Adsorção, Notas de estudo de Engenharia de Materiais
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Adsorção, Notas de estudo de Engenharia de Materiais

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Conceitos e aplicações da adsorção
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ADSORÇÃO

Fundamentos e aplicação

Elton Torres Zanoni

ADSORÇÃO

Criciúma, 2017

Sumário Introdução  O que é Adsorção  Conceitos e princípios básicos  Quimissorsão e Fisissorção Área de Superfície Propriedades do adsorvente e do adsorbato

Isotermas  As classes Características de adsorção Materiais adsorventes  Materiais zeólitos  Materiais mesoporosos  Nanopartículas mesoporosas e suas características Aplicação da adsorção  Artigo (Uso de nanotecnologia na remoção de contaminantes

oleosos)

Adsorção é um processo de acumulação e concentração seletiva de um ou mais constituintes (átomos, íons, moléculas, etc...) contidos em um ou líquido ou em um gás sobre uma superfície sólida

Adsorção não é o mesmo que Absorção

adsorvente

adsorbato

INTRODUÇÃO O QUE É ADSORÇÃO?

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INTRODUÇÃO

QUIMISSORÇÃO E FISISSORÇÃO

Adsorção física, a ligação do adsorvato à superfície do adsorvente envolve uma interação relativamente fraca que pode ser atribuída às forças de Van der Waalls, que são similares às forças de coesão molecular.

Quimissorção, a qual envolve a troca ou partilha de elétrons entre as moléculas do adsorvato e a superfície do adsorvente, resultando em uma reação química

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INTRODUÇÃO

ÁREA DE SUPERFÍCIE

Adsorção é um fenômeno de superfície.

Quanto maior a área superficial do adsorbato, maior a capacidade do material adsorver.

Área de superfície aumenta com a diminuição do tamanho de partícula

Fonte: SCHAEFER, 2010

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A natureza físico-química do adsorvente é fator determinante, pois a capacidade e a taxa de adsorção dependem da área superficial específica, porosidade, volume específico de poros, distribuição do tamanho de poros, dos grupos funcionais presentes na superfície do adsorvente e da natureza do material precursor

INTRODUÇÃO

PROPRIEDADES DO ADSORVENTE

Adsorve nte

Área de Superfíci

e

Porosida de

Distribui ção de poros

Grupos funciona

is presente

s na superfíci

e

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O tamanho da espécie é sempre importante quando a taxa de adsorção é dependente do transporte intraparticular. Outra característica de forte influência é a polaridade do adsorvato, uma vez que uma espécie polar terá mais afinidade para o solvente ou para o adsorvente, conforme a polaridade. Os grupos polares (hidroxilas, carboxílicos, aminas etc) são bastante comuns em materiais lignocelulósicos. Tais grupos têm uma afinidade por metais bastante conhecida, promovendo uma melhor interação entre o íon metálico e a superfície do adsorvente

PROPRIEDADES DO ADSORBATO

INTRODUÇÃO

Polaridade

Funcionalidade

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Quando o adsorvato é colocado em contato com o adsorvente, as moléculas ou íons tendem a fluir do meio aquoso para a superfície do adsorvente até que a concentração de soluto na fase líquida (Ce) permaneça constante. Nesse estágio é dito que o sistema atingiu o estado de equilíbrio e a capacidade de adsorção do adsorvente (qe) é determinada

INTRODUÇÃO

EQUILÍBRIO DE ADSORÇÃO

q = (Co - Ce)V m

Capacidade de adsorção q: capacidade de adsorção; Co: concentração inicial do adsorvato; Ce: concentração do adsorvato no equilíbrio; V: volume da solução; m: massa do adsorvente

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INTRODUÇÃO Isoterma

A quantidade em massa (mg) do adsorvato adsorvida pelo adsorvente é disposta no eixo vertical respectivo à concentração inicial da solução do adsorvato no eixo horizontal 9 de 35

Uma das primeiras tentativas de classificar curvas de adsorção surgiu por volta de 1922 com  Ostwald e Izaguire que descreve utilizando sistemas de soluções binárias. Brunauer posteriormete define cinco sistemas de adsorção usando adsorção em fase vapor.

INTRODUÇÃO

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ISOTERMAS Sistema de Classificação

As quatro principais classes de isotermas são as denominadas:

Curvas S (Sigmoidal)

Curvas L (Langmuir)

Curvas H (High Afinty )

Curvas C (Constant partition )

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ISOTERMAS

As 4 classes principais se subdividem em Sub-grupos de acordo com ao comportamento final da curva

Sistema de Classificação

M x

IV

II

I

II

I

O início da inclinação depende do número de sítios ativos disponíveis para suportar o adsorvato. Com a progressão do tempo, os sítios ativos serão ocupados e consequentemente a adsorção diminui até atingir a saturação, entrando em um estado de equilíbrio. Isso se aplica  para a curvas L e nos estágios finais  de S e H

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O perfil de uma isoterma permite identificar uma boa ou má eficiência de adsorção de um material

ISOTERMAS

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Inicialmente a inclinação é linear e convexa em relação ao eixo da abcissa. A adsorção inicialmente é baixa aumentando posteriormente. Indicativo de orientação vertical de moléculas adsorvida na superfície que auxilia na fixação das demais moléculas adsorvidas. Isso se chama adsorção cooperativa.

Curvas S

No início da curva S a inclinação se dá pelo oposto, devido às condições de interação intermoleculares

Uma molécula de soluto é mais estável adsorvido com moléculas adjacentes já adsorvido, do que isoladamente como em b. Resulta em isoterma do tipo S.

A bifuncionalidade da molécula deixa estável tanto com moléculas adjacentes adsorvidas, como também de forma isolada. Resulta em isoterma do tipo L

ISOTERMAS

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Curvas S ocorrem quando 3 condições são satisfeitas pelo soluto (adsorbato):

1. Monofuncional 2. Atração moderada intermolecular 3. Encontram forte competição com

outras moléculas na ocupação de sítios ativos no adsorvente.

Curvas S

Celulose

Antraceno sulfonadoNaftaleno sulfonado

Ce

qe a

ISOTERMAS

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ISOTERMAS Curvas L

Isotermas de Langmuir, Geralmente indicativo de moléculas adsorvidas na superfície, ou,  às vezes, de íons adsorvidos orientados verticalmente com forte  atração intermolecular. adsorção em sítios específicos do adsorvente

Planar

Características: 1. As moléculas são adsorvidas de forma planar 2. Baixa competição com solvente 3. Número específico de sítios ativos

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ISOTERMAS Curvas H

A parte inicial da isoterma é vertical e aparecem quando o soluto apresenta alta afinidade pelo adsorvente. A capacidade de adsorção em baixas concentrações do adsorvente é extremamente alta, atingindo o equilíbrio rapidamente. frequentemente se dá por solutos adsorvidos em forma de miscelas iônicas e por alta afinidade de troca iônica 17 de 35

ISOTERMAS “Constant partition” (partição constante) possuem um início linear, o que é comum em adsorvente microporoso, caracterizando uma partição entre o soluto e a superfície do adsorvente estável e indicando que o número de sítios ativos é constante

Curvas C

Soluto possui mais afinidade com o substrato do que o solvente

Número de sítios ativos é constante

As condições que favorecem as curvas do tipo C são substratos porosos flexíveis e regiões de diferentes graus de solubilidade para o soluto18 de 35

Adsorbato Monocamada

Multicamada

I

III II

IV

CARACTERÍSTICAS DE ADSORÇÃO

V Condensação nos poros e capilares

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MATERIAIS ADSORVENTESMateriais adsorventes são em

geral porosos

Possuem alta área de superfície, sendo estes materiais naturais ou sintéticos.

Entre os mais conhecidos estão as zeólitas e o carvão ativado

Zeólita Fonte: Rafatullah et al

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MATERIAIS ADSORVENTES

Denise Alves Fungaro, Mitiko Yamaura e José Eduardo Alves Graciano. REMOÇÃO DE ÍONS Zn2+, Cd2+ E Pb2+ DE SOLUÇÕES AQUOSAS USANDO COMPÓSITO MAGNÉTICO DE ZEÓLITA DE CINZAS DE CARVÃO. Química Nova. 2010

Remoção de íons metálicos usando zeólita

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MATERIAIS ADSORVENTESMateriais

Mesoporosos

2nm 50nm

Mesoporo MacroporoMicroporo

15 cm

1 mm

1 um

1 nm 22 de 35

Condensação capilar

Fenômeno da qual um gás condensa dentro de um poro numa pressão p menor que a da saturação do material em escala macro

MATERIAIS ADSORVENTESNanomateriais Mesoporosos e Suas Características

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MATERIAIS ADSORVENTESTipo de poros Cilíndrico

Cone

Esférico

Fendas

Interstício

Nanomateriais Mesoporosos e Suas Características

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MATERIAIS ADSORVENTESNanomateriais Mesoporosos e Suas Características

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MATERIAIS ADSORVENTESNanomateriais Mesoporosos e Suas Características

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APLICAÇÕES Nanomateriais Mesoporosos e Suas Características

Nanoestrururas mesoporos de sílica consiste em uma síntese química advinda da hidrólise de um alcóxico silano construindo blocos de sílica ao redor de um molde de miscilas.

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Nanomateriais Mesoporosos e Suas Características

MATERIAIS ADSORVENTES

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Isoterma de um nanomaterial de carbono mesoporoso usando nanopartículas de sílica mesoporoso como template

MATERIAIS ADSORVENTES

CMK – 1 –FA (Carbono mesoporoso moldado pelo MCM- 48)

C-41 (Carbono mesoporoso moldado por MCM- 41)

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APLICAÇÕES Uso da nanotecnologia na remoção de Óleo na água

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APLICAÇÕES

Modificação da Superfície

Os processos modernos usados atualmente na remoção de contaminantes consegue retirar até 95% do óleo contido na água, deixando ainda pequenas gotículas do contaminante na água.

Uso da nanotecnologia na remoção de Óleo na água

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APLICAÇÕES

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APLICAÇÕES

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By C. H. GILES, T. H. MACEWANS,. N. NAKHWAa,n d D. SMIT. Studies in Adsorption. Part XI.* A System of Classi$cation of Solution Adsorption Isotherms, and its Use in Diagnosis of Adsorption Mechanisms and in Measurement of Specific Surface Areas of Solids. 1958

SCHAEFER, Hans-Eckhardt. Nanoscience: the Science of the Small in Physics, Engineering, Chemistry, Biology and Medicine. Springer. Londres. 2011

Mohd. Rafatullaha,∗, Othman Sulaimana, Rokiah Hashima, Anees Ahmad Adsorption of methylene blue on low-cost adsorbents: A review.2009

Sang Hoon Joo et al. Characterization of Ordered Mesoporous Carbons Synthesized Using MCM-48 Silicas as Templates.2000

REFERÊNCIAS

34 ACABOU

Fundamentos e aplicação

Elton Torres Zanoni

ADSORÇÃO

Criciúma, 2017

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