MINISTÉRIO MINISTÉRIO DA D A EDUCAÇÃO Universidade Federal de Alfenas. UNIFAL-MG Rodovia José Aurélio Vilela, 11.999 - Cidade Universitária CEP 37715-400 - Poços de Caldas/MG Caldas/MG Fone: (35) 3697-4000
ISOTERMA DE ADSORÇÃO
Docente: Profª. Drª. Giselle Patrícia Sancinetti.
Poços de Caldas – MG MG Novembro/2017
1. RESUMO Neste experimento realizou-se um ensaio de adsorção do corante do azul de metileno em uma amostra de carvão ativo comercial, para a construção e classificação da sua respectiva isoterma. Sendo assim tomou-se 5 amostras de diferentes concentrações de azul de metileno e as deixaram reagir com o carvão ativado em um recipiente com agitação constante, para que ocorra a adsorção. Em seguida as amostras foram filtradas e carvão ativado removido, foram feitas as leituras de suas respectivas absorbâncias em um espectrofotômetro. Através da curva de calibração do azul de metileno, realizada no experimento I, determinou-se as concentrações das amostras de azul de metileno. Desse modo calculou-se as concentrações de azul de metileno pela sua absorbância, os valores de Ceq e qeq , obtendo a isoterma de adsorção, que de acordo com a classificação da IUPAC, corresponde a uma isoterma do tipo I. 2. OBJETIVO Construir e classificar uma isoterma de adsorção do corante azul de metileno em carvão ativado comercial. 3. METODOLOGIA 3.1- Materiais utilizados Para a realização do experimento foram utilizados: Carvão ativado; Balança analítica de precisão; Espátula metálica; 5 Agitadores magnéticos sem aquecimento; 5 barras magnéticas de agitação (“peixinhos”);
Cronômetros; Soluções aquosas de corante azul de metileno na concentração 500 mg.L -1; Frascos de vidro com tampa (reatores em batelada com agitação magnética); 5 Erlenmeyers de 100 mL; 5 Funis pequenos de vidro; 5 Papéis de filtro; 5 Pipetas graduadas de 10 mL; 3 pipetas graduadas de 2 mL;
1 pipetas graduadas de 5 mL; 1 pipetador de 3 vias; 1 pisseta com água destilada; 1 béquer de 100 mL; 1 pipeta de Pasteur; 3 balões volumétricos de 50 mL com tampa (diluição para leitura absorbância); 4 balões volumétricos de 25 mL com tampa (preparo das soluções de AM); 6 tubos de ensaio; 1 estante para tubos; Espectrofotômetro de UV-vis; Cubeta de vidro. 3.2- Metodologia - Preparou-se as soluções de azul de metileno nas concentrações: 25, 50, 100 e 250 mg.L1; - Pesou-se 10 mg de carvão ativado nos frascos (reatores em batelada); - Pipetou-se nos reatores 1, 2, 3, 4 e 5, 10 mL das soluções de azul de metileno nas concentrações de 25, 50, 100, 250 e 500 mg L -1 respectivamente; - Tampou-se os reatores e colocou-os sob agitação magnética por um período de 30 minutos, sendo monitorado por um cronômetro; - Após 30 minutos, filtrou-se a solução para a separação do carvão ativado usando funil de vidro, filtros de papel e um Erlenmeyer; - Colocou-se a solução filtrada em uma cubeta de vidro para fazer a leitura da absorbância no Espectrofotrômetro de UV-visível em 665 nm; - Diluiu-se 50 vezes as soluções filtradas de azul de metileno nas concentrações 250 e 500 mg. L-1, pois a leitura da absorbância foi superior à 1,0; - Todos os dados coletados foram anotados para posterior análise. 4. EQUACIONAMENTO Adsorção é um processo da captura de uma substância (gás ou líquido), denominada adsorvato, na superfície externa de outra espécie (sólido ou líquido), o adsorvente. Dentro da Engenharia Química, adsorção é conhecida como o processo de
separação no qual um componente específico de uma das fases do fluido é transferido para a superfície do sólido adsorvente (McCabe et al., 1993). A adsorção é um fenômeno espontâneo e sempre exotérmico devido ao aumento da ordenação do adsorvato na superfície do adsorvente, reduzindo a entropia, como mostra a equação abaixo: (1) Dependendo do tipo de interação envolvida, a adsorção pode ser categorizada como física (fisissorção) ou química (quimissoção). Adsorção química envolve a troca de elétrons entre as espécies, resultando na formação de uma ligação química. Como essas ligações são muitos fortes, esse tipo de adsorção é praticamente irreversível. A quimissorção pode ser molecular, não havendo dissociação do adsorvato, ou dissociativa, onde a variação de entalpia pode levar à quebra das moléculas devido ao rompimento de ligações. Já na adsorção física esse tipo de adsorção é caracterizado pela existência de interações devido à forças intermoleculares, como as do tipo van der Waals e London. A força de atração é bastante fraca e pode ser reversível com aumento da pressão e/ou temperatura (Fletcher, 2008). Isotermas de adsorção são curvas que determinam a quantidade adsorvida de um determinado fluído pelas diferentes pressões de equilíbrio ou a diferentes concentrações. Ao estudar isotermas de fisissorção de diferentes sistemas é possível juntá-las em 6 grupos distintos (determinado pela IUPAC) com características especificas para cada adsorvente (KING et al., 1985). São elas:
Figura 1: Tipos de isotermas de Fisissorção.
Tipo I: São dadas por sólidos microporosos, que tem superfície externa extremamente pequena. Pela representação pode-se determinar que a adsorção é dada em uma monocamada. Tipo II: São as isotermas “mais comuns” dadas por adsorventes não porosos ou
macroporosos. Pela representação pode-se determinar que a adsorção é dada em mono e multicamadas. Tipo III: São isotermas “menos comuns” dadas pela baixa afinidade entre o adsorvente
e o adsorvato. Tipo IV: São isotermas quais possuem a presença de histeres dadas pela condensação capilar nos mesoporos do adsorvente, ocorrendo normalmente em muitos adsorventes mesoporosos industriais. Pela representação pode-se determinar que essa adsorção é dada em mono e multicamada. Tipo V: São isotermas “menos comuns” e possuem
uma baixa afinidade entre adsorvente e adsorvato (assim como o tipo III), contudo são dadas apenas na presença de alguns adsorventes porosos. Tipo VI: Outro tipo pouco comum de isoterma ocorre em superfícies não-porosas uniformes. Pela representação pode-se determinar que essa adsorção é dada em multicamada (KING et al., 1985).
A concentração do azul de metileno retido no sorvente foi calculada usando a Equação 2: (2) Onde, qe é a quantidade de azul de metileno adsorvido por unidade de peso do sorvente (mg/g), Co e Ce são, respectivamente, as concentrações inicial e final (mg/L) do azul de metileno em solução, V o volume da solução (L) e m a massa de carvão ativado (g). 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os dados do experimento se encontram na tabela (1).
Tabela 1: Dados experimentais nos reatores.
Amostra 1 2
Co (mg/L)
Fator de diluição
Absorbância
Massa Carvão Ativado (g)
25 50
-
0,023 0,026
0,0098 0,0097
3 4 5
100 250 500
50 50
0,029 0,187 0,550
0,0104 0,0100 0,0107
Com os dados cedidos pelo grupo IV do experimento I, foi plotado um gráfico de Concentração (mg/L) x Absorbância. 0,8 0,7 0,6
y = 0,1928x - 0,0333 R² = 0,9894
a 0,5 i c n â b r 0,4 o s b 0,3 A
0,2 0,1 0,0 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Concentração Azul de Metileno (mg/L)
Figura 2: Absorbância x Concentração de azul de metileno. Como podemos observar na figura (1), obteve-se uma equação da reta utilizada para calcular a concentração residual de azul de metileno nas soluções submetidas ao carvão ativado e filtrada posteriormente. E através das equação (2) calcularam-se os valores de qeq, como mostra a tabela (2)
Tabela 2: Dados calculados nos reatores. Amostra Ceq (mg/L) qeq (mg/g) 1 2 3 4 5
0,29 0,31 0,32 57,13 151,27
25,21 51,22 95,84 192,86 325,91
Analisando os dados da tabela 2, verifica-se os valores da C eq nas amostras 1, 2 e 3 quando comparadas aos valores das amostras 4 e 5, possuem valores muito próximos
de zero. Comprovando a eficiência próxima a 100% do adsorvente no experimento, neste caso o carvão ativado. Plotando o gráfico com os dados da tabela 2, obtemos a isoterma de adsorção do azul de metileno em carvão ativado, figura 3. 400,00 350,00 300,00 250,00
) g / g 200,00 m ( q
e q 150,00
100,00 50,00 0,00 -20,00 0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
Ceq (mg/L)
Figura 3: Isoterma de adsorção azul de metileno em carvão ativado. Comparando a isoterma obtida na figura 3 com os tipos de isotermas de fisissorção figura 1, podemos concluir que a isoterma de adsorção azul de metileno em carvão ativado encontrada este experimento corresponde a uma isoterma do tipo I indicando a existência de microporos no adsorvente, formando uma monocamada completa. 5. CONCLUSÃO O experimento para a construção de uma isoterma de adsorção em reator em batelada utilizando o azul de metileno como adsorvado e carvão ativado como adsorvente, se mostrou satisfatório e adequado com os resultados esperados, conforme a literatura. Para as concentrações de 25, 50 e 100 mg/L de azul de metileno, foi adsorvido quase 100% no adsorvente, e para as concentrações de 250 e 500 mg/L, não teve grande eficiência na adsorção do adsorvato ao atingir-se o equilíbrio da reação. Contudo, a isoterma construída a partir dos dados experimentais é do tipo I, de acordo com a IUPAC são sólidos microporosos, tendo uma superfície externa extremamente pequena, e que a adsorção é dada em uma monocamada.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] FLETCHER, A. Porosity and Sorption behavior. University os Durham, 2008. Disponível
em:
.
Acesso em 24 de novembro de 2017. [2] McCABE, W., SMITH, J.C., HARRIOTT, P.. Unit Operations of Chemical
Engineering, 5th Edition, McGraw-Hill, New York, 1993. [3] SING, K.S.W . et al. Reporting physisorption data for gas/solid systems with
special
reference
to
the
determination
surface
area
and
porosity
(Recommendations 1984). Pure Apple. Chem., Vol. 57, No 4, pp. 603-619, 1985. Disponível em: . Acessado em 24 de novembro de 2017.
