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Fenómenos Interfaciais
MIB Ramo Engenharia Biológica 3º ano
T1 – Adsorção de Líquidos em Sólidos
Ana Catarina Matos Pereira
Fábio Miguel Fernandes Figueiredo
Francisca Casanova Cerqueira Bastos
Victor Teixeira Noronha
Sumário
O objetivo deste trabalho experimental é o estudo da adsorção de líquidos em sólidos, especificamente do ácido acético em carvão ativado, utilizando-se como modelos matemáticos as isotérmicas de Langmuir, Freundlich e Temkin. Colocou-se o carvão ativado em contacto com soluções de diferentes concentrações de ácido acético, registando-se o tempo de contacto, e quantificou-se a concentração de ácido acético em equilíbrio através de uma titulação ácido-base. Conclui-se que a isotérmica de Langmuir é a que melhor se ajusta aos dados experimentais obtidos e que, segundo esta isotérmica, a área específica do carvão ativado é de 236,48 m^2 /g. O valor da constante de adsorção obtido foi de 18,40 L/mol (T = 24ºC).
Introdução
O objetivo deste trabalho prático é estudar a adsorção de ácidos carboxílicos em carvão ativado, determinando-se a constante de adsorção (K) e a máxima quantidade de substância adsorvida por grama de carvão ativado através da isotérmica de Langmuir. Neste trabalho prático também se determina a área específica do adsorvente e estuda-se outras isotérmicas: Temkin e Freundlich. A adsorção é um fenómeno físico-químico que descreve a transferência de um componente (espécie química) numa fase (gasoso ou líquida) para uma interface (superfície que separa duas fases). As espécies químicas, na adsorção, denominam-se adsorbatos (espécies químicas que se unem à interface) e adsorvente (material que adsorve as espécies químicas) [1]. No processo de adsorção, a migração das espécies químicas é devida à diferença de concentrações entre o seio do fluido e a superfície do adsorvente [1]. Os compostos permanecem adsorvidos na superfície do adsorvente pela ação de forças intermoleculares (ligações de hidrogénio, ligações dipolo-dipolo e ligações Van der Walls) [1].
Isotérmica de Langmuir : este modelo pressupõe que a superfície do sólido é homogénea e todos os sítios ativos têm igual afinidade pelo adsorbato e logo a adsorção de um sítio não vai afetar a adsorção do sítio adjacente a este [1]. Esta isotérmica é definida pela seguinte expressão:
(1) e (2)
θ – fração de sólido coberto pelas espécies adsorvidas; N – número de sítios de adsorção ocupados (nº de moles de ácido adsorvido por grama de carvão (adsorvente)); Nm – número máximo de sítios de adsorção disponíveis (nº de moles de ácido adsorvido por grama de carvão (adsorvente) para atingir a saturação); C – concentração de adsorbato na solução após adsorção (equilíbrio); K – constante de equilíbrio de adsorção. [2]
Mas a equação pode ser rearranjada da seguinte maneira: (3)
superfície dos carvões ativados fundamentam-se em duas características importantes: tamanho de poro e área superficial. Uma característica única do carvão é a larga superfície interna localizada dentro da rede de poros estreitos, onde a maior parte do processo de adsorção ocorre e cujo tamanho e forma dos poros também influenciam na seletividade da adsorção. A interação adsorvato/adsorvente na adsorção física é uma função da polaridade da superfície do sólido e da adsortividade, sendo a superfície do carvão ativado apolar. [3]
Procedimento experimental
Para execução experimental, preparou-se previamente, a partir de uma solução de ácido acético 1,5064 M, seis soluções de 100,0 mL contendo as seguintes concentrações de ácido acético (M = 60 g/mol): 0,25 M, 0,20 M, 0,15 M, 0,09 M, 0,06 M, 0,03 M. Em seguida, adicionou-se rigorosamente 2 g de carvão ativado 20/40 mesh, adquirido comercialmente (Supelco, Lote: 1649-50). Foram adicionados ainda 100 mL de água destilada a um dos erlenmeyers (ensaio em branco) e, aos seis restantes, as soluções de ácido preparadas anteriormente. Os erlenmeyers foram tampados, submetidos à agitação durante 2 minutos e deixados em repouso por aproximadamente 15 minutos. As amostras foram filtradas, desprezando-se os primeiros 10 mL de filtrado, e alíquotas de 10,00 ou 20,00 mL foram retiradas para titulação com solução de NaOH 0,1023 M usando fenolftaleína como indicador.
Resultados e Discussão
A preparação das amostras para estudo da adsorção foi feita de acordo com o protocolo descrito, sendo a concentração de NaOH 0,1023 M e a concentração real de C 2 H 4 O 2 1,5064 M. Registou-se o tempo de contacto entre o carvão e o ácido acético (17 a 26min) a uma temperatura de 23,5ºC. Após a adsorção, isto é, quando se atingiu o equilíbrio, calculou-se a concentração de ácido em cada amostra através de titulação com NaOH, tendo-se obtido os valores indicados na Tabela 1. Seguiu-se a determinação do número de moles de ácido acético adsorvidas na superfície do carvão ativado (diferença entre o número de moles presentes nas soluções iniciais – antes da adsorção - e finais – no equilíbrio). Assim, obteve-se o número de moles de ácido por grama de carvão activado, N, para cada amostra.
Tabela 1 - Condições iniciais das amostras e valores obtidos para a concentração de ácido após adsorção e quantidade de moles adsorvidas no carvão activado
A partir das (1), (2) e (3) obteve-se, respetivamente, a representação gráfica da isotérmica de Langmuir linearizada e não linearizada (Figura 1 e 2):
Figura1. Isotérmica de Langmuir Figura 2. Isotérmica de Langmuir linearizada
0
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,0000 0,0500 0,1000 0,1500 0,2000 0,
θ
C (mol/L)
Amostra [CH3COOH] inicial
n(CH3COOH) inicial
mcarvão (g)
tempo de adsorção (min)
Volume da pipeta (mL)
[CH3COOH] equilibrio (mol/L) x10-^2
n (mol)final x10-^3
nadsorvido (mol) x10-^2
N (mol/g) x10-^2 Branco 0.0301 0.006 2.0062 23 20 2.20 0.4 0.257 0. 0.006 1.9972 26 20 1.56 0.3 0.270 0. 1 0.0603 0.012 2.0585 25 20 3.70 1.2 0.529 0. 0.012 2.0585 25 20 4.81 1.0 0.506 0. 2 0.0904 0.018 1.9981 23 20 7.01 1.4 0.764 0. 0.018 2.0040 22 20 6.14 1.2 0.781 0. 3 0.1506 0.015 2.0044 17 10 12.99 1.3 1.376 0. 0.030 2.0029 20 20 12.43 2.5 1.258 0. 5 0.2004 0.020 2.0504 17 10 17.19 1.7 1.837 0. 0.020 2.0172 23 10 16.88 1.7 1.840 0. 6 0.2501^ 0.025^ 2.0050^17 10 21.89^ 2.2^ 2.292^ 1. 0.025 2.0821 25 10 21.84 2.2 2.292 1.
y = 534,65x + 29, R² = 0, 0
20
40
60
80
100
120
140
160
0,0000 0,0500 0,1000 0,1500 0,2000 0,
C/N (g/L)
C (mol/L)
entre as moléculas de ácido acético e o carbono do carvão activado, bem como interacções entre as próprias moléculas de ácido acético, através do seu grupo carboxílico (formam-se ligações de hidrogénio), o que indica que, em algumas zonas, existirá uma multicamada adsorvida [1]. Embora o modelo de Freundlich considere a existência de multicamada adsorvida em superfícies heterogéneas com interações moleculares, o modelo que mais se ajusta aos dados experimentais é o de Langmuir (considera monocamada, sem interações entre moléculas, superfícies homogéneas) uma vez que a quantidade de ácido acético (concentrações baixas) e o tempo de contacto não foram suficientes para a formação de uma multicamada. Também o aumento de temperatura não favorece a adsorção, uma vez que há mais choques cinéticos entre as moléculas e estas não têm capacidade de adsorver.
Conclusão
Conclui-se que para maiores concentrações de adsorbato, o processo de adsorção é favorecido, já que em maiores concentrações dispomos de um maior número de moléculas em solução, bem como maior diferença entre a concentração de adsorbato no fluido e a superfície do carvão. Pode-se concluir também que a isotérmica de Langmuir apresenta maior similaridade com os dados obtidos quando utilizamos o coeficiente de correlação como fator de comparação. Segundo esta isotérmica, o valor da constante de adsorção obtido foi de 18,40 L/mol (T = 23,5ºC) e calculou-se uma área específica de carvão ativado de 236,48 m^2 /g. Obteve-se um valor de Nm de 1,87x10-3^ mol/g.
Bibliografia
[1] H. Butt, K. Graf, M. Kappl, “Physics and Chemistry of Interfaces”, 2nd^ ed., Wiley, VCH Verlag & Co, 2003 ; [2] “Protocolo experimental das aulas laboratoriais da unidade curricular de Fenómenos Interfaciais do 3º ano do Mestrado Integrado em Bioengenharia – Ramo de Engenharia Biológica”, Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2012; [3] E. Diamadopoulos, P. Samaras and G. P. Sakellaropoulos, “The Effect of Activated Carbon Properties on the Adsorption of Toxic Substances”, Water Science & Technology Vol 25 pp 153 – 160, IWA Publishing 1992.
