Píndaro Poeta Grego
3.2. Estudos de transferência de massa com produção de bolhas de gás
Fouad e Sedahmed (1972) estudaram o efeito da evolução de bolhas de gás hidrogênio e oxigênio na transferência de massa em eletrodos verticais sem circulação forçada. A célula eletroquímica usada era retangular com um compartimento catódico e outro anódico, separados por um diafragma. As variáveis estudadas foram: velocidade de fluxo de bolhas de gás (função da densidade de corrente elétrica), altura dos eletrodos e distância entre eletrodo-diafragma.
A solução usada era composta por K3Fe(CN)6 e K4Fe(CN)6, com concentrações
iguais de 0,2 M, e NaOH como eletrólito de suporte. O eletrodo de trabalho e o contraeletrodo eram de níquel, com iguais dimensões, sendo 5,0 cm de largura e 50,0 cm de altura, com distância máxima de 8,0 cm entre eletrodos.
A densidade de corrente máxima foi limitada em 0,08 A cm2. A velocidade de fluxo de bolhas de gás foi determinada pela Lei de Faraday. A corrente elétrica correspondente à velocidade de fluxo de bolhas de gás ( e ) foi determinada por meio da diferença entre a corrente de eletrólise ( ) e a corrente correspondente à redução da concentração do íon indicador, ( K
2 H I 2 O I e I − 3 6 ) (CN Fe I 3Fe(CN)6) e 4−( K 6 ) (CN Fe I 4Fe(CN)6).
Os resultados foram expressos por meio da espessura da camada de difusão em função da velocidade de fluxo de bolhas ( e ) e respectivas densidades de corrente elétrica para cada gás ( e ).
2 H V VO2 2 H j 2 O j
Nas Figuras 3.1 e 3.2 são apresentadas, respectivamente, a distribuição das bolhas de gás ao longo da altura do eletrodo e a célula eletroquímica, com destaque para o comportamento das bolhas de hidrogênio no compartimento catódico.
Figura 3.1. Distribuição das bolhas de gás ao longo da altura do eletrodo (Fouad e Sedahmed, 1972).
Figura 3.2. Célula eletroquímica com destaque para o fluxo das bolhas no compartimento catódico (Fouad e Sedahmed, 1972).
Fouad e Sedahmed (1972) observaram que a redução de K3Fe(CN)6 a K4Fe(CN)6
durante o tempo de eletrólise nos compartimentos catódico e anódico, respectivamente, foi cerca de 5,0 %, e que a distribuição das bolhas de gás aumentou com a altura do eletrodo, como mostrado na Figura 3.1. Estes autores observaram três zonas distintas na célula (Figura 3.2) durante o tempo de eletrólise: uma zona na parte superior, onde as bolhas formaram redemoinhos; uma zona na parte central, na qual se tinha uma dispersão gás-
líquido; e uma zona na parte inferior, que era composta apenas pela solução sem a presença de bolhas de gás. Eles notaram que o tamanho relativo dessas zonas era dependente da velocidade de fluxo das bolhas de gás, da altura do eletrodo e da distância eletrodo- diafragma. Neste estudo, Fouad e Sedahmed (1972) concluíram ainda que:
¾ as bolhas de gás ao se desprender da superfície do eletrodo, moviam-se verticalmente em paralelo ao eletrodo até a superfície do eletrólito, onde parte delas se desintegrava para atmosfera e a outra parte formava um fluxo descendente, em paralelo ao diafragma, o que causava uma recirculação de bolhas na parte superior do compartimento (Figura 3.2), contribuindo com a transferência de massa para a superfície do eletrodo;
¾ devido à viscosidade da solução, o fluxo de bolhas recicladas sofreu uma redução na velocidade de circulação formando uma dispersão de movimentos. Nessas condições, as bolhas ascendiam em virtude das forças de flutuação e contribuíam para o aumento da convecção;
¾ para determinada distância entre eletrodo-diafragma, o movimento das bolhas era intensificado com o aumento da velocidade de fluxo das bolhas de gás;
¾ já para uma determinada velocidade de fluxo das bolhas, o movimento dos redemoinhos de bolhas era intensificado com a redução da distância eletrodo- diafragma, o que causava um considerável aumento na transferência de massa; ¾ a redução da distância entre eletro-diafragma, provocava um deslocamento das
bolhas para baixo, aumentando a sua zona de influência ao longo da altura do eletrodo;
¾ quando a distância eletrodo-diafragma tornava-se muito pequena, o fluxo descendente de bolhas de gás se chocava com o fluxo ascendente próximo à superfície do eletrodo, o que reduzia a velocidade de ascensão das bolhas de gás, reduzindo o efeito da convecção e, consequentemente, a taxa de transferência de massa para o eletrodo;
¾ a altura do eletrodo também afetou o comportamento das bolhas recicladas. Para eletrodos com alturas maiores (50,0 cm) as bolhas se concentravam na parte superior da solução, e para as alturas menores (2,5 cm) as bolhas se concentravam em toda solução.
Fouad e Sedahmed (1973) desenvolveram um estudo de transferência de massa com evolução de bolhas de gás em eletrodos horizontais, sem circulação forcada, e avaliaram o efeito da densidade de corrente, velocidade de fluxo de bolhas de gás, diâmetro do eletrodo, e composição da solução eletrolítica no coeficiente de transferência de massa.
A célula eletroquímica usada nesse estudo era composta por um cilindro vertical “Perspex” com volume de 250,0 cm3. O eletrólito era composto por uma solução equimolar de K3Fe(CN)6 e K4Fe(CN)6 , nas concentrações de 0,20 M, 0,10 M, e 0,05 M,
com NaOH como eletrólito de suporte na concentração de 2,0 N. Um disco de níquel, com 6,0 cm de diâmetro, foi usado como eletrodo de trabalho, e como contraeletrodo usou-se um disco também de níquel com 1,0 cm de diâmetro, distanciado 3,0 cm do eletrodo de trabalho.
A densidade de corrente foi de 105,0 mA cm-2. A velocidade de fluxo de bolhas de
gás foi determinada pela Lei de Faraday, e a corrente elétrica correspondente à velocidade de fluxo de bolhas de gás ( e ) foi determinada por meio diferença entre a corrente de eletrólise( ) e a corrente correspondente à redução da concentração do íon indicador,
( K 2 H I IO2 e I − 3 6 ) (CN Fe I 3Fe(CN)6) e 4−( K 6 ) (CN Fe I 4Fe(CN)6).
Os resultados foram expressos a partir de relações entre o coeficiente de transferência de massa com geração de bolhas de gás e a velocidade de fluxo das bolhas para o hidrogênio ( ) e para o oxigênio ( ).
2
H
V VO2
Fouad e Sedahmed (1973) encontraram uma redução da concentração do íon indicador, para o K3Fe(CN)6 e K4Fe(CN)6, em torno de 2,0 a 3,0 % durante o tempo de
eletrólise para todos os experimentos. Neste trabalho, estes autores também estudaram a taxa de transferência de massa com produção de bolhas de gás em eletrodos verticais usando uma célula retangular tipo “Plexiglass” dividida em dois compartimentos separados por um diafragma, onde se utilizou eletrodos de níquel com dimensões iguais de 10,0 cm de altura e 2,5 cm de largura, com espaçamento de 2,0 cm entre o eletrodo e o diafragma. Eles concluíram que:
¾ o coeficiente de transferência de massa com produção de bolhas de gás foi maior nos eletrodos horizontais que nos verticais, para os gases hidrogênio e oxigênio, sendo a maior diferença para o gás hidrogênio;
¾ o coeficiente de transferência de massa aumentou com a velocidade de fluxo de bolhas para ambos os gases, com valores maiores para o oxigênio;
¾ com a redução da concentração da solução (K3Fe(CN)6 e K4Fe(CN)6), ocorreu um
aumento do coeficiente de transferência de massa com geração de bolhas para os dois gases estudados;
¾ para uma mesma velocidade de fluxo de bolhas e concentração constante da solução, o coeficiente de transferência de massa foi maior para o oxigênio que para o hidrogênio;
¾ a variação do diâmetro do eletrodo não apresentou efeito sobre o coeficiente de transferência de massa.
A diferença observada nos valores do coeficiente de transferência de massa entre os eletrodos horizontais e verticais pode ser atribuída aos efeitos da altura, devido a formação de uma camada de fronteira hidrodinâmica e uma camada de difusão, cuja espessura aumenta ao longo da altura do eletrodo. Neste aspecto, a situação é similar ao caso de convecção natural em eletrodos horizontais e verticais (Fouad e Sedahmed, 1973).
Segundo Fouad e Sedahmed (1972), na posição horizontal todos os efeitos devido à altura do eletrodo são eliminados e os fatores que afetam a taxa de transferência de massa ocorrem em menor proporção em eletrodos horizontais.
Albuquerque (2006) estudou o efeito da produção de bolhas de gás hidrogênio na transferência de massa utilizando um sistema com circulação forçada e avaliou a influência da geometria do eletrodo e velocidade de alimentação do eletrólito, para o caso particular de um compartimento de pequena espessura. O eletrólito usado era composto pelas soluções de K3Fe(CN)6 e K4Fe(CN)6 nas concentrações de 0,05 e 0,005 M,
respectivamente. Foram usados dois tipos de eletrodos de trabalho: placa perfurada e tela. O contra-eletrodo foi do tipo DSA®. De acordo com os resultados concluiu-se que:
¾ a geometria de placa perfurada não favoreceu o desprendimento das bolhas devido ao aparecimento de zonas estagnadas na parte posterior do eletrodo, diminuindo a superfície ativa e, consequentemente, diminuindo o coeficiente médio combinado de transferência de massa, à medida que se aumentou a velocidade de percolação; ¾ já para a geometria tipo tela, o coeficiente médio combinado de transferência de
massa aumentou em virtude dos efeitos microconvectivos de ascensão de bolhas
associado ao aumento da velocidade de percolação da solução que, neste caso, contribui para o desprendimento das bolhas aderidas;
¾ o tipo de geometria catódica influenciou mais que a velocidade de percolação do eletrólito no coeficiente médio combinado de transferência de massa.