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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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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