5.3 Caracterização química e textural do carvão ativado
5.3.1 Adsorção e dessorção de N 2
Na Figura13 é apresentada a isoterma de adsorção e dessorção de N2
para a amostra de carvão ativado Norit® 1240 W.
Figura 13: Isotermas de (●) adsorção e (○) dessorção de N2 do carvão ativado Norit® 1240
W.
Fonte: Autoria própria.
Semelhante à morfologia, a área superficial e a porosidade do material adsortivo podem ser associadas à sua eficiência para remoção de poluentes. A acessibilidade das moléculas de adsorvente aos poros do adsorvente está diretamente relacionada ao tamanho e forma dos poros (GUO et al., 2008).
É possível notar pela Figura 13 que as isotermas são do tipo I (IUPAC) para a amostra do carvão ativado, com histerese do tipo H4, caracterizando material microporoso com distribuição dos poros estreita e do tipo fenda. O platô
correspondente não se apresenta completamente na horizontal, implicando que a microporosidade está associada com pequena mesoporosidade (GREGG; SING, 1982). Observa-se também que o “loop” da histerese é pequeno indicando que somente uma porção pequena de mesoporos está presente nos sólidos (ROUQUEROL et al., 1999).
Outros autores também verificaram isotermas do tipo I com histerese tipo H4 para diversos adsorventes e adsorbatos como Liang et al. (2017) que notaram a presença de microporos e pequenos ciclos de histerese H4 em amostras de carvão ativado à base de asfalto na adsorção de etano e etileno; e Lima (2015) e Ferreira (2015) na adsorção de ácido acetilsalicílico e paracetamol com carvões ativados de casca de coco de dendê e casca de coco de babaçu e dendê, respectivamente.
Clark (2010) e Gerçel et al. (2007) definiram a adsorção do tipo I, quando a mesma é limitada a poucas camadas moleculares devido aos poros serem estreitos. Segundo estes autores este tipo de isoterma tem característica de sólidos microporosos com superfície externa pequena, favorecendo o processo de quimissorção. Os autores também ressaltaram que algumas adsorções físicas, como as de carvões ativados, também estão em conformidade com este tipo de isoterma.
Gao et al. (2015) obtiveram classificação isotermas tipo IV e ciclo de histerese do tipo H2, de acordo com a classificação da IUPAC, em amostras de
carvão mesoporoso na adsorção e dessorção de fenofibrato, celecoxib e carvediol.
Aguiar (2012) classificou as isotermas de adsorção e dessorção como tipo I e sem a presença de histerese para o Norit® 1240 W, ou seja, o material é composto de microporos, e o tamanho destes poros é um pouco maior do que o diâmetro do adsorbato. Além disto, o autor notou que a baixas pressões relativas ocorre considerável adsorção de gás, indicando a presença de microporos na composição deste adsorvente.
Nas Figuras 14 e 15 são apresentadas as isotermas de adsorção e dessorção de N2 para a amostra de bagaço de cana-de-açúcar in natura e
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Figura 14: Isotermas de (●) adsorção e (○) dessorção de N2 do bagaço de cana-de-açúcar in natura.
Fonte: Autoria própria.
Figura 15: Isotermas de (●) adsorção e (○) dessorção de N2 do bagaço de cana-de-açúcar
Nas Figuras 14 e 15 é possível observar certa irregularidade da isoterma de adsorção/dessorção, o que também pode ser visto nas micrografias (Figura 11 e 12), nas quais o bagaço de cana-de-açúcar apresentou irregularidade porosa.
Este comportamento também foi verificado por Bonassa et al. (2016) que justificaram esta irregularidade no comportamento da isoterma de amostras de cinzas do bagaço de cana-de-açúcar ao fenômeno de condensação capilar. Com histerese irregular, os autores não puderam classificar as isotermas de adsorção/dessorção do material com base nas especificações da IUPAC.
Subramanian et al. (2013) estudaram a utilização das cinzas do bagaço de cana-de-açúcar como adsorvente e suporte de catalizados para remoção de COV (compostos orgânicos voláteis). Primeiro nome completo e depois a sigla entre ( ). A adsorção/dessorção do material apresentou classificação do tipo I, de acordo com IUPAC, com pequeno ciclo de histerese acima do valor da pressão relativa > 0,4, indicando presença de microporos e mesoporos.
Na Tabela 9 são apresentadas as propriedades texturais do carvão ativado e do bagaço de cana-de-açúcar in natura e carbonizado.
Tabela 9: Propriedades texturais do CAN, BCN e BCC.
Legenda: * m2 g-1; ** cm3 g-1; CAN: Carvão ativado Norit® 1240 W; BCN: Bagaço de cana-de- açúcar in natura; BCC: Bagaço de cana-de-açúcar carbonizado; ABET: Área específica BET; VTotal: Volume total dos poros; VMeso: Volume de mesoporos; VαTotal: Volume de microporos;
VαUltra: Volume de ultramicroporos; VαSuper: Volume de supermicroporos.
O valor da área superficial específica recomendado para o processo de adsorção com carvões ativados comerciais é de no mínimo 500 m2.g-1
Amostra ABET* VTotal** VMeso** Método αs **
Dmédio
poro (Å)
VαTotal VαUltra VαSuper
CAN 1023,65 0,59 0,23 0,36 0,20 0,16 14,8
BCN 2,0286 - - - 33,3
94 (DROSTE, 1997). Neste trabalho foi obtida área superficial de 1023,65 m2.g-1
para o carvão ativado pelo método do BET, e segundo Norit (2007) 1100 m2.g-1
de acordo com as características gerais fornecidas pelo fabricante.
Alguns autores reportam valores de área superficial tais como no trabalho de Couto Junior (2014) de 1045 m2.g-1, Baettker (2015) de 1111,8 m2.g- 1 e Machado et al. (2015) de 971,8 m2.g-1. Bezerra (2010) obteve área superficial
específica BET de 1013 m2.g-1 para o carvão Norit® PK-35, Putra et al. (2009)
de 1092,95 m2.g-1 para o carvão ativado Norit® ROW 0,8 SUPRA e Aguiar (2012)
de 688 m2.g-1 para o mesmo material adsorvente in natura.
O valor da área superficial específica para o bagaço de cana-de-açúcar in natura foi de 2,0286 m2 g-1, superior a faixa de valores reportada por Zhang et
al. (2011) de 0,58 a 0,66 m2 g-1 para diferentes diâmetros de partículas de bagaço
de cana-de-açúcar in natura e Ribeiro et al. (2011) de 1,49 m2 g-1 para o mesmo
material adsorvente.
Os valores de microporos e mesoporos e área superficial específica não foram identificados este método para o bagaço de cana-de-açúcar in natura e para o bagaço de cana-de-açúcar carbonizado, o equipamento não conseguiu ajuste dos dados. Isto foi observado principalmente na Figura 15, onde a área do adsorvente foi próxima de zero.
Na Figura 16 é apresentada a distribuição dos tamanhos dos poros segundo o método de Barret, Joyner e Halenda (BJH) (GREGG e SING, 1982), no qual é considerado que a pressão relativa inicial é próxima a unidade e que todos os poros de forma cilíndrica são preenchidos pelo fluido, favorecendo o cálculo dos mesoporos e microporos a partir da isoterma de dessorção.
Com os resultados da Figura 16 é possível observar que este material adsorvente possui maior microporosidade em sua estrutura, pois a maior quantidade de poros está na faixa de 5 a 20 Å, o que está de acordo com os valores do diâmetro médio e do VαTotal apresentados na Tabela 9.
Ainda de acordo com os resultados desta Figura 16, é possível fazer uma análise detalhada da distribuição dos poros, e notar que o carvão ativado Norit® 1240 W apresenta maior distribuição de microporos, ou seja, está de acordo com os resultados obtidos pelo método αs.
De acordo com os resultados apresentados na Tabela 9 o carvão ativado Norit® 1240 W é um material essencialmente microporoso e que tem contribuição significativa do volume de microporos quando comparada à quantidade de volume de mesoporos. Segundo Couto Junior (2014), os materiais que possuem características microporosas tem desenvolvimento considerável do volume correspondente aos supermicroporos, sendo este mais acentuado quando comparado ao volume de ultramicroporos.
Figura 16: Distribuição do tamanho dos poros do carvão ativado Norit® 1240 W Fonte: Autoria própria.
96 O valor estimado do volume de mesoporos foi de 0,23 cm3.g-1, o que
pode indicar a existência de alguma mesoporosidade na estrutura do carvão, mas que se encontra pouco desenvolvida. Este valor é similar aos verificados por Machado et al. (2015) e Couto Junior (2014) de 0,25 cm3.g-1 e 0,18 cm3.g-1,
respectivamente, ao caracterizarem o carvão Norit® 1240 W.
De acordo com Mestre et al. (2007), Ruiz et al. (2010), Couto Jr et al. (2014) e Ferreira (2015), a quantidade adsorvida de fármacos é diretamente proporcional ao volume de microporos do material adsorvente e portanto a maior microporosidade pode facilitar na adsorção das moléculas do AAS nos poros deste carvão.