Process management

O desempenho de uma coluna e sua curva de ruptura estão bas- tante relacionados com o comprimento e forma da zona de transferência de massa (ZTM) que se desenvolve na coluna durante a adsorção. A ZTM pode ser considerada uma região dentro da coluna em que a con- centração do adsorvato varia de 90% a 5% do valor de alimentação, ou seja, ela se desenvolve entre a seção da coluna saturada e a seção que ainda contém adsorvente não saturado. Essa é a região onde a maior parte da transferência de massa ocorre. No início do processo, o adsor- vente é atingido com uma alta concentração de adsorvato. Teoricamente, essa seria a região de maior transferência de massa. Num sistema ideal, onde se considera que os processos de transferência de massa sejam infinitamente rápidos e a dispersão é ausente, o comprimento da ZTM seria reduzida para zero, e esta apresentaria formato linear e vertical na curva de ruptura, desencadeando a imediata elevação na concentração efluente até o valor da concentração afluente à coluna, como pode ser visto na Figura 6.2 (linha laranja). Contudo, em um sistema real, leva um tempo para que a ZTM se estabeleça. Isso se deve à resistência à transferência de massa existente devido ao filme líquido situado nas vizinhanças da partícula, entre outros fatores, como a vazão do líquido e a temperatura (NAJA; VOLESKY, 2006). Assim, a configuração da ZTM assume outro perfil (linha azul), ocorrendo espalhamento dessa zona, como pode ser visto na Figura 6.2 para um caso real, variando também de acordo com as situações descritas acima.

Figura 6.2 – Representação esquemática da zona de transferência de massa em coluna de leito fixo

Fonte: elaborada pelos autores.

Essa zona de saturação parcial se move através da coluna na di- reção do fluxo a determinada velocidade, que, apesar de ser mais lenta do que a velocidade do fluido, é predominantemente determinada pela carga de adsorvato, além da capacidade adsorvente e da taxa de alimen- tação da coluna. Quanto mais forte interação adsorvente-adsorvato, maior a diferença entre a velocidade do ZTM e a velocidade do fluido. Antes de a ZTM atingir a saída da coluna, a concentração de adsorvato efluente é, geralmente, igual a 0. Quando a ZTM atinge o final da co- luna, a concentração de adsorvato no efluente começa a aumentar gra- dualmente. Na curva de ruptura, esse fenômeno se reflete no ponto de ruptura, V_b, descrito anteriormente. Após esse ponto, a concentração de adsorvato na saída da coluna aumenta devido ao avanço da ZTM e à redução da capacidade do adsorvente remanescente. A coluna está ope- racional até o ponto de exaustão, quando praticamente toda a ZTM chegou ao final da coluna. Após esse ponto, o efluente é praticamente

Co Co Cx Vb Vx _V Cb C ___ C0 ZTM ZTM ZTM CASO IDEAL CASO REAL Co Co Co

adsorvato livre, e a concentração final é igual à concentração inicial, C₀. A curva de ruptura reflete a forma da ZTM. Quanto mais aberto é o for- mato da curva, maior é a resistência à transferência de massa. A curva torna-se mais fechada à medida que a resistência à transferência de massa diminui. Quanto menor essa região, mais próximo da idealidade o sistema se encontra, maior o tempo de serviço da coluna durante o es- tágio de alimentação, e mais completa é a dessorção do adsorvato (Figura 6.2) (GASPAR, 2003; GUPTA et al., 1998; COONEY, 1999; NAJA, 2006; MOREIRA, 2008; WORCH, 2012; RAULINO et al., 2014).

Além das vantagens apresentadas no início do capítulo, os pro- cessos de adsorção em leito fixo, frente aos processos de adsorção em batelada, são mais vantajosos, pois o adsorvente está sempre em con- tato com a concentração de entrada C₀, o que resulta em alta força mo- triz ao longo de todo o processo de adsorção em leito fixo, e o adsorvato é totalmente removido até que o ponto de ruptura seja alcançado. Nos processos de adsorção em batelada, por sua vez, a força motriz de trans- ferência de massa e, portanto, também a taxa de adsorção diminuem durante o processo, devido à concentração decrescente no reator, sendo que concentrações residuais muito baixas só podem ser alcançadas se doses muito altas de adsorvente forem aplicadas, sendo, portanto pro- cessos menos vantajosos (WORCH, 2012).

É preciso salientar que toda a discussão realizada até aqui consi- dera uma solução contendo apenas um adsorvato. Em casos com vários componentes que podem ser adsorvidos, uma zona de transferência de massa individual ocorre para cada componente viajando a diferentes velocidades pelo leito adsorvente. Em sistemas multicomponentes, ocorrem processos de competição pelos sítios adsorventes, acarretando deslocamentos de componentes anteriormente adsorvidos, além disso, as curvas de ruptura são um pouco diferentes (WORCH, 2012), como pode ser visto na Figura 6.3.

A ZTM do componente mais fracamente adsorvido (componente 1 – Figura 6.3) viaja a uma velocidade mais rápida pelo leito, alcan- çando adsorvente ainda não saturado primeiro, sendo, portanto, pronta- mente adsorvido. Quando o componente mais fortemente adsorvido (componente 2 – Figura 6.3) alcança as camadas já contendo o compo-

nente mais fracamente adsorvido, um novo equilíbrio é estabelecido, ocorrendo um deslocamento parcial do componente ora presente. Como resultado desse fenômeno, a concentração do componente mais fraca- mente adsorvido na região entre as duas ZTMs é maior do que a con- centração inicial C₀, como pode ser visto na Figura 6.3.

Figura 6.3 – Curvas de ruptura para um sistema bicomponente

Fonte: adaptado de Raulino (2011).

Os mesmos processos ocorrem para sistemas contendo três ou mais componentes, sendo que os processos de deslocamento são mais proeminentes para os componentes mais fracamente adsorvidos, e, por- tanto, maior será a concentração efluente desses componentes entre as ZTMs dos componentes presentes na solução.

Assim, em sistemas de adsorção multicomponente, é preciso ter cuidado na escolha do ponto operacional da coluna. Efetivamente, a remoção completa dos compostos só ocorre até o ponto de ruptura do componente mais fracamente adsorvido. A partir desse ponto, por mais que os componentes mais fortemente adsorvidos ainda possam ser re- movidos, a concentração do componente fracamente adsorvido cresce com o passar do tempo ou volume de solução percolada e, portanto, para casos de tratamento de efluentes, por exemplo, torna-se um incon- veniente nesses tipos de processo.

1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 C/C o V(L) 0 10 20 30 40 50 60 Componente 1 Componente 2

Após o uso, a coluna contendo o adsorvente passa por um pro- cesso de dessorção dos compostos, ao longo de lavagens com soluções eluentes (agente competidor), podendo então ser reutilizada, para um novo ciclo de adsorção. O objetivo do estudo de dessorção é retirar o adsorvato retido com o menor volume de solução eluente até obter a máxima concentração possível, sem destruir a capacidade do adsor- vente, tornando-o reutilizável em vários ciclos de retenção/dessorção (GASPAR, 2003).

No estudo de colunas de adsorção, alguns parâmetros operacio- nais que descrevem o comportamento da curva de ruptura, e, conse- quentemente, da zona de transferência de massa podem ser obtidos a partir dos dados experimentais. Esses parâmetros operacionais são úteis no desenvolvimento de uma coluna de leito fixo para o tratamento de adsorvatos de concentração conhecida. Uma descrição detalhada desses parâmetros é dada a seguir.

Densidade aparente (ρ_ap ) e de empacotamento (ρ_E )

A densidade aparente é a relação de massa por unidade de vo- lume do adsorvente no leito e é determinada pelo método ASTM D2854 (American Society for Testing and Materials). A partir da den- sidade aparente, pode-se calcular o volume aparente (V_ap) para deter- minada massa.

Posteriormente, determina-se a densidade de empacotamento do leito (ρ_E), representada pela Equação 6.1:

ML

ρ_E = ____ (6.1)

VL

Onde

M_L: é a massa total do leito de partículas dentro da coluna (g); V_L: é o volume total (interno) da coluna vazia (mL).

A partir do valor de ρ_E, determina-se a porosidade do leito (Equação 6.2), que representa a fração de espaços vazios dentro da co- luna preenchida com o adsorvente que pode ser expressa por:

ρ_E VL – Vap

ɛ = 1 – ____ = _______

(6.2)

ρ

ap VL Onde ρ_E: densidade de empacotamento (g/cm3 _{ou g/mL);} ρ_ap: densidade aparente (g/cm3 _{ou g/mL);}

V_L: volume total interno da coluna vazia (mL);

V_ap: volume total de partículas do leito (volume aparente - mL).

Tempo para o estabelecimento da ZTM (t_x )

A porção compreendida entre C_x (ponto de exaustão) e C_b (ponto de ruptura) é conhecida como zona de transferência de massa (ZTM). O tempo total para mover a ZTM ao longo da coluna até a saída do leito é dado pela Equação 6.3 (GUPTA, 1997; KUNDU; GUPTA, 2005):

Vx

tx = _____ (6.3)

Fm

Onde

t_x: tempo para mover a ZTM até a saída do leito (min); F_m: fluxo volumétrico (mL min-1_);

V_x: volume de exaustão (mL).

Tempo necessário para mover a ZAP na coluna (t_δ )

O tempo necessário para movimentar a ZTM ao longo da coluna é dado pela Equação 6.4 (GUPTA, 1997; KUNDU; GUPTA, 2005; GUPTA; SRIVASTAVA; TYAGI, 2000):

Vx – Vb

tδ = ________ (6.4)

Fm

Onde

t_δ: tempo necessário para mover a ZTM na coluna (min.); V_x: volume de exaustão (mL);

V_b: volume de ruptura (mL); F_m: fluxo volumétrico (mL min-1_).

Razão de profundidade do leito do adsorvente

A razão de profundidade (comprimento) do leito do adsorvente pelo tempo (U) é dado pela Equação 6.5 (GUPTA, 1997; KUNDU; GUPTA, 2005; GUPTA; SRIVASTAVA; TYAGI, 2000):

δ t

δ

U = ___ = ( _____) (6.5) D tx – tf Onde δ: comprimento da ZTM (cm); D: profundidade do leito (cm);

t_f:: tempo para a formação da ZTM, do ponto de ruptura até o

ponto de exaustão.

Tempo necessário para formação inicial da ZTM (t_f )

O tempo necessário para a formação da ZTM é dado pela Equação 6.6 (GUPTA, 1997; KUNDU; GUPTA, 2005; GUPTA; SRIVASTAVA; TYAGI, 2000):

tf = (1 – F ) tδ (6.6)

Onde

F é a capacidade fracional do adsorvente na zona de adsorção em continuar removendo soluto após o ponto de ruptura. A capacidade fra- cional do adsorvente é dada pela Equação 6.7 (GUPTA, 1997; KUNDU; GUPTA, 2005; GUPTA; SRIVASTAVA; TYAGI, 2000):

V (C_o – C).d_p

F =

ʃ _________

(6.7)

Percentual de saturação da coluna

O percentual de saturação da coluna é obtido pela Equação 6.8 (GUPTA et al., 1998; KUNDU; GUPTA, 2005; GUPTA; SRIVASTAVA; TYAGI, 2000):

δ (F –1)

%S =

[

1+

(

________

)]

_{*100 (6.8)} D

Capacidade de remoção da coluna

A capacidade máxima de remoção dos metais na coluna é dada pela Equação 6.9 (COONEY, 1999):

Co*Fm t = x C

Q = _______

ʃ (

1 – ___ ) dt (6.9) ms t = 0 Co

Onde

Q: capacidade máxima de adsorção na coluna (mg.g-1_);

C_o: concentração inicial da solução (mg/L ou mol/L);

C: concentração do metal em determinado volume (mg/L ou mol/L);

m_s: massa de adsorvente em gramas (g); F_m: fluxo volumétrico em (L.min-1_);

t: tempo em minutos.

Para exemplificar uma situação em escala de laboratório, vamos aplicar alguns dos parâmetros acima em um sistema de leito fixo utili- zando efluente sintético (RAULINO et al., 2014). A Figura 6.4 mostra três curvas de ruptura de um sistema de adsorção onde uma solução contém os três íons metálicos Cu2+_{, Ni}2+ _{e Zn}2+ _{na concentração de}

200mg L-1 _(C

0) sendo utilizado como adsorvente a casca de coco verde lavado com água em uma coluna de 100cm de comprimento (D), 6,2cm

de diâmetro e vazão de 200mL.min-1 _(F

m). A carga hidráulica (relação entre a vazão e a área da seção transversal) calculada foi de 6,6mL. min-1_.cm-2_{, e o tempo de detenção hidráulica foi de 15min.}

Figura 6.4 – Curva de ruptura dos íons metálicos Cu2+_{, Ni}2+ _{e Zn}2+_{. Condições:} vazão volumétrica: 200mL.min-1_{, solução multielementar C}

0 ≈ 200 mg L-1, pH =

4,8, altura de leito = 100cm e temperatura ambiente (28 ± 2 ºC)

Fonte: Raulino (2011).

A partir dos dados obtidos da Figura 6.4, foram obtidos os parâ- metros relacionados com a ZTM descritos na Tabela 6.1. Para fins didá- ticos, foram acrescentados à Tabela 6.1 os valores de volume de ruptura e exaustão, vazão volumétrica, comprimento da coluna e concentração inicial dos íons presentes. Pode-se usar a Tabela 6.1 como modelo para montar uma planilha eletrônica (utilizando softwares excel, origin, etc.). Podemos observar pelos resultados que o tempo total para mover

a ZTM(t_x) foi máxima para o cobre, e mínima para o zinco. O tempo

necessário para movimentar a zona de adsorção ao longo da coluna (t_δ) encontra-se entre 24-223min. O tempo para formação da ZTM (t_f) situ- a-se entre 9-80min. Até o ponto em que a concentração efluente é apro-

ximadamente metade da afluente (C/C₀ = 0,5) a coluna ainda não está

saturada, apresentando percentuais de 52 - 62 % de saturação.

Cobre Níquel Zinco 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 C/C o V(L) 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0

Tabela 6.1 – Parâmetros tx, tf, t

δ, F,

δ e o percentual de saturação da coluna para uma solução multielementar

Íon Dados C/C 0 = 0,5 Parâmetros Vx (L) Vb (L) Fm (L.min -1) D (cm) C0 (mg.L -1) C (mg.L -1) V (L) tx (min) tδ (min) f tf (min) δ (cm) % SAT Cu 2+ 70,0 25,3 0,200 100,0 195,65 100,59 36,0 350,0 223,5 0,494 113,0 94,3 52,3 Ni 2+ 14,6 8,6 0,200 100,0 217,52 127,26 12,6 73,0 30,0 0,220 23,4 60,5 52,8 Zn 2+ 13,9 9,0 0,200 100,0 181,71 87,45 12,6 69,5 24,5 0,225 19,0 48,5 62,4

Na Tabela 6.2, são mostrados os resultados dos estudos reali- zados por Sousa et al. (2010), utilizando também o pó da casca de coco

verde tratado com NaOH 0,1mol.L-1 _{como adsorvente em uma coluna}

de 10cm de comprimento, 1,1cm de diâmetro e vazão de 2,0mL.min-1

para a remoção dos íons metálicos Pb2+_{, Cd}2+_{, Cu}2+_{, Ni}2+ _{e Zn}2+ _em

solução multielementar na concentração de 100mg.L-1 _{, envolvendo os}

parâmetros supracitados. Observa-se que o valor da carga hidráulica é de 2,11mL.min-1_.cm-2_{, e o tempo de detenção hidráulica de 9,98min. Os}

resultados obtidos revelaram que o tempo total para mover a ZTM (t_x) é máximo para o Pb+2 _{(135min) e mínimo para Ni}+2 _{(40min), enquanto}

que os tempos de Cu+2_{, Zn}+2 _{e Cd}+2 _{situam-se entre esses valores. O}

tempo necessário para movimentar a zona de adsorção ao longo da co-

luna (t_δ) encontra-se entre 20-80min. O tempo para formação da zona

de adsorção primária (t_f) situa-se entre 12-40min. A capacidade fra- cional da coluna (f), na zona de adsorção no momento do ponto de ruptura, em continuar removendo adsorvato da solução é 0,500; 0,316; 0,500; 0,394 e 0,500 para Pb+2_{, Ni}+2_{, Cd}+2_{, Zn}+2 _{e Cu}+2 _respectiva-

mente. Os percentuais de saturação observadas seguiram a seguinte ordem: Pb+2 _{> Cd}+2 _{> Cu}+2 _{> Zn}+2 _{> Ni}+2_.

Tabela 6.2 – Parâmetros tx, tf, tδ, F, δ e o percentual de saturação da coluna

Íon Parâmetros

tx (min) tδ (min) f tf (min) δ (cm) % SAT

Cu2+ _{125,0 80,0 0,500 40,0 9,4 53,0}

Ni2+ _{40,0 20,0 0,320 13,7 7,6 48,1}

Zn2+ _{45,0 25,0 0,390 15,2 8,4 40,2}

Cd2+ _{45,0 25,0 0,500 12,49 7,68 61,60}

Pb2+ _{135,0 60,0 0,500 30,00 5,37 52,95}

Fonte: Adaptado de Souza et al. (2010).

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