Types of exercise

Ari Clecius Alves de Lima Carla Bastos Vidal Diego de Quadros Melo Ronaldo Ferreira do Nascimento

A

pende principalmente do volume e composição do fluido a ser tratado, do tempo necessário ou disponível para tratamento desse fluido assim como das condições de regeneração do adsorvente (GASPAR, 2003). As isotermas de adsorção têm sido utilizadas na triagem preliminar de um adsorvente, pois indicam a eficácia de adsorção para remoção de impu- rezas específicas, ou seja, sua seletividade, bem como a quantidade má- xima de adsorvato que pode ser adsorvida por uma unidade particular de adsorvente. No entanto, esses experimentos realizados em regime de batelada ou transiente são limitados ao tratamento de pequenos volumes de efluente, além de não fornecer dados para dimensão exata dos sis- temas contínuos de tratamento (GASPAR, 2003; GUPTA et al., 1997; SOUSA et al., 2007). Acrescenta-se a própria inconveniência e os custos relativamente altos de mão de obra e manipulação das partículas sólidas (enchimento, esvaziamento e limpeza do reator) quando se utilizam ope- rações em estado transiente.

O uso de leito fixo para simulação de processos de adsorção é uma ferramenta muito empregada para o design de processos, pois reduz o custo relativo aos testes realizados no laboratório e na planta piloto antes da expansão (ORTIZ; RODRÍGUEZ; YANG, 2019). Assim, no funcionamento prático dos processos de adsorção em larga escala, colunas de leito fixo de fluxo contínuo são frequentemente mais utili- zadas (AKSU et al., 2002; MOREIRA et al., 2016; RAULINO et. al., 2014). Esse tipo de sistema é uma das configurações mais eficazes para o tratamento de grandes volumes de efluentes e ciclos de adsorção-des- sorção, permitindo uso mais eficiente do adsorvente (SOUSA et al., 2007; LODEIRO; HERRERO; VICENTE, 2006).

Um sistema de leito fixo convencional é composto de uma co- luna onde partículas do adsorvente com características específicas são colocadas em contato com a solução contendo o(s) adsorvato(s) a ser(em) tratado(s), como pode ser visto na Figura 6.1. O ideal é usar adsorventes com uma área de superfície bem desenvolvida, com baixas limitações de transferência de massa, para melhorar o tempo de serviço do leito (GREENWALD; REDDING; CANNON, 2015). O bombea- mento pela coluna pode ser feito em uma vazão ascendente ou descen- dente (GASPAR, 2003). Em tal sistema, a concentração de adsorvato nas fases líquida e sólida varia no espaço e no tempo (AKSU et al., 2002). Desse modo, o processo de adsorção por colunas de leito fixo é geralmente monitorado medindo a concentração de analito no efluente em função do tempo por diferentes técnicas analíticas (DICHIARA; HARLANDER; ROGERS, 2015; AFROZE; SEN; ANG, 2016).

Durante o processo de adsorção, o adsorvato se acumula na su- perfície das partículas adsorventes, desde que o estado de equilíbrio seja atingido (WORCH, 2012; COONEY, 1999). Inicialmente a con- centração de adsorvato efluente a coluna é baixa, podendo ser nula, uma vez que o adsorvente pode efetivamente reter os compostos (adsor- vatos) que entram na coluna. Esse processo de equilíbrio prossegue su- cessivamente, camada por camada, desde a entrada até a saída da co- luna. No entanto, devido à lenta cinética de adsorção, não há limite definido entre camadas adsorventes saturadas de adsorvato e camadas livres de adsorvato. Em vez disso, o equilíbrio ocorre numa zona mais

ou menos larga do leito adsorvente, referida como zona de transferência de massa (ZTM) ou zona de adsorção (WORCH, 2012; COONEY, 1999). Após certo tempo, a concentração de adsorvato na solução efluente a coluna aumenta à medida que as partículas de adsorvente retêm o adsorvato (GASPAR, 2003). O gráfico da concentração de efluentes em função do tempo é chamado de curva de ruptura e tem uma forma sigmoidal típica, uma vez que a concentração de efluentes sobe ao longo do processo, indo de zero para uma concentração igual à solução afluente quando o adsorvente é completamente saturado (RÉGUER, et al., 2011).

Figura 6.1 – Esquema de um sistema de adsorção em coluna de leito fixo

Fonte: elaborada pelos autores.

Ao projetar e otimizar processos de adsorção em leito fixo, são necessários dados cinéticos de curvas de ruptura (HUSSEIN; AHMED, 2016). A curva de ruptura, também denominada “breakthrough”, é de- mostrada em forma de gráfico em razão da concentração efluente/ afluente (C/Co) em relação ao tempo (t) ou volume (V) (BENSTOEM

et al., 2017). Essa curva explica a dinâmica e a eficiência de um sistema

cionado à forma da adsorção, enquanto a outra demanda é afetada pelos estágios de difusão no leito fixo (CHU, 2010). O tempo de ruptura e a forma da curva de ruptura são características muito importantes para determinar o funcionamento e a dinâmica de uma coluna de adsorção e estão intimamente relacionadas à ZTM onde a adsorção ocorre (SOUSA

et al., 2007; AKSU et al., 2002; TAN; HAMEED, 2017).

Numa curva de ruptura ideal, pressupõe-se que a remoção do adsorvato é completa nos estágios iniciais de operação. Após certo tempo ou volume percolado, adsorvato não retido é encontrado na so- lução efluente à coluna até atingir o ponto de ruptura. Geralmente o ponto de ruptura, designado por C_b, é escolhido como sendo o ponto em que a concentração do adsorvato efluente a coluna é de 5 % da concen- tração inicial (C₀), ou seja, da concentração de adsorvato que entra na coluna. Esse ponto também pode ser determinado pela concentração máxima permitida na legislação de determinado poluente em determi- nado efluente. Por exemplo, a resolução CONAMA 430/2011 (BRASIL, 2011) estabelece que a concentração máxima de cobre em um efluente

é de 1mg.L-1_{. Assim um efluente cuja concentração de cobre antes do}

tratamento seja de 100mg.L-1 _{exigirá que o ponto de ruptura, caso este}

efluente seja tratado por uma coluna de leito fixo contendo material adsorvente, seja 1% da concentração inicial coincidindo com a concen- tração de 1mg.L-1_{. A concentração de adsorvato efluente à coluna au-}

menta até que o ponto de exaustão seja atingido. Da mesma forma, é escolhida para o ponto de exaustão, C_x, uma concentração em torno de 90% de C₀. A quantidade de massa total efluente passando por unidade de secção transversal até o ponto de ruptura e a natureza da curva de ruptura entre o volume de ruptura - V_b (correspondente a C_b) e o volume de exaustão - V_x (correspondente a C_x) são importantes para a con- cepção de um adsorvedor de leito fixo (GUPTA et al., 1998).

Parâmetros tais como taxa real de adsorção, mecanismo do pro- cesso de adsorção, natureza do equilíbrio de adsorção, velocidade do fluido, concentração de soluto na alimentação e altura do leito de adsor- vente contribuem para a forma da curva de ruptura. Usualmente, o ponto de ruptura (breakthrough point) diminui com o decréscimo da altura do leito, com o aumento do tamanho da partícula do adsorvente,

com o aumento da velocidade do fluido através do leito e com o au- mento da concentração inicial do soluto na alimentação (AKSU et al., 2002; KUPPUSAMY, et al., 2005; SOUSA et al., 2010; MUHAMAD; DOAN; LOHI, 2010; SRIVASTAVA et al., 2008).

A suposição de uma zona de adsorção, ou seja, a ZTM, já citada anteriormente, fornece a base de um simples projeto que permite rea- lizar aumento de escala (scale-up) de experimentos de pequena escala em laboratório. A zona de transferência de massa é definida no item seguinte com base na Figura 6.2.