Adsorção em sistema dinâmico de leito fixo

No processo de adsorção em coluna, o adsorvato passa através de um leito a uma taxa de fluxo constante. Desta forma, parâmetros como a velocidade de escoamento do líquido, zona de transferência de massa e capacidade de adsorção são avaliados a fim de definir as melhores condições operacionais, para garantir a máxima eficiência do processo de separação. Esta técnica apresenta como maior vantagem a simplicidade de operação e a alta eficiência de remoção (McCABE, SMITH e HARRIOT, 1993). O fluxo que percorre o leito pode ser descendente ou ascendente, onde o descendente apresenta a vantagem de ter menor consumo de energia, aproveitando a força gravitacional para o deslocamento do fluxo e o

ascendente evita formação de caminhos preferenciais e o empacotamento do leito (VIEIRA e SILVA, 2011).

Um dos aspectos importantes de se analisar no projeto de uma coluna de adsorção é determinar quando esta coluna alcançará o ponto de saturação. Isso porque, no processo de adsorção em coluna de leito fixo uma zona de transferência de massa vai se formar no instante em que a alimentação é iniciada. Inicialmente, o fenômeno de transferência de massa é predominante na entrada do leito, onde o fluido entra em contato com o adsorvente. Se, a princípio, o sólido não contém o adsorvato, a concentração deste decresce com a distância, até chegar a praticamente zero antes de alcançar o final do leito. Assim, o sólido próximo à entrada encontra-se saturado e a maior parte da transferência passa a ocorrer no interior do leito. A região de maior gradiente de concentração é chamada de zona de transferência de massa (McCABE, SMITH & HARRIOT, 1993).

Outro fator importante é a determinação da curva de ruptura na coluna de adsorção, a partir da avaliação da zona de transferência de massa e das curvas de equilíbrio. Ela é obtida com a determinação da concentração de adsorvato na saída da coluna e representa o movimento progressivo da zona de transferência de massa no leito (McCABE, SMITH e HARRIOT, 1993). Na Figura 4, tem-se uma curva típica de saturação de adsorventes em leito fixo juntamente com a ilustração da zona de transferência de massa.

Figura 4: Curva típica de saturação de adsorventes em leito fixo.

Observando a Figura 4, é possível verificar que, a princípio, as concentrações iniciais da saída da coluna são praticamente iguais a zero (Ca e Cb) e o ponto de ruptura é definido como o instante em que o soluto é detectado na saída da coluna com um valor considerável, em cerca de 5% de C0 (Cc), correspondendo à concentração máxima permitida na corrente de saída, pois acima dela a saturação pode ocorrer em tempos e velocidades variáveis. O tempo de exaustão da coluna ocorre quando C/Co se aproxima de 1 e, desta forma, o leito está saturado e deve passar pela regeneração (McCABE, SMITH e HARRIOT, 1993). Industrialmente utiliza-se o ponto de ruptura como o valor limite de operação do sistema, regenerando a coluna em seguida. Desta forma, é imprenscindível que ao atingir esse ponto o efluente já esteja enquadrado dentro dos valores permitidos pela legislação vigente.

A capacidade de remoção do adsorvato é determinada pelos parâmetros quantidade total removida (qt) durante o ensaio e a quantidade útil removida até o ponto de ruptura (qu), conforme expressas nas Equações 2 e 3, respectivamente.

q_t=C0.Q m ∫ (1- C C0) ∞ 0 dt (2) q_u=C0.Q m ∫ (1- C C₀) t_r 0 dt (3)

Sendo que C0 é a concentração inicial do adsorvato em solução (mmol.L-1_{); Q} é a vazão do sistema (L.min-1_{); m é a massa de adsorvente que foi inserida na} coluna (g); C é a concentração do adsorvato no instante t; tr é o tempo de ruptura obtido experimentalmente (min).

Outro parâmetro importante é a altura da Zona de Transferência de Massa (hZTM), a qual está relacionada aos efeitos da transferência de massa. Ela se move de maneira homogênea com velocidade constante quando a taxa de alimentação da carga no sistema é constante. Quanto menor for o comprimento da ZTM, mais próximo da idealidade o sistema se encontra, indicando uma maior eficiência de remoção (VIEIRA e SILVA, 2011). Este parâmetro pode ser quantificado pela Equação 4, no qual h é a altura do leito (cm), qt é a quantidade total de adsorvato

removida durante o ensaio e qu é a quantidade útil removida até o ponto de ruptura (GEANKOPLIS, 1993).

h_ZTM=(1-qu

q_t) .h (4)

O tempo requerido para que esta ZTM mova um comprimento equivalente à sua própria altura é definido pela Equação 5.

t_Z=VE-VB

Q_W (5)

Na qual VE é o volume de solução que passou pelo leito até o ponto de exaustão (L), VB é volume de solução que passou pelo leito até o ponto de ruptura (L) e Qw é a vazão de solução (L.h-1_{). Além disso, o tempo necessário para a ZTM} sair do leito (tE) é dado como a razão entre VE e QW, como mostra a Equação 6 onde VE é o volume de solução que passou pelo leito até o ponto de exaustão (L) e Qw é a vazão de solução (L.h-1_{). .}

t_E=VE

Q_W (6)

No tempo de ruptura, a fração de adsorvente dentro da ZTM que ainda é capaz de realizar remoção de adsorvato é representado por F, razão entre a quantidade de soluto que foi removido do ponto de ruptura até a exaustão do leito (Sz) e a quantidade de soluto que foi removido até a exaustão do leito (Smax), conforme a Equação 7.

F= SZ

S_max (7)

Outro parâmetro relevante é o tempo necessário para que a ZTM se forme inicialmente (tf) e a velocidade a qual ela se move (UZ), calculados pelas Equações 8 e 9 respectivamente, sendo h a altura total do leito (cm).

t_f=(1-F)t_Z (8)

U_Z= h

tE-tf (9)

Nas quais, F é fração de adsorvente dentro da ZTM que ainda é capaz de realizar remoção de adsorvato, tZ é tempo requerido para que esta ZTM mova um comprimento equivalente à sua própria altura, tE é otempo necessário para a ZTM sair do leito e h é a altura do leito (cm).

Por fim, a Porcentagem de Remoção Total no Leito (%Rem) consiste na fração de adsorvato retida no adsorvente, considerando toda solução utilizada no experimento. A %Rem pode ser calculada pela Equação 10, onde qentrada é quantidade total de adsorvato que entrou no leito durante todo o ensaio (mmol), m é a massa se adsorvente e qt é a quantidade total de adsorvente removida.

%Rem=( qt.m

q_entrada) .100 (10)

Além deste parâmetro, pode-se determinar a Porcentagem de Remoção Útil no Leito (%Remu), análogo ao parâmetro anterior, mas referente apenas ao valor removido até o ponto de ruptura do leito. A Equação 11 representa como é calculado a Porcentagem de Remoção Útil no Leito.

%Remu=( qu.m

q_entrada) .100 (11)

Sendo que qentrada é quantidade total de adsorvato que entrou no leito durante todo o ensaio (mmol), m é a massa se adsorvente e qu é a quantidade útil de adsorvente removida até o ponto de ruptura.