EQUILIBRIO DE ADSORÇÃO

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A adsorção é uma operação de transferência de massa do tipo sólido-fluido na qual se explora a habilidade de certos sólidos em concentra na sua superfície determinadas substancias existentes em soluções liquidas ou gasosas, o que permite separá-las dos demais componentes dessas soluções. Quando diversos componentes puderem ser adsorvidos, geralmente o sólido é seletivo, o que torna possível fracionar a solução. (GOMIDE, 1988).

Em um processo de adsorção um ou mais componentes de gás ou líquido são adsorvidos na superfície de um sólido adsorvente e a separação é realizada. Os adsorventes são normalmente na forma de pequenas partículas num leito fixo. O fluido é passado pelo leito e as partículas sólidas adsorvem os componentes de líquido. Quando o leito está quase saturado, o fluxo pelo leito é parado e regenerado por aquecimento ou por outros métodos, então a desorção ocorre. O material adsorvido (adsorbato) é assim recuperado e o sólido adsorvente está pronto para outro ciclo de adsorção. (GEANKOPLIS, 1993).

Os adsorventes tem a forma de pequenas pelotas, pérolas, ou grânulos que podem variar de 0,1 mm à 12 mm de tamanho com as maiores partículas sendo usadas em leitos embalados. A partícula adsorvente possui uma estrutura porosa onde o volume dos poros ocupa cerca de 50% do volume total da partícula, ou mais.

Segundo A cinética do processo de adsorção depende da velocidade (ou taxa) relativa entre as seguintes quatro etapas sucessivas, mostrada na Figura 1:

1. Transporte no seio da solução envolve o movimento do material (substância) a ser adsorvido (adsorbato) através do seio da solução líquida para a camada-limite ou filme fixo de líquido existente ao redor da partícula sólida do adsorvente.

2. Transporte por difusão através da camada limite, corresponde ao transporte do adsorbato por difusão através da camada limite até a entrada dos poros do adsorvente (difusão externa).

3. Transporte através dos poros, envolve o transporte do adsorbato através dos poros da partícula por uma combinação de difusão molecular através do líquido contido no interior dos poros e difusão ao longo da superfície do adsorvente (difusão interna).

4. Adsorção, ligação do adsorbato em um sítio disponível do adsorvente, envolvendo vários mecanismos, tais como: adsorção física, adsorção química, troca iônica, precipitação, complexação.

Figura 1: Os 4 passos da adsorção. Fonte: WEBER E SMITH, 1987, apud PORPINA, 2009.

A cinética da adsorção é importante já que controla a eficiência do processo. Existem diferentes modelos nos quais se pode ajustar a dados do processo de adsorção com relação ao tempo. Entre os principais e mais usados temos modelo de pseudo-primeira ordem e de pseudo-segunda ordem.

Modelo Cinético de Pseudo-Primeira Ordem:

Em 1898, Largergren propôs uma equação da velocidade a qual é um modelo de primeira ordem desenvolvido para a adsorção em sistemas líquidos – sólidos, baseando-se na capacidade de adsorção do sólido (HO, 2004). A equação de Lagergren é uma das mais utilizadas para avaliar a adsorção de solutos em soluções líquidas, sendo representada como:

log⁡(q_e-q_t )=log⁡(q_e )-k_L/2,303.t (1)

Onde:

q_e é a capitação das espécies no equilíbrio (mg g^(-1))

q_t é a captação das espécies no tempo t (mg g^(-1))

k_L é a constante de velocidade de adsorção de pseudo-primeira ordem (〖min〗^(-1))

Modelo Cinético de Pseudo-Segunda Ordem:

O modelo da cinética de Pseudo-segunda Ordem pode ser expresso da seguinte forma:

1/q_t =1/(〖k.q〗_e^2 )+1/q_e .t (2)

Onde:

k é a constante de velocidade de adsorção de pseudo-segunda ordem (g.〖mg〗^(-1) 〖min〗^(-1)).

E q_e,q_t e t tem o mesmo significado que na expressão de pseudo-primeira ordem.

A adsorção de moléculas pode ser representada como uma reação química:

A+B→A.B (1)

Onde A é o adsorbato, B é o adsorvente e A.B é o composto adsorvido.

Os compostos permanecem adsorvidos na superfície do adsorvente pela ação de diversos tipos de forças químicas como:

- Ligações de Hidrogênio

- Interações Dipolo-Dipolo

- Forças de London ou Van der Waals

Quando as moléculas de adsorbato presentes na fase fluída atingem a superfície do adsorvente, a força residual, resultante do desequilíbrio das forças de Van der Walls que agem na superfície da fase sólida, criam um campo de forças que atrai e aprisiona a molécula. O tempo que a molécula de adsorbato fica ligada à superfície do adsorvente depende diretamente da energia com que a molécula é segura, ou seja, é uma relação entre as forças exercidas pela superfície sobre essas moléculas e as forças de campo das outras moléculas vizinhas.

Existem basicamente dois tipos de adsorção: a adsorção física ou fisiosorção e a adsorção química ou quimiosorção. No entanto, em certas ocasiões os dois tipos podem ocorrer simultaneamente.

A classificação do processo de adsorção física ou química, ou, respectivamente, fisiossorção ou quimissorção, é feita a partir das forças envolvidas na interação entre o adsorbato e o adsorvente, e pelo valor da energia envolvida no fenômeno. Tanto a adsorção química quanto a adsorção física são processos exotérmicos. Isto porque há uma diminuição da energia livre da superfície no processo de adsorção. Porém, a entropia diminui, já que as partículas que são adsorvidas têm menor liberdade quando se acomodam nos sítios de adsorção. Como ΔG = ΔH - TΔS, então ΔH deve ser, necessariamente, negativo. (BARROS)

A adsorção física ocorre por uma diferença de energia e/ou forças de atração, chamadas