Coluna de leito fixo

Adsorção em coluna de leito fixo de carvão ativado é o método mais utilizado na remoção de solutos da água. O método é largamente empregado, especificamente, na remoção de corantes (Al-DEGS et al., 2009; LI et al., 2011; GALÁN et al., 2013).

O desempenho de uma coluna de leito fixo é descrito através do conceito de curva de ruptura. A curva de ruptura é a representação da concentração de soluto obtida na saída do reator de leito fixo.

O tempo decorrido desde o início do processo até o momento em que se detecta o primeiro traço de adsorbato na saída da coluna ou até um limite máximo arbitrado na concentração de saída, como, por exemplo, 5%, é chamado de tempo de ruptura. Após este instante a concentração na saída da coluna deixa de ser nula e sobe rapidamente até um ponto de inflexão a partir do qual a taxa de adsorção começa a diminuir até que o adsorvente chegue à saturação, o que é indicado por uma concentração na saída do reator igual à de entrada (McCABE et al., 2005).

O tempo decorrido até a saturação da coluna é denominado tempo de exaustão, e alternativamente pode ser definido como o tempo necessário para que a concentração de saída seja uma fração especificada da concentração de entrada, é comum a utilização de 90% (McCABE et al., 2005).

A Figura 2.3 ilustra uma curva de ruptura característica com a indicação dos tempos de ruptura e de exaustão.

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Figura 2.3 - Influência dos parâmetros de transporte na forma da curva de

ruptura (linha contínua) em

comparação com o fluxo pistonado perfeito (linha tracejada)

A Zona de Transferência de Massa, ZTM, é a região da coluna de adsorção em que ocorre a transferência de massa do seio do fluido para a superfície do sólido adsorvente. A região anterior à ZTM encontra-se saturada, enquanto que a região posterior à ZTM encontra- se isenta de adsorbato. A forma da curva na ZTM é influenciada por vários fatores, como as características do adsorbato e do adsorvente, vazão de alimentação, concentração de alimentação, altura do leito, diâmetro médio das partículas do adsorvente, pH da solução (Al- DEGS, 2009).

2.4.5.1 Parâmetros de transporte

Na descrição matemática de uma coluna de leito fixo, parâmetros de transporte são utilizados, tais como o coeficiente de dispersão axial e o coeficiente global de transferência de massa. Estes parâmetros de transporte podem ser medidos experimentalmente, ter seu valor encontrado por meio de otimização numérica a partir de dados experimentais ou estimados com base em correlações (BURKERT et al. 2011).

Nota-se na Figura 2.3 uma linha tracejada que representa a concentração de saída da coluna de leito fixo se não houvesse dispersão axial no interior do leito (fluxo pistonado) ou resistência à transferência de massa do seio do fluido para a fase sólida. Na ausência de dispersão axial, a frente de onda originária da alimentação da coluna chegaria à saída da

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coluna com a mesma forma. Devido ao fenômeno de dispersão axial, as moléculas do adsorbato localizadas na frente de onda se dispersam para frente e para trás da linha imaginária que representa a frente de onda. Fazendo com que o corante seja detectado precocemente na saída da coluna, e fazendo com que o aumento na concentração na saída seja mais suave do que se não houvesse a dispersão no sentido axial da coluna (McCABE et al., 2005).

Segundo Butt (2000), o coeficiente de dispersão axial, D, para líquidos em leitos empacotados, pode ser estimado por meio de correlações com o número de Peclet para a partícula, Pep, e com o número de Reynolds, Re, em regime laminar, de acordo com as

Equações (2.16) a (2.18): (2.16) _(2.17) (2.18) Em que:

: Diâmetro médio da partícula (m); : Velocidade intersticial do fluido (m.s-1

); : Viscosidade dinâmica do fluido (g.m-1

.s-1); : Massa específica do fluido (g.m-3).

O coeficiente de transferência de massa é definido como o inverso da resistência à transferência de massa sofrida pelo adsorbato ao migrar do seio do líquido para a superfície do adsorvente, ou seja, quanto maior a resistência à transferência de massa menor será o coeficiente de transferência de massa. A resistência à transferência de massa pode ser reduzida aumentando-se a agitação em um sistema em batelada ou a vazão em um sistema contínuo. O coeficiente de transferência de massa pode ser definido no filme líquido ou nos poros do adsorvente. O coeficiente global de transferência de massa engloba a resistência tanto, externamente, no filme líquido quanto, internamente, nos poros do adsorvente.

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2.4.5.2 Resistência à difusão externa

Para os processos de adsorção em leito fixo, a resistência à difusão dos adsorbatos do seio da fase fluida até a superfície externa do adsorvente pode ser estimada, de maneira análoga aos sistemas catalíticos, por meio do cálculo da fração de resistência externa, fext

(KNOECHELMANN, 2011), que é função dos números adimensionais de Sherwood, Schmidt e Reynolds (OSTROSKI et al., 2011), como descrito pelas Equações (2.19) a (2.22):

(2.19) (2.20) _(2.21) (2.22) Em que:

: Fração de resistência externa;

: Taxa de adsorção aparente (kg.s-1.m-3);

: Coeficiente de transferência de massa líquido-sólido no filme (m.s-1); : Difusividade molecular (m2.s-1).

Valores de fração de resistência externa superiores a 5% indicam alta resistência à transferência de massa na camada externa. Os valores da difusividade molecular, Dm,

utilizados nesta pesquisa foram 3,01.10-10 m2.s-1, 3,81.10-10 m2.s-1 e 2,67.10-10 m2.s-1 para os corantes RB, RO e RY respectivamente (MOKTAR et al., 2015).

2.4.5.3 Resistência à difusão interna

A importância da difusão interna no processo de adsorção pode ser avaliada, de maneira análoga aos sistemas catalíticos, pelo critério de Weisz-Prater. O coeficiente de Weisz-Prater, CWP, é uma função dos números adimensionais, módulo de Thiele, ϕ e fator de

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42 (2.23) (2.24) (2.25) (2.26) Em que: : Difusividade efetiva (m2.s-1);

: Porosidade da partícula (0,57 para o carvão Carbomafra 119 segundo Ferreira, 2009);

: Tortuosidade (3,5 para carvões ativados segundo Leyva-Ramos e Geankoplis, 1994).

Se CWP >> 1 a difusão interna limita de forma severa a taxa de adsorção. Se CWP << 1

não há limitações difusivas no interior da partícula.

O módulo de Thiele, ϕ, pode ser definido, por analogia com reações catalíticas, como a razão entre a velocidade de adsorção e o transporte de massa por difusão. Quando ϕ → 0 o transporte de massa por difusão é mais rápido que a adsorção, portanto a velocidade de adsorção é a etapa controladora. Quando ϕ > 0 existe influência da resistência à transferência de massa, e o regime é dito intermediário. Se ϕ >> 0 o processo funciona em regime francamente difusivo.

O fator de efetividade é descrito como a razão entre a taxa de adsorção aparente e a taxa de adsorção real, portanto limitado à unidade. Se η = 1, as taxas de adsorção aparente e real são iguais, o que significa que não há interferências da resistência à transferência de massa e que o regime da adsorção não é limitado pela resistência à transferência de massa. Quanto menor for o valor de η, maior a interferência dos efeitos da resistência à transferência de massa.

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