Píndaro Poeta Grego
3.3. Efeito das bolhas de gás na espessura da camada limite de difusão e na transferência de massa
De acordo com Venczel e Ibl (1970), apud Fouad e Sedahmed (1972), que mediram a taxa de transferência de massa dos íons Fe3+ e Ce4+ em uma solução de ácido sulfúrico e eletrodos com altura máxima de 20,0 cm, a espessura da camada limite de difusão não foi influenciada pela altura do eletrodo.
Janssen e Hoogland (1970), apud Fouad e Sedahmed (1972), concluíram que a espessura da camada limite de difusão aumentou com a altura do eletrodo de acordo com a relação: log (δ) = a + 0,13 log (l), em que l é a altura do eletrodo. Os eletrodos usados tinham altura máxima de 16,0 mm.
Janssen e Barendrecht (1979) estudaram o efeito da evolução de bolhas de gás hidrogênio e oxigênio na transferência de massa em uma solução alcalina. Estes autores avaliaram a influência da densidade de corrente elétrica e da velocidade de fluxo de bolhas na espessura da camada de difusão de Nernst.
A célula eletroquímica utilizada era dividida em dois compartimentos por uma membrana (Nafion 425). O eletrólito era composto por uma solução equimolar, com 0,03 M de K3Fe(CN)6 para geração de hidrogênio e 0,03 M de K4Fe(CN)6 para geração de
oxigênio. Como eletrólito de suporte foi usado 1,0 M de KOH. Os eletrodos eram constituídos com discos de níquel de 0,80 cm de diâmetro. A faixa de densidade de corrente usada foi de 10,0 a 200,0 A m-2;
Verificou-se um decréscimo de 2,00% na concentração do íon indicador durante o tempo de eletrólise.
A espessura da camada limite com produção de bolhas para cada gás ( e ) foi determinada em função da densidade de corrente, de acordo com as Equações 3.1 e 3.2.
2 H j jO2 − + = 3 6 2 Fe(CN) H e j j j (3.1)
− + = 4 6 2 Fe(CN) O e j j j (3.2) Em que: e
j - densidade de corrente elétrica de eletrólise, A m-2;
2
H
j - densidade de corrente elétrica para produção do gás hidrogênio, A m-2;
− 3 6 ) (CN Fe
j - densidade de corrente elétrica para redução do K3Fe(CN)6, A m-2;
2
O
j - densidade de corrente elétrica para produção do gás oxigênio, A m-2;
− 4 6 ) (CN Fe
j - densidade de corrente elétrica para oxidação do K4Fe(CN)6, A m-2.
Janssen e Barendrecht (1979) avaliaram ainda a influência da concentração de KOH na espessura da camada de difusão para as concentrações de 1,0; 2,0; 3,0 e 4,0 M.
Neste trabalho, estes autores observaram que:
¾ a espessura da camada de difusão diminuiu linearmente com a densidade de corrente, para ambos os gases, sendo a redução maior para os maiores valores de densidade de corrente;
¾ com o aumento da concentração de KOH durante a produção do gás hidrogênio, ocorreu um leve aumento da espessura da camada de difusão. A espessura da camada de difusão para a concentração de 4,0 M KOH foi 20,0 % maior que para a concentração de 1,0 M KOH.
Fouad e Sedahmed (1972) estudaram o efeito da velocidade de fluxo de bolhas de gás, da altura dos eletrodos (2,5 cm; 5,0 cm; 10,0 cm; 20,0 cm; 35,0 cm; 50,0 cm) e da distância eletrodo-diafragma (1,0 cm; 2,5 cm; 4,0 cm; 6,0 cm) na geração de bolhas de gás hidrogênio e oxigênio em eletrodos verticais, e o efeito das bolhas na espessura da camada limite de difusão e na taxa de transferência de massa. Estes autores concluíram que:
¾ para as alturas de 2,5 cm, 5,0 cm e 10,0 cm, a espessura da camada de difusão diminuiu com o aumento da velocidade de fluxo de bolhas de hidrogênio, até o valor de Vg = 1,25 10-3 cm3 cm-2 s-1 (0,01 A cm-2), e aumentou com o aumento da
densidade de corrente e com a altura de 2,5 cm até 10,0 cm;
¾ já para as alturas de 20,0 cm, 35,0 cm e 50,0 cm, a espessura da camada de difusão diminuiu com o aumento da altura e da velocidade de fluxo das bolhas de hidrogênio, ou seja, para as maiores alturas de eletrodo houve uma redução da espessura da camada limite e maior taxa de transferência de massa;
¾ para o caso do oxigênio, a espessura da camada de difusão diminuiu com o aumento da altura e da velocidade de fluxo, para todas alturas estudas.
O efeito da altura do eletrodo na espessura da camada limite foi atribuído aos fatores que afetam a transferência de massa com produção de bolhas. O fato da espessura da camada de difusão decrescer com o aumento da altura, ocorre devido ao aumento da quantidade de bolhas de gás ao longo da altura do eletrodo, o que acarreta uma elevação na velocidade de fluxo ascendente das bolhas na solução que, por sua vez, aumenta a convecção e a taxa de transferência de massa.
Por outro lado, a cobertura de parte da superfície do eletrodo por bolhas aderidas foi reduzida com o aumento da altura quando o fluxo ascendente de líquido-gás arrastou as bolhas aderidas, proporcionando assim uma maior área ativa livre do eletrodo para aumentar a transferência de massa.
O aumento da espessura da camada de difusão com a altura, para as alturas de 2,5 cm, 5,0 cm e 10,0 cm, com a evolução de bolhas de hidrogênio, foi explicado pelo mesmo comportamento que se ocorre na convecção forçada, em que a espessura da camada de difusão aumenta com o aumento da altura, de acordo com a teoria da camada de fronteira (Fouad e Sedahmed, 1972).
Com relação à influência da distância eletrodo-diafragma na produção de bolhas de gás hidrogênio e o respectivo efeito das bolhas na camada de difusão, Fouad e Sedahmed (1972) concluíram que:
¾ com o aumento da velocidade de fluxo de bolhas de gás hidrogênio, a espessura da camada de difusão aumentou para as distâncias de 4,0 e 6,0 cm, e diminui para as distâncias de 1,0 e 2,5 cm. Com isso, a transferência de massa foi maior para as distâncias de 1,0 e 2,5 cm que para 4,0 e 6,0 cm;
¾ para uma mesma velocidade de fluxo de bolhas, a espessura da camada de difusão aumentou com o aumento da distância de 4,0 para 6,0 cm, e diminui com a redução da distância de 2,5 para 1,0 cm, em que a transferência de massa aumentou com a redução da distância.
De acordo com estes autores, o aumento da transferência de massa com a redução distância eletrodo-diafragma atribui-se ao movimento dos redemoinhos de bolhas formados desde a base até a superfície do eletrodo, que foram intensificados com a redução da distância, por isso a espessura média da camada de difusão foi menor para as menores distâncias entre o eletrodo e o diafragma.