a 
linearização se adequasse aos dados experimentais. 
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
I. FONSECA, F. V. D. Apostila de Processos Inorgânicos Experimental. 1. ed. [S.l.: s.n.], 2021. 
II. SANTOS, Danilo Fernandes dos. Tratamento de efluente têxtil utilizando a técnica de 
adsorção em casca de café. 2013. 43 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - 
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Apucarana, 2013. Disponível em: 
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5546. Acessado em 16/08/2021. 
III. ALLEONI, L.R.F., CAMARGO, O.A. e CASAGRANDE, J.C. Isotermas de Langmuir e de 
Freundlich na descrição da adsorção de boro em solos altamente intemperados. Scientia 
Agricola [online]. 1998, v. 55, n. 3 [Acessado 16 Agosto 2021], pp. 379-387. Disponível em: 
<https://doi.org/10.1590/S0103-90161998000300005>. Epub 14 Maio 1999. ISSN 1678-
992X. https://doi.org/10.1590/S0103-90161998000300005. 
IV. EDUCA + BRASIL. ADSORÇÃO. Disponível em: 
11 
https://www.educamaisbrasil.com.br/enem/quimica/adsorcao. Acesso em: 16 ago. 
2021. 
V. ARAUJO, F. V. F.; YOKOYAMA, L. Remoção de cor em soluções de corantes reativos por 
oxidação com H2O2/UV. Revista Química Nova, v. 29, n. 1, p. 11-14, 2006. 
VI. – FERNANDES, A. C. P.; CUNHA, D. V.; CRAVEIRO, I. P. C. et al. ADSORÇÃO DE EFLUENTES 
TEXTEIS: tratamento de efluentes da indústria têxtil por adsorção em materiais de baixo 
custo. Relatório de projeto. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2010. 
VII. BOHN, H.L.; McNeal, B.L.; O'CONNOR, G.A. Soil chemistry New York: John Wiley, 1979. 
329p.