A ADSORÇÃO EM CARVÃO ATIVADO E CINÉTICA DE EQUILÍBRIO

 PRÁTICA 01: ADSORÇÃO EM CARVÃO ATIVADO E CINÉTICA DE EQUILÍBRIO

E. L. SILVA, F. S. PIO, H. C.C. SANTOS, L. T. SANTANA e T. C. de A. CAMPOS

1 Centro Universitário do Leste de Minas Gerais, Departamento de Engenharia Química

E-mail para contato: [e-mail]

RESUMO – Com o objetivo de avaliar o desempenho do carvão ativado na adsorção de três ácidos carboxílicos, sendo eles, os ácidos etanóico, propanóico e butanóico, foram realizados experimentos para obter dados experimentais da cinética, dos parâmetros e do equilíbrio de adsorção dos ácidos carboxílicos em presença de carvão ativado granular. Para a parte experimental colocou 1g do adsorvente sólido em contato com soluções de ácidos carboxílicos com distintas concentrações, em temperatura constante e na presença de agitação e as concentrações residuais dos ácidos carboxílicos em solução foram medidas ao longo do tempo por meio de titulação ácido-base na presença de fenolftaleína. A partir dos dados de equilíbrio procedeu-se com a construção das isotermas de adsorção dos modelos de Langmuir e Freundlich para avaliar os parâmetros cinéticos, e de equilíbrio, os quais mostraram que para o ácido propanóico foram satisfatórios os resultados, e para os demais ácidos desfavorável. E a isoterma de Langmuir descreveu a adsorção com melhores resultados do que o de Freundlich, devido a fatores externos. O ácido butanóico comparado aos demais apresenta um perfil mais favorável a capacidade de adsorção. O tempo de equilíbrio foi de 60 minutos para o ácido propanóico, 75 minutos para o ácido etanóico e butanóico. Através de estudos pode-se observar que os grupos funcionais, as massas molares e o tamanho da cadeia carbônica dos ácidos carboxílicos utilizados no experimento são fatores de influencia na adsorção.

1. INTRODUÇÃO

A adsorção se caracteriza por um processo de separação de substâncias orgânicas e inorgânicas presentes em uma solução por meio de uma interface entre fases. A adsorção se classifica como adsorção química quando as ligações entre o adsorvente (matriz sólida) e adsorvato (moléculas inorgânicas ou orgânicas presentes em solução) estabelecem uma interação forte e irreversível; já na adsorção física estas interações são fracas, permitindo assim a reversibilidade da reação (CAVALCANTI, 2009).

O mecanismo do processo consiste na formação de uma concentração de equilíbrio entre as interfaces, interligada, em sistemas cuja matriz sólida é porosa, a lentos processos difusivos. Em sistemas cuja matriz sólida é o carvão ativado alguns fatores como, tempo de contato entre as interfaces, características granulométricas e conformacionais do sólido, concentração do adsorvato presente em solução, dentre outros, afetam diretamente na taxa de adsorção (CAVALCANTI, 2009).

As correlações entre os mecanismos de sorção e dessorção são expressos nas Isotermas de Adsorção (SCHNEIDER, 1995). As soluções com adsorvato em diferentes concentrações são colocadas em contato com o adsorvente até que se atinja o equilíbrio, e por meio dos dados de monitoramento obtidos e dos modelos matemáticos das Isotermas é realizada a representação gráfica da eficiência da adsorção, ou seja, do acompanhamento da quantidade de material adsorvido (FERREIRA et al., 2007).

As Isotermas mais comuns utilizadas para expressar fenômenos de sorção são as de Langmuir e Freundlich. A Isoterma de Langmuir se encontra baseada em três hipóteses dispostas a seguir (ATKINS; PAULA, 2011).

• O recobrimento da adsorção é em uma monocamada, ou seja, cada sítio ativo acomoda uma única espécie adsorvida (ARAÚJO, 2011; ATKINS; PAULA, 2011);
• Todos os sítios possuem características equivalentes um ao outro e a superfície se apresenta uniforme, plana em escala microscópica (ATKINS; PAULA, 2011);
• Não há interações entre as moléculas adsorvidas, de modo que a ocupação de um sítio independe das condições de ocupação dos sítios vizinhos (ATKINS; PAULA, 2011).

A Isoterma de Langmuir é expressa pela Equação 1, disposta a seguir.

[pic 1]

(1)

Na qual, CE representa a concentração de equilíbrio da solução, qE quantidade adsorvida em equilíbrio por unidade de massa de adsorvente, e b e qm parâmetros determinados pela linearização da equação.

A Isoterma de Freundlich é baseada em uma equação empírica, a qual admite a existência de vários sítios para adsorção em superfícies heterogêneas (MIRETZKY; SARALEGUI; CIRELLI, 2006). Como ressalva, a Isoterma de Freundlich falha em sistemas cuja concentração ou pressão do adsorvato é relativamente alta (CASTELLAN, 2012).  A Equação 2 expressa a seguir é a equação empírica de Freundlich para adsorção.

[pic 2]

(2)

Na qual, n e K são coeficientes da equação determinados pela linearização da mesma

2. MATERIAIS E MÉTODOS

O experimento consistiu de obter os valores de adsorção de três ácidos carboxílicos, sendo eles os ácidos etanóico, propanóico e butanóico, utilizando como adsorvente o carvão ativado granular.

A adsorção por carvão ativado é um fenômeno de superfície, onde a adsorção dos ácidos ocorre na superfície do mesmo. Inicialmente foram preparados soluções aquosas dos referidos ácidos em diferentes concentrações, especificamente 5 soluções para cada ácido com as concentrações de 0,02M, 0,04M, 0,06M, 0,08M e 0,1M, respectivamente. As soluções foram preparadas a partir dos próprios ácidos em sua forma mais pura, as alíquotas anteriormente calculadas foram adicionadas em balões de 250 mL e os volumes completos com água destilada. Para cada ácido utilizado pesou-se em 5 béqueres de 250 mL aproximadamente 1g de carvão ativado granular e adicionou-se 200 mL das respectivas soluções previamente preparadas, o tempo de contato da solução com o adsorvente foi cronometrado, e as soluções foram agitadas a cada 2 minutos com bastão de vidro. Com auxílio de pipetas volumétricas foram retiradas alíquotas de 10 mL nos tempos 0, 15, 30, 45, 60, 75 e 90 minutos, sendo posteriormente adicionados em Erlenmeyers. Com o intuito de se determinar e acompanhar a adsorção de cada um dos ácidos foram efetuadas titulações ácido-base utilizando-se solução padronizada em estoque de hidróxido de sódio 0,05M, utilizando-se como indicador solução de fenolftaleína. Anotaram-se os volumes gastos na titulação para realização dos cálculos. Após o tempo de estabilização os volumes não titulados foram filtrados em papeis de filtro para remoção do material particulado que foi pesado após a secagem.