adsorção de gases sobre superfícies sólidas caracterização física da superfície de sólidos

Adsorção de Gases sobre Superfícies Sólidas

Caracterização Física da Superfície de sólidos

Três parâmetros principais:

– Área da superfície específica (m2/g)

– Porosidade

– Distribuição de tamanho de poro

O que é a adsorção?Desde dos tempos bíblicos: Uso de um sólido para reter substâncias contidas dentre de líquidos ou gases

Adsorção:

separação preferencial de uma substancia contida numa fase líquida ou gasosa

• Carvão (origem aninal): descoloração de soluções de açúcar e outros alimentos

• Carvão ativado: remoção de gases neurotóxicos dos campos de batalha

• Hoje milhões de aplicações: purificação, separação

Aplicações nas áreas da física, biológica e químicaA nível industrial: carvão ativado e resinas sintéticas são usadas em grande escala para a purificação da água e o tratamento de rejeitos.

Processo de Adsorção

N.B.: absorção: o material transferido de uma fase para a outra (exemplo um líquido) interpenetra a segunda fase para formar uma “solução”.

Separação de uma substância de uma fase

Acumulação ou aumento da concentração desta substância

sobre uma superfície de um outro composto

A fase que adsorve é o

adsorventeO material concentrado é o

adsorbato

Adsorção Física

Principalmente causada por

forças de van der Waals e forças eletrostáticas

as moléculas do adsorbato

átomos que compõem a superfície do adsorvente

Características de tais adsorventes:

Área superficial e polaridade

Área SuperficialVantagem de grande área superficial:

Fornece uma grande capacidade de adsorção

Uma grande superfície interne num volume limitado

presença de uma grande quantidade de poros de pequeno tamanho entre as superfícies de adsorção.

Superfície dos poros

Superfície não porosa

Presença dos poros

Zeólitas e peneira molecular a base de carvão podem ser concebidas especificamente com um tamanho de poros e uma

distribuição de tamanho de poros de maneira a atuar para uma separação específica

O tamanho dos microporos determina a acessibilidade das moléculas de adsorbato para

a superfície interna de adsorção

Assim o tamanho dos poros e sua distribuição é uma propriedade importante para caracterizar

o poder de adsorção do adsorvente

Polaridade

Adsorventes não-polares : chamados de “hidrofóbicos”

Mais afinidade com óleos e hidrocarbonetos do que com água

Exemplos : adsorventes carbonados, adsorventes poliméricos, silicalitas

Adsorventes polares : chamados de “hidrofílicos”

afinidade com uma substância polar: água e os álcoois

Exemplos : Aluminosilicatos (zeólitas), Alumina porosa, Silica gel ou sílic-Alumina

Classificação dos Poros pelo tamanho do poro (IUPAC):

Microporos 0 ~ 2 nm (0 ~ 20 Å)

Mesoporos 2 ~ 50 nm (20 ~ 500 Å)

Macroporos 50 ~ 7500 nm (0,05 µm ~ 7,5 µm )

Megaporos > 7500 nm ( > 7,5 µm )

Isotermas de Adsorção Medida a Temperatura constante do volume adsorvido (Vads) na superfície em função da Pressão do gás adsorvido

Gás adsorvido N2

T= 77 KA 77K e P = 1 atm

equilíbrio entre N2 liquido e N2 gásou

A 77K a pressão de condensação de N2 é 1 atmMedidas de adsorção do gás para P < 1 atm

Escala de Pressão P/Po : 0 - 1

CteTads PfV )(

CteToads P

PfV

Medida experimental

P/Po

Vads

mL/g (SPT)

Classificação das isotermas de Adsorção

Brunauer, Deming, Deming e Teller (BDDT)5 tipos

Condensação Capilar

Fenômeno de Histeresis

Curvas de Adsorção e de Dessorção

• Material poroso• Poros cilíndricos• Raio r

Sólido teórico

Curvas de Dessorção

Exemplos de Sílica Macroporosa

• Isoterma tipo 2

• Formação de multicamadas

• Condensação somente ocorre com P/Po próximas de 1

Isoterma de sílica macroporosa (D > 50 nm):

Exemplo de Sílica Microporosa

• Isoterma do tipo 1 • Enchimento gradual dos

microporos com o adsorbato a baixa pressão relativa

• Sem histerese

Isoterma de sílica microporosa (D < 2 nm):

Exemplo de Sílica Mesoporosa

• Isoterma do tipo 4 • Multicamada de adsorbado• Acima de P/Po = 0,4 há aumento

de gás adsorvido• Perfil horizontal da curva

próxima a P/Po =1 poros cheios com adsorbato líquido.

• Há histerese: o “loop” formado

Isoterma de sílica mesoporosa (D 2~50 nm):