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Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente – 1º Ano
Outubro de 2014
Relatório do Projeto FEUP
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Trabalho realizado por:
Cristiana Cardoso
Hugo Monteiro
Octávia Vieira
Tiago Monteiro
Grupo 1 da turma MIEA103
Professor: José Miguel Loureiro
Monitora: Viviana Lima de Sousa
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2 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Resumo
Após a realização deste trabalho, conclui-se que:
O carvão ativado é usado em vários setores, tais como tratamento de
efluentes, tratamento de água, tratamento de ar, indústria alimentícia,
adsorção de gases, entre outros, uma vez que a sua utilização apresenta
diversas vantagens, mas as de maior destaque são a sua flexibilidade e a
sua reutilização.
O carvão ativado é um bom adsorvente, porque tem uma área específica
elevada, o que é verificado pela sua estrutura porosa. Por isso, é um dos
componentes utilizados no processo de adsorção que se efetuou. Outro
componente utilizado foi o CO2, uma vez que este gás passou pela
coluna e entrou em contato com o carvão ativado lá inserido, a fim de ser
estabelecido um equilíbrio entre esta fase e a fase sólida,
consequentemente, ficar retido por este, até ficar saturado, e se obter um
efluente purificado.
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3 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Índice
Introdução .......................................................................................................... 4
Aplicações do carvão ativado ............................................................................. 6
Experiência: Adsorção em coluna de enchimento .............................................. 8
Metodologia .................................................................................................... 8
Condições: ................................................................................................... 8
Procedimento: .............................................................................................. 8
Esquema da instalação experimental .......................................................... 9
Resultados .................................................................................................... 10
Gráfico correspondente à etapa da adsorção: ........................................... 10
Gráfico correspondente à etapa da dessorção: ......................................... 11
Recomendações .............................................................................................. 12
Conclusão ........................................................................................................ 13
Bibliografia........................................................................................................ 14
Anexos ............................................................................................................. 15
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4 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Introdução
No âmbito da unidade curricular “Projeto FEUP” foi-nos proposto a
elaboração de um relatório sobre a experiência “Adsorção em Coluna de
Enchimento”, assim como as diversas aplicações do carvão ativado.
O carvão ativado é uma substância que fora previamente tratada para
abrir milhares de pequenos poros entre os átomos de carbono. O carvão ativado
é amplamente usado para adsorver substâncias (Ebah, 29 de Março de 2013). A
adsorção é um processo em que um componente presente numa corrente
gasosa ou líquida é retido na superfície dos poros de um sólido adsorvente,
(neste caso o carvão ativado). Existem dois tipos de adsorção: a adsorção
química e a adsorção física. Sendo que a principal diferença entre estes dois
tipos de adsorção é a quantidade de energia libertada, na adsorção química é
libertada muito mais energia do que na adsorção física. Na experiência realizada
pelo nosso grupo ocorre adsorção física. A adsorção física ocorre quando as
moléculas do adsorvente interagem, formando ligações de Van der Waals, as
reações são fracas e não formam ligações químicas. No caso da adsorção física,
a natureza do adsorvente não é alterada, embora possa ser deformada pela
presença dos campos de força da superfície. A porosidade dos carvões ativados
é um dos aspetos mais importantes para a avaliação de seu desempenho. As
diferenças nas características de adsorção estão relacionadas com a estrutura
dos poros do material, que podem variar de tamanho (Meio-Filtrante, 2001-
2009).
Esta substância é usada em vários setores, tais como tratamento de
efluentes, tratamento de água, tratamento de ar, indústria alimentar, adsorção de
gases, entre outros. A utilização do carvão ativado apresenta várias vantagens,
mas as de maior destaque são a flexibilidade e a reutilização, visto que no
carvão ativado existe uma grande capacidade dos produtos serem adaptados
especificamente às necessidades do utilizador. Por outro lado, é económico,
porque este adsorvente pode ser reciclado, por reativação térmica, para
reutilização. A reativação envolve o tratamento do carvão gasto num forno a alta
temperatura. Durante este processo de tratamento, os compostos orgânicos
indesejáveis sobre o carvão são destruídos termicamente. A reciclagem de
reativação térmica é um processo altamente qualificado para garantir que o
carbono gasto é devolvido com qualidade para ser reutilizado (Filtros de ar
2009).
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5 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Além disso, o carvão ativado é uma ferramenta fundamental na
diminuição da emissão de gases de efeito de estufa, nomeadamente o dióxido
de carbono. O dióxido de carbono, originado pela combustão de combustíveis
fósseis: petróleo, gás natural, carvão, desflorestação (libertam CO2 quando
queimadas ou cortadas). Este é responsável por cerca de 64% do efeito estufa
(Rui Meira, 2002).
A captação e armazenamento de dióxido de carbono (CAC) é uma nova
tecnologia com grande potencial para ajudar a combater as alterações
climáticas. À semelhança de todas as novas tecnologias, é importante analisar
cuidadosamente os seus possíveis impactos no ambiente e na saúde humana. A
CAC implica a captação de dióxido de carbono junto de centrais elétricas ou
instalações industriais, o qual é posteriormente transportado para locais
específicos e injetado em formações geológicas das quais não se possa
escapar. As formações geológicas indicadas para o efeito podem situar-se ao
largo ou em terra, como sejam campos petrolíferos ou de gás esgotados ou
aquíferos salinos, a vários quilómetros abaixo do nível do mar ou do solo. Em
suma, a captação e sequestração são processos de remoção de gases com
efeito de estufa da atmosfera. O processo pode ser biológico (absorção de CO2
pelas plantas, através da fotossíntese) ou geológico (armazenamento de CO2
em reservatórios subterrâneos) (Comissão Europeia, 2012).
Figura 1 - CO2 acumulado capturado no período 2015-30 e até 2050 (cenário 2DS). Fonte AIE (Agência Internacional de Energia), 2013
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6 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Aplicações do carvão ativado
O carvão ativado é uma substância utilizada em várias áreas, visto que
possui uma capacidade de adsorção elevada.
Na área da medicina, o uso de carvão ativado é considerado
atualmente um dos mais eficientes tratamentos em casos de
intoxicações, sobretudo quando o socorro é realizado até 5 horas
após a intoxicação. O carvão ativado adsorve a substância tóxica e
diminui a quantidade disponível para absorção pelo sistema
digestivo. Os seus efeitos colaterais são mínimos. As substâncias
tóxicas adsorvidas nos poros são eliminadas com o carvão através
das fezes (wikipédia, 3 de Abril de 2014).
O ritmo acelerado da industrialização contribui largamente para a
poluição das águas. Desta maneira, tem-se a necessidade de
métodos eficazes para o tratamento das águas residuais. Existe
uma ampla utilização do carvão ativado na purificação de água,
seja para consumo de água potável ou para fins industriais. O
carvão ativado elimina cor, odor, mau gosto, remove substâncias
orgânicas dissolvidas através do mecanismo de adsorção. Águas
de rios, mesmo após filtração, podem conter inúmeros compostos
orgânicos dos quais, normalmente, apenas uma pequena fração
pode ser identificada. Outras vezes, podem estar contaminadas por
resíduos de pesticidas, herbicidas ou inseticidas, usados na
agricultura. Estes poluentes, além de afetarem o odor e sabor,
podem apresentar efeitos tóxicos sobre os seres humanos. Nos
sistemas de tratamento de águas municipais é comum a utilização
do carvão ativado pulverizado, em dosagens variadas, onde
adsorve compostos indesejáveis e é removido, posteriormente, nos
decantadores. Desta forma, a população fica livre da ação destes
compostos prejudiciais à saúde. Agentes químicos, como o cloro e
hipoclorito, são empregados para desinfetar ou oxidar materiais
orgânicos da água. Nestes casos, o excesso do oxidante
permanece na água e deve ser removido. A solução simples e
económica amplamente utilizada para estas situações é a
decomposição catalítica do agente oxidante sobre a superfície do
carvão ativado (Meio Filtrante, Outubro de 2006).
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7 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
O carvão ativado tem um papel importante para uma purificação do
ar com qualidade e é usado de várias maneiras pelos fabricantes
de autopeças e automóveis. Os filtros com carvão ativado param
tanques de combustível e reduzem a emissão de hidrocarboneto
da gasolina dos carros e caminhões. Além disso, muitos carros
incluíram recentemente um sistema de purificação de ar que utiliza
carvão ativado nos seus filtros de ar interno (cabot br produto norit
activated carbon, 2013)
Na indústria química é utilizado para a purificação de produtos,
remoção de cores residuais, odores e contaminantes. A sua ação
abrange vários seguimentos da indústria, como a remoção de
orgânicos, purificação de ácidos, desodorização e descoloração de
produtos químicos, bem como a utilização como catalisador devido
à grande área superficial e inércia química. Também possui
eficiente utilização na purificação de ar, de gases, recuperação de
solventes, como filtros de compostos orgânicos voláteis em
automóveis, além disso, pode ser utilizado em máscaras para
proteção pessoal (Guaramex).
O carvão ativado é usado, por exemplo, em ETAs (Estações de
tratamento de águas) em que, num dos muitos passos pelos quais
a água passa, a mesma é sujeita a uma filtração em que partículas
muito pequenas e em grande número necessitam ser retiradas. A
capacidade de adsorção do carvão ativado é usada neste passo,
adsorvendo estas mesmas partículas. Como esta capacidade de
adsorção é elevada, então há uma grande eficácia na remoção das
partículas indesejadas, ficando a água muito mais pura. Assim o
carvão ativado é usado nesta parte importante do processo de
tratamento da água. Pode também da mesma forma ser usado em
tratamento de efluentes, usando um princípio parecido.
Além disso, pode ser usado para adsorver gases. Neste caso, o
carvão ativado adsorve gases indesejados, que podem ser, por
exemplo, poluentes. Há um tratamento do ar, em que gases
nocivos ou perigosos não são libertados. Também se pode purificar
um gás que ia ser libertado ou ser usado na recuperação de
solventes na indústria de tintas, adesivos, têxtil e de impressão
(Guaramex).
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8 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Experiência: Adsorção em coluna de enchimento
Metodologia
Condições:
Caudal de He = 3,0 dm3 PTN/min
Caudal de CO2 = 0,16 dm3 PTN/min
Temperatura (inicial) na coluna = 35ºC
Tempo inicial da etapa de adsorção = 536,6s
Tempo inicial da etapa de dessorção = 1655,4s
Procedimento:
1º) Colocar a coluna de enchimento à temperatura de, aproximadamente, 35ºC e
aguardar até o perfil de temperaturas ser suficientemente uniforme.
2º) Averiguar se as duas válvulas direcionais estão na posição de “calibração” e
as válvulas de globo nas linhas de hélio e dióxido de carbono estão fechadas.
3º) Em seguida, abrir as linhas de hélio e dióxido de carbono no redutor,
regulando a pressão para, aproximadamente, 3 bar.
4º) Abrir a válvula de globo do hélio e regular o caudal deste gás com a válvula
de agulha, a fim de obter, aproximadamente, 3,0 dm3 PTN/min.
5º) Sem passar CO2 na coluna de enchimento, rodar no mesmo instante as
válvulas direcionais para a posição “operação”.
6º) Aguardar até todo o dióxido de carbono ser removido.
7º) Rodar novamente as válvulas direcionais para a posição “calibração” e abrir
a válvula de globo correspondente ao dióxido de carbono. Também regular o
caudal com a válvula de agulha para obter, aproximadamente, 15 dm 3 PTN/min.
8º) Anotar a composição indicada pelo analisador.
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9 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
9º) Rodar as válvulas direcionais para a posição “operação”. Neste instante,
inicia-se a etapa da adsorção e deve-se anotar o tempo correspondente a esse
instante. Também verificar se os caudais de dióxido de carbono e de hélio
permanecem constantes.
10º) Tomar nota da pressão na coluna ao longo da experiência, tanto para a
adsorção como para a dessorção.
11º) Quando a composição à saída da coluna se estabilizar, fechar o caudal de
dióxido de carbono na válvula de globo correspondente. Assim, inicia-se a etapa
de dessorção. Também se anota esse instante.
12º) Aguardar até a composição de dióxido de carbono ser nula à saída da
coluna. Nesse instante, finaliza-se a etapa de dessorção.
Esquema da instalação experimental
Figura 2 - Esquema da instalação experimental
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10 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Resultados
Gráfico correspondente à etapa da adsorção:
Analisando o gráfico 1,
concluímos que do instante 0s
ao instante 632,5 s há um
aumento significativo da
percentagem de dióxido de
carbono na coluna. Tal
acontece, porque a quantidade
de dióxido de carbono que está
a sair da coluna aumenta
devido à menor quantidade de
dióxido de carbono que reage
com o carvão ativado. Isto
indica-nos que a partir do
instante 632,5 segundos o carvão
ativado pode ter atingido o seu
ponto de saturação. “Em geral, o
tempo ao qual a concentração atinge 5% do valor máximo é designado tempo de
ruptura, tbp(breakthrough time). Ao fim deste tempo a coluna deve ser
regenerada, uma vez que a corrente gasosa começa a sair contaminada. O
tempo de cedência é sempre inferior ao tempo estequiométrico(t est).” (DEQ.
(Fevereiro de 2008). Práticas de ENGENHARIA QUÍMICA VI - Adsorção em
Coluna de Enchimento. FEUP).
Analisando o gráfico da
temperatura em função do
tempo (Gráfico 2), concluímos
que há um momento em que a
temperatura de cada termopar
atinge um máximo, o que
indica que a adsorção que
está a ocorrer é uma reação
entre o carvão ativado e o
dióxido de carbono
denominada de reação
exotérmica, ou seja, que
liberta energia sob a forma de
calor.
Gráfico 1 – Função da %CO2 em função do tempo na adsorção
Gráfico 2 – Função da temperatura em função do tempo na adsorção
00,5
11,5
22,5
33,5
44,5
5
0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080
%C
O2
Tempo(s)
Gráfico da adsorção
t bp t est
35
36
37
38
39
40
41
0 500 1000 1500
Tem
pe
ratu
ra(º
C)
Tempo(s)
Variação da temperatura durante a adsorção
T3
T4
T2
T5
T6
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11 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Gráfico correspondente à etapa da dessorção:
No gráfico da percentagem
de dióxido de carbono em
função do tempo (Gráfico 3),
há uma diminuição
progressiva da percentagem
de dióxido de carbono. Isto
deve-se ao facto de estar a
ocorrer dessorção naqueles
instantes. O dióxido de
carbono que tinha sido
adsorvido está a ser
dessorvido, o que implica
uma menor percentagem de
dióxido de carbono à saída
da coluna, uma vez que não
há alimentação de dióxido
de carbono e o mesmo é finito dentro da coluna de enchimento. Logo, há uma
diminuição da sua percentagem, pois ao longo do tempo, a percentagem de
dióxido de carbono que sai da coluna é menor.
O esboço do gráfico da
função da temperatura ao
longo do tempo, quando
ocorre a etapa da
dessorção, é o inverso do
esboço do gráfico 2 em que
se dá a adsorção (como
analisado no gráfico 4). Uma
vez que a reação de
dessorção é endotérmica, a
temperatura em cada
termopar vai diminuindo
conforme ocorre a
dessorção entre o dióxido de
carbono e o carvão havendo
assim uma diminuição de
temperatura, para esta
reação ocorrer.
0
1
2
3
4
5
0 500 1000 1500
%C
O2
Tempo(s)
Gráfico da dessorção
Gráfico 3 – Função da %CO2 em função do tempo na dessorção
31
32
33
34
35
36
37
38
0 500 1000 1500
Tem
pe
ratu
ra(º
C)
Tempo(s)
Variação da Temperatura durante a dessorção
T2
T3
T4
T5
T6
Gráfico 4 - Função da temperatura em função do tempo na dessorção
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12 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Recomendações
O ambiente em que ocorre a atividade laboratorial deve ser preparado
com mais tempo, para que a diferença de temperatura entre os
termopares seja mínima, ou, se possível, que a temperatura seja uniforme
(sendo essa uniformidade na temperatura necessária para a realização da
atividade laboratorial de, aproximadamente, 35ºC);
Maior precisão no manuseamento de válvulas, de forma a não haver erros
experimentais;
Ser-se mais rigoroso no apontamento de resultados;
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13 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Conclusão
O carvão ativado é uma substância utilizada em várias áreas, como por
exemplo, no tratamento de águas, tratamento em casos de intoxicações
na purificação de produtos, remoção de cores residuais, odores e
contaminantes. Além disso, pode ser usado para adsorver gases
indesejados, por exemplo poluentes, para o purificar. Uma vez que é um
bom adsorvente porque tem uma área de superfície elevada, o que é
verificada pela sua estrutura porosa, que foi verificada na experiência
“Adsorção em Coluna de Enchimento” que efetuamos;
O processo de adsorção é fundamental, porque purifica os produtos
gerados na indústria.
Com a atividade prático laboratorial obtemos os resultados esperados,
uma vez que na etapa de adsorção o gráfico da percentagem de dióxido
de carbono em função do tempo demonstra um aumento significativo da
percentagem de dióxido de carbono na coluna. Tal acontece, porque a
quantidade de dióxido de carbono que está a sair da coluna aumenta
devido à menor quantidade de dióxido de carbono que reage com o
carvão ativado. Pelo contrário, a etapa da dessorção implica uma menor
percentagem de dióxido de carbono à saída da coluna como observado
no gráfico da percentagem de dióxido de carbono em função do tempo
nessa mesma etapa. Além disso, o esboço do gráfico da função da
temperatura ao longo do tempo, quando ocorre a etapa da dessorção, é o
inverso do esboço do gráfico da temperatura em função do tempo na
etapa de adsorção, uma vez que a reação de dessorção é endotérmica e
a reação de adsorção é exotérmica.
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14 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Bibliografia
Barrenho, R. p. (2014). Captura e Armazenamento de CO2 na CPLP . Obtido em 16 de Outubro
de 2014, de http://www.arco2cplp.uevora.pt/?page_id=9
Caixa Geral de Depósitos, S. (s.d.). Caixa Geral de Depósitos. Obtido em 3 de Outubro de 2014,
de GLOSSÁRIO CAIXA CARBONO ZERO: https://www.cgd.pt/Institucional/Caixa-Carbono-
Zero/Pages/Glossario-Caixa-Carbono-Zero.aspx#sequestro
Carbon, C. ( 2014). Waste Water Treatment. (Chemviron Carbon) Obtido em 5 de Outubro de
2014, de Chemviron Carbon:
http://www.chemvironcarbon.com/en/applications/effluent-water-
treatment/wastewater
DEQ. (Fevereiro de 2008). Práticas de ENGENHARIA QUÍMICA VI - Adsorção em Coluna de
Enchimento. FEUP.
Europeia, C. (2012). Captura e Armazenamento de Dióxido de Carbono. Obtido em 6 de Outubro
de 2014, de Comissão Europeia:
http://ec.europa.eu/clima/publications/docs/factsheet_ccs_pt.pdf
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15 Outubro de 2014
Adsorção em coluna de enchimento
Aplicações do carvão ativado
Anexos
Gráfico 5 – Temperatura (°C) em função do tempo (s) na adsorção e na dessorção
30
32
34
36
38
40
42
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
Tem
pe
ratu
ra(º
C)
Tempo(s)
Variação da temperatura durante todo o processo
T2
T3
T4
T5
T6