MECANISMOS DA ADSORÇÃO

adsorbato, já o material que geralmente se encontra em fase gasosa e é capaz de ser adsorvido é definido como adsortivo. Essa classificação é ilustrada na Figura 2.1.

Figura 2.1. Ilustração da classificação da adsorção (extraído de Sousa, 2005).

2.2. MECANISMOS DA ADSORÇÃO

O efeito da adsorção é provocado por forças desbalanceadas atuando entre os átomos ou íons da superfície de um sólido e as moléculas de um fluido adsorvido. Dependendo do tipo de força que atua da superfície do sólido para o fluido o mecanismo de adsorção pode ser classificado como adsorção física (fisiossorção) ou adsorção química (quimissorção).

Na adsorção física as moléculas adsorvidas podem se difundir por toda superfície do adsorvente, não se ligando a nenhum local específico. As forças envolvidas neste tipo de adsorção são conhecidas como forças de van der Waals, bem como interações eletrostáticas, que possui uma maior significância em materiais de estrutura iônica como o caso do zeólite (RUTHVEN, 1984).

A adsorção química pode ser caracterizada por reações químicas que ocorrem entre o adsorvente e o adsobato formando uma monocamada molecular, que muitas vezes alteram a composição química dos meios em contato. O calor de adsorção é elevado comparando com o calor envolvido na adsorção física. O substrato formado na superfície

do sólido pode ser definitivo, o que limita a vida útil deste tipo de material adsorvente e desta forma limita também o seu uso em muitos equipamentos e processos.

2.3. ADSORVENTES

Qualquer material sólido que atrai e mantém em seu interior vapor de um fluido pode ser considerado como um adsorvente. No entanto, a capacidade de adsorção depende da área superficial do adsorvente que deve possuir estrutura cristalina microporosa. Isso ocorre no caso de sólidos finamente divididos ou com um sistema de poros bem desenvolvidos. Entretanto, para um processo adsortivo, não basta um adsorvente apresentar apenas uma elevada área superficial. A rigor, são necessárias outras características que favoreçam a utilização dos adsorventes em processos industriais, para GUO et al (2000), um adsorvente deve possuir alta capacidade de adsorção, com elevada seletividade, associadas a alta taxa de adsorção e dessorção, vida longa, estabilidade sob condições operacionais.

Existem registros da utilização industrial dos materiais dessecantes desde o século XVIII (RUTHVEN, 1984). Hoje podemos encontrar aplicações para estes materiais nos mais diversos segmentos, as indústrias onde sua presença pode ser destacada são: as de alimentos, farmacêutica, química, bélica, dentre outras. Mais recentemente podemos encontrar aplicações destes materiais para o condicionamento de ar e climatização de ambientes, como MEDEIROS (2007) e RUIVO (2005) usam em seus trabalhos de tese. Os adsorventes mais utilizados industrialmente são: sílica gel, zeolitas, alumina ativa e carvão ativado.

2.3.1 Sílica Gel

Sílica Gel é um produto sintético, produzido pela reação de silicato de sódio e ácido sulfúrico. Assim que misturados formam um hidrosol, que lentamente se contrai para formar uma estrutura sólida de Sílica Gel, chamada hidrogel. O gel sólido é quebrado e lavado para remover o subproduto da reação, o sulfato de sódio, e criar sua estrutura porosa. Quando alta capacidade adsortiva é necessária em condições de baixa temperatura e pressão moderada, a sílica gel é empregada com vantagens sobre outros adsorventes. Esta

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se destaca por não ser tóxica, quimicamente estável, ter boa resistência mecânica, baixo custo e relativa simplicidade estrutural.

2.3.2 Zeólitas naturais

As Zeólitas são silicatos hidratados de alumínio do grupo dos alcalinos terrosos. Esse dessecante é encontrado em seu estado natural em regiões vulcânicas. A estrutura cristalina da zeólita é formada pela união de unidades primárias de tetraedros de SiO4 e AlO4. Essa união ocorre através de átomos de oxigênio, que assim dão origem a uma rede uniforme de microporos de dimensões moleculares, por onde partículas externas podem circular. Possuem cristais com microdiâmetro, que são facilmente sintetizados e são encontrados na forma de grãos com tamanho e geometria variáveis. A zeólita possui diâmetro variando aproximadamente entre 2 a 4,3 Å (angstroms). Existem mais de 40 espécies naturais e 150 espécies sintéticas de zeólitas.

A zeólita é um dos adsorventes mais higroscópicos, o que lhe propicia uma alta capacidade de adsorção. Entretanto, comparada com a sílica gel, a zeólita necessita de uma temperatura de reativação mais elevada, o que dificulta sua utilização em sistemas dessecantes que desejam utilizar energia solar como fonte de calor regenerativa. É largamente utilizada em escala industrial, cujas principais aplicações se dão no setor petroquímico e na separação de gases e desidratação em geral, e ainda na troca iônica. Na Figura 2.2, estão ilustrados alguns exemplos de zeólitas (AMORIM, 2007).

(A) (B) (C)

Figura 2.2. Adsorventes cristalinos: zeólita-faujasita (A) e zeólita ZSM-5 (B). Fonte: http:// www.upo.es Fonte: http://www.izastructure.org/databases

2.3.3 Zeólita Sintética

As Zeólitas sintéticas, também conhecidas como moecular sieve ou peneira molecular, são feitas de silicato de alumínio cristalizado em um processo térmico. Controlando a temperatura do processo e a composição dos materiais é possível um controle das estruturas e das características da superfície do adsorvente. É possível se conseguir zeólitas com uma rede de poros mais uniforme que nas zeólitas naturais, no entanto com um custo mais elevado.

2.3.4. Alumina Ativa

A alumina ativada é uma forma altamente porosa do óxido de alumínio, preparada diretamente da bauxita (Al2O3 3H2O) ou a partir de monohidratados por desidratação e recristalização à temperatura elevada. Sua superfície apresenta um grau de polaridade mais elevado que a da sílica gel com caráter ácido e básico. À temperatura ambiente, a afinidade da alumina ativada para água é comparável a da sílica gel, mas sua capacidade adsortiva é inferior. A temperatura elevada, a capacidade adsortiva da alumina ativada torna-se maior que a da sílica gel e por isso já foi muito utilizada na desumidificação de ar e correntes de gases à alta temperatura. Atualmente, nesta aplicação, tem sido substituída por adsorventes do tipo peneira molecular (zeólitas) que exibem alta capacidade adsortiva e requerem menor pressão para a maioria das condições de interesse prático.

2.3.5 Carvão Ativado

Evidências da utilização do carvão em aplicações medicinais são encontradas há alguns milhares de anos na civilização egípcia. Os hindus já filtravam sua água com carvão e finalmente no século XIII o carvão foi usado na purificação de soluções açucaradas. Neste mesmo século outra utilização importante para o carvão foi descoberta, a capacidade de adsorver gases. O carvão ativado é definido como um material poroso com grande área superficial capaz de adsorver outras substâncias.

A ativação do carvão pode se dar através de um tratamento do carvão com vapor d’água ou um tratamento químico. No que diz respeito à sua composição, além do

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conteúdo de carbono, o carvão pode, em função de sua matéria-prima, conter até 20 % de minerais que são indicados e estão presentes no resíduo de suas cinzas.

O processo de adsorção no carvão ativado é dependente, dentre outras coisas, de sua área superficial, que envolve uma interface sólido-líquido ou sólido-gás. A adsorção se dá de duas formas: i) fisissorção - as moléculas de um líquido ou de um gás são adsorvidas no sólido através de forças fracas de van der Waals, resultando em uma adsorção de multicamadas e ii) quimissorção - ocorre quando acontece uma reação química entre o adsorbato e o adsorvente. Os produtos comerciais possuem freqüentemente uma área superficial que varia de 500 - 1500 m2/g, sendo que o carvão ativado também é caracterizado pelo volume do poro. O estudo da adsorção de substâncias particulares como a adsorção de iodo, azul de metileno, fenol, pode dar uma boa aproximação da área superficial do carvão ativado. Na Figura 2.3, um exemplo deste fenômeno é ilustrado.

Figura 2.3. Concepção dos efeitos da porosidade do carvão ativado.

Existem três formas básicas de carvão ativado: pulverizado, granulado e pelotizado. Geralmente o carvão ativado pulverizado é usado como descolorante, o carvão granular para tratamento de água e o pelotizado em fase gasosa e catálise. Porém, isto não é uma regra, como exemplo basta citar que no mercado brasileiro o carvão ativado pulverizado é muito utilizado para remoção de odor e sabor em estações de tratamento de água.

Um exemplo da aplicação do carvão ativado pode ser visto no trabalho de dissertação de ANDRADE (2009), onde ele é utilizado para armazenamento de gás natural veicular, para: reduzir a pressão interna do cilindro, a espessura da parede do reservatório e aumentar a quantidade de gás armazenada, utilizando menor volume do reservatório.

Os equipamentos utilizados neste trabalho são fabricados com material que predominantemente realizam a adsorção física, fato pelo qual este tipo de fenômeno será exclusivamente abordado aqui.