AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA DIFUSIVO E DA CONCENTRAÇÃO INICIAL NA ADSORÇÃO LÍQUIDO-SÓLIDO EM UM REATOR BATELADA COM CINÉTICA CONTROLADA POR TRANSFERÊNCIA DE MASSA EXTERNA

ISBN 978-85-85905-10-1

Área

Físico-Química

Autores

Bezerra, V.V.L. (UFPE) ; Almeida, C.M.T. (UFPE) ; Silva, T.E.P. (UFPE)

Resumo

Os processos adsortivos são importantes instrumentos de estudo, podendo ser influenciados por diversos fatores, em especial, a transferência de massa. Neste trabalho foi realizado um estudo da influência do coeficiente difusivo na transferência de massa externa ao sólido. Constatou-se que o aumento do coeficiente de transferência de massa difusivo (K_mA) acarreta em uma menor resistência a transferência de massa, de modo que a taxa de consumo (- r_A) seja controlada pela etapa mais lenta do processo, a adsorção. Por outro lado, para baixos valores de K_mA observa-se uma maior resistência a difusão do componente. Assim, nesse caso em especial, a etapa controladora será a transferência de massa externa.

Palavras chaves

Transferência de massa; Adsorção; Coeficiente difusivo

Introdução

A adsorção é uma operação de transferência de massa do tipo sólido-fluido, na qual se explora a capacidade de certos sólidos de concentrarem em sua superfície determinadas espécies presentes em soluções líquidas ou gasosas (VOLESKY, 1999). Os parâmetros de equilíbrio do processo de adsorção podem ser calculados através de equações matemáticas que se ajustam ao tipo de isoterma de adsorção, obtidos a partir dos dados experimentais (VIEIRA et al, 2009). Os modelos mais aplicados são os de Langmuir, de Freundlich, de Langmuir-Freundlich e Fritz-Schlunder (EL- NAAS et al, 2010). Em sistemas fluido-sólido geralmente ocorre uma resistência à transferência de massa, ocasionando dificuldade de um ou mais componentes migrarem da fase liquida para a fase sólida. Tal influência conduz a diferentes valores de concentrações no seio do fluido, que circunda o sólido, e próximo à superfície de contato, onde ocorre a adsorção, criando um gradiente de concentração. Fenômenos de transferência de massa na camada externa de fluido em torno do sólido podem determinar a cinética do processo como etapa controladora. No caso da aplicação de processos adsortivos em reator batelada, são gerados dados que são obtidos a partir de um sistema de escala laboratorial que podem ser usados em conjunto com uma análise de balanço de massa com o objetivo de determinar a quantidade de material adsorvente que deve ser adicionado para remoção do material em estudo (METCALF e EDDY, 2003).

Material e métodos

Expressões para os perfis de concentrações foram determinadas por meio de método numérico. A solução numérica foi obtida a partir do método das diferenças finitas, que consiste na discretização do domínio e na substituição das derivadas presentes na equação diferencial por aproximações utilizando apenas os valores numéricos da função, obtendo-se a Equação 1 cuja resolução foi obtida com o auxílio de uma planilha Excel. Os cálculos foram realizados com os seguintes valores de parâmetros: (a) massa do catalisador (m_s:1g); (b) concentração adsorvida na fase sólida (q_AS:1,18x10^-3 g/gad); (c) tempo operacional (τ:100 min); (d) massa específica do sólido (ρ_s:1,5 g/cm³); (e) volume do fluido (V_L:0,1L); (f) relação entre área de contato pelo volume do sistema (a_LS:10 m²/m³); (g) tempo admensional (ΔΘ: 1,0x10^-6). Foi utilizado o valor da capacidade adsortiva em condições de saturação do carvão ativado. C_i,m=[(C_i-1,m/Δθ) ±Bτ(C_As/C_A0)]/[(C_i,m/Δθ)±Bτ] (Equação 1)

Resultado e discussão

As Figuras 1 e 2 apresentam a influência de diferentes valores de concentrações iniciais (C₀) e coeficientes difusivo (K_mA) na formação dos perfis de concentração. Constata-se que o aumento no valor de K_mA acarreta em uma menor resistência à transferência de massa. Nas Figuras 1 (a) e 1(b), observa-se que há uma alta resistência à transferência de massa do componente, o que pode ser evidenciado devido ao pequeno gradiente de concentração na fase líquida. Nas Figuras 2(a) e 2(b), para altos valores de K_mA, ocorre migração do componente ao longo do filme, sem muitas dificuldades, como é constatado devido ao elevado gradiente de concentração e do decaimento abrupto dos perfis de concentração. Além disso, observa-se que o perfil de concentração apresenta um decaimento sensível ao longo do tempo adimensional. É possível observar que os perfis obtidos com as concentrações iniciais de 0.05, 0.1 e 10 g/L apresentam curvas com comportamento semelhantes. Desse modo, a concentração inicial não será um fator determinante na variação do perfil de concentração, com exceção dos casos em que a fase líquida esteja diluída (C0≤0,01g/L).

Conclusões

Com base nos resultados obtidos nesse trabalho, constata-se a influência do coeficiente de transferência de massa difusivo na determinação da etapa controladora do processo. Foi observado que o aumento de KmA acarreta em uma menor resistência a transferência de massa, de forma que a taxa de consumo é controlada pela adsorção. Por outro lado, para baixos valores de KmA observa-se uma maior resistência a difusão do componente, de modo que a etapa controladora será a transferência de massa externa. Além disso, para valores de concentração inicial ≥ 0,05 g/L, o perfis obtidos são semelhantes.

Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer ao Departamento de Engenharia Química (DEQ) e a Universidade Federal de Pernambuco (UFPE).

Referências

EL-NAAS, M.H.; AL-ZUHAIR S.; ALHAIJA M.A. Removal of phenol from petroleum refinery wastewater through adsorption on date-pit activated carbon. Chemical Engineering Journal, v.162, 997-1005, 2010.

METCALF E EDDY. Wastewater engineering: treatment and reuse. 4 ed., McGraw Hill, p.1819, 2003.

VIEIRA, A.P.; SANTANA, S.A.A.; BEZERRA, C.W.B.; SILVA, H.A.S.; CHAVES, J.A.P.; MELO, J.C.P.; SILVA FILHO, E.C.; AIROLDI, C. Kinetics and thermodynamics of textile dye adsorption from aqueous solutions using babassu coconut mesocarpo. Journal of Hazardous Materials. v. 166, 1272-1278, 2009.

VOLESKY, B. Evaluation of biosorption performance. Biosorption. 1999, Chap. 6. Disponível em: <Http://www.mcgill.ca//biosorption/publications/book/book/htm> Acesso em 17 de julho de 2014.