IMPLEMENTAÇÃO DE MODELO MATEMÁTICO PARA SIMULAÇÃO DA ADSORÇÃO EM LEITO FIXO DO CORANTE REMAZOL BRILLIANT BLUE R EM CARBONO ATIVADO

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Química Tecnológica

Autores

Estevam Carvalho, A. (UFERSA) ; Pereira de Melo, J.E. (UFERSA) ; Miranda da Silva, F.W. (UFERSA) ; Barbosa Rios, R. (UFERSA)

Resumo

O descarte de efluentes provenientes da indústria têxtil possui significantes concentrações de corantes que afetam o meio ambiente. Como alternativa para a remoção desses corantes, o processo de adsorção tem se destacado. Neste contexto, avaliou-se um modelo matemático para viabilizar a adsorção em leito fixo como forma de implementar o processo de remoção do corante Remazol Brilliant Blue R em carbono ativado. A partir desta modelagem, procedeu-se à simulação computacional utilizando o modelo LDF, com o objetivo de tentar prever o comportamento em leito fixo desse sistema corante-carbono ativado, além de avaliar tal modelo frente a alteração de parâmetros como vazão e difusividade nos microporos. Os resultados apontaram para um modelo coerente e viável frente as respostas obtidas.

Palavras chaves

Corante; Adsorção; Leito Fixo

Introdução

Modificações climáticas e a diminuição dos recursos naturais disponíveis tem levado a sociedade a buscar alternativas e propostas ambientalmente corretivas, de forma que estudos relacionados aos problemas ambientais tem ganhado cada vez mais destaque, principalmente no tocante ao comprometimento de grande parte dos recursos hídricos, já que tais recursos estão sendo severamente afetados pelos altos níveis de produção industrial, incluindo-se neste aspecto os setores alimentícios, farmacêuticos e têxteis. Segundo Moraes (1999), as indústrias têxteis e de tingimento são as que mais produzem e utilizam corantes. Arora (2014) estima que aproximadamente 2% dos corantes produzidos e aplicados nas indústrias têxteis sejam descarregados diretamente nos efluentes aquosos sem qualquer tratamento e que aproximadamente 20% dos corantes entram no meio ambiente através das estações de tratamento de águas residuais, podendo permanecer em solução (BEDIN et al., 2017). Dentre os corantes reativos utilizados, o corante reativo Remazol Brilliant Blue R (RBBR) é um dos corantes mais utilizados nas indústrias têxteis devido a sua boa reatividade com as fibras e estabilidade de cor (KIMURA, 1999). Sendo este um corante poluente tóxico e recalcitrante (SILVA et al., 2016), diversas técnicas têm surgido objetivando sua remoção do meio ambiente. A tecnologia de adsorção, frente aos demais métodos de descontaminação de efluentes, destaca-se pelo seu baixo custo e praticidade de implementação, além de apresentar uma variabilidade de adsorventes disponíveis para remoção de corantes em águas residuais, tais como mostram alguns estudos realizados a partir de cascas de laranja, partículas de óxido de zinco (AHMAD et al., 2014) microorganismos (ERGENE et al., 2009) e carbono ativado mesoporoso (AHMAD et al., 2014). Avaliar a capacidade de adsorção destes materiais é fundamental para o entendimento do processo de adsorção e, consequentemente, para implementação de projetos de unidades industriais que busquem remover corantes de seus efluentes. O estudo do processo de adsorção em colunas de leito fixo permite determinar parâmetros cinéticos e matemáticos capazes de descrever a previsibilidade comportamental do processo mesmo para projetos em grandes escalas. Assim, a partir dos resultados cinéticos e dos parâmetros de isotermas obtidos no trabalho de Pereira et al. (2018), o qual utilizou o carbono ativado WV1050 como adsorvente para avaliar a remoção do corante Remazol Brilliant Blue R, este presente trabalho pretende implementar um modelo matemático capaz de prever a dinâmica de adsorção em leito fixo por meio de curvas de breakthrough para esse sistema reportado em Pereira et al. (2018). A confiabilidade do modelo matemático será avaliada a partir de uma comparação entre as respostas geradas com a variação de determinados parâmetros de operação do modelo e os resultados teóricos esperados para tal fenômeno.

Material e métodos

Um modelo matemático foi implementado e avaliado para descrever a adsorção em leito fixo do corante RBBR no carbono ativado WV1050 (MeadWestvaco, EUA). Informações sobre o corante e o material adsorvente utilizado, a caracterização do sólido, a descrição dos ensaios cinéticos e ensaios para determinação da isoterma de adsorção, bem como a determinação dos parâmetros de adsorção são reportados em Pereira et al. (2018). 2.1. Modelagem Matemática da Coluna de Leito Fixo O modelo matemático generalizado implementado para prever a adsorção em leito fixo do sistema corante RBBR / CA WV1050 apresentado em Pereira et al. (2018) seguiu as seguintes considerações: (1) O sistema opera sobre temperatura constante, sem trocas de calor com a vizinhança; (2) Não ocorrem reações químicas no interior da coluna; (3) A dispersão axial ocorre ao longo do eixo longitudinal da coluna (eixo z); (4) Gradiente de concentração devido ao fluxo radial desprezível; (5) A velocidade axial é constante ao longo da coluna; (6) As partículas do adsorvente são homogêneas quanto sua densidade, forma esférica, tamanho e propriedades químicas. Com estas considerações, o comportamento dinâmico da coluna foi descrito de acordo com as equações que abordam o balanço de massa da fase fluida, a transferência de massa intraparticular descrita pelo modelo LDF (linear driving force) e a isoterma de equilíbrio (ARIM et al., 2008). O balanço de massa para o componente adsorvido em uma seção transversal da coluna, bem como a descrição de seus parâmetros, segue conforme proposto por Kavand et al. (2018) e Yang (1997). A solução desta equação requer informações específicas a respeito da transferência global de massa entre as fases determinadas a partir do que está reportado em Arim et al. (2018). As condições de contorno são as propostas por Danckwerts e está descrita, juntamente com as condições iniciais, em Souza et al. (2008). Por fim, a isoterma de Langmuir foi usada para descrever o equilíbrio de adsorção. Os parâmetros dessa equação foram os reportados em Pereira et al. (2018). Os parâmetros de cada equação foram calculados a partir das equações reportadas em ARIM et al. (2018), XU et al. (2013) e Rios (2015). É importante ressaltar que o termo Dc/rc² não pôde ser estimado e para a resolução do modelo, foi adotado valores da literatura referente a sistemas semelhantes. O volume total de poros e o volume de sólidos específico da partícula foram: 0,000573 e 0,001104 m³/kg, respectivamente, determinados a partir dos estudos de Rios (2015). Para solução desse modelo matemático, utilizou-se o método de discretização OCFEM, de ordem 2 com 15 intervalos, por meio de código executável no software GPROMS®.

Resultado e discussão

3.1. Ensaios Cinéticos e Determinação de Isotermas Os resultados de Pereira et al.(2018) quanto aos parâmetros necessários à modelagem seguem descritos a seguir: Parâmetros de isoterma de Langmuir: qmáx (mg/g) = 145,628 e b (L/mg) = 0,084. 3.2 Curva de Breakthrough A curva de breakthrough foi gerada para o modelo a partir dos parâmetros determinados no tópico 2. A partir desta curva, pôde-se analisar a influência da vazão de alimentação da coluna e do parâmetro de difusão nos microporos, Dc/rc², como forma de avaliar a confiabilidade do modelo, uma vez que não foi possível validar tal modelo a partir de uma comparação com uma curva de breakthrough experimental. 3.2.1. Influência da vazão de alimentação Para a simulação das curvas de breakthrough no software GPROMS®, os parâmetros considerados foram: solução de corante com concentração inicial de 100 mg/L, a 30 ºC; 2 g de carbono ativado; altura do leito de 0,07 m e valor de Dc/rc² fixo em 0,01. A vazão de alimentação inicial foi de 15 mL/min, com valores variando em 1,5, 3,75, 7,5 e 18,75. A variação da vazão de alimentação da coluna influi diretamente na velocidade superficial a qual o modelo está submetido. Essa velocidade, por sua vez, está presente na equação do balanço de massa e é diretamente responsável pelo valor de Dax, conforme demonstra a Equação E04. A Figura 1 mostra as curvas de breakthrough para diferentes valores de vazão. É possível perceber que quanto mais rápida a solução é alimentada na coluna, mais curto é o tempo necessário para se atingir o breakpoint. Da mesma forma, quanto mais lenta se dá esta alimentação, mais tempo a coluna levará para alcançar sua saturação. Neste processo, a taxa de adsorção é principalmente controlada pela difusão intrapartícular, no qual a capacidade de adsorção tende a aumentar com velocidades superficiais mais baixas, e, consequentemente, vazões menores, já que o tempo de contato entre o corante e o carbono ativado será maior, tornando o processo de adsorção mais eficaz. Da mesma forma, quanto mais rápida se der a passagem do fluido pelo adsorvente, menor será o tempo de contato entre o adsorvente e o adsorbato, resultando em uma menor eficiência na transferência de massa e um alcance de breakpoint muito mais rápido, com tempos significativamente menores para a saturação da coluna. Este comportamento também foi observado nos estudos de Arim et al. (2018), Hammed et al. (2010) e Selvapathy et al. (2005). Hammed et al. (2010) afirma ainda que as variações da inclinação das curvas de breakthrough e da capacidade adsortiva são explicadas graças aos fundamentos básicos da transferência de massa. Em altas taxas de vazão, a taxa de transferência mássica também se eleva, levando a uma rápida saturação. Porém, nestas condições, a capacidade adsorvida diminui devido ao insuficiente tempo de residência necessário para a difusão ocorrer entre o corante o carbono, fazendo com que o soluto deixe a coluna antes mesmo que o tempo de equilíbrio ocorra. Os resultados de Matta et al. (2008) também corroboram com os obtidos neste trabalho, pontuando ainda que este comportamento só não acontece quando o adsorvente possuir poros que dificultem a passagem na abertura do canal, fazendo com que os breakpoints para vazões distintas quase não variem entre si. 3.2.2. Influência do parâmetro de difusividade nos microporos, Dm/Rc² Para a simulação das curvas de breakthrough no software GPROMS®, os parâmetros considerados foram os mesmos do tópico 3.2.1, com vazão de alimentação fixa em 15 mL/min e valores do parâmetro de difusão nos microporos, Dm/Rc², de 0,001, 0,01, 0,1 e 10. A variação das curvas pode ser identificada na Figura 2. Pela variação das curvas é possível perceber que a partir de valores maiores que 0,1 para o parâmetro de difusão Dm/Rc², as curvas não sofrem mais alteração e se mantém constantes mesmo para valores 100 vezes maiores. Por outro lado, vê-se que quanto menor for este parâmetro, menor é tempo para determinação do breakpoint e relativamente maior é o tempo que a coluna leva para saturar. Este parâmetro está relacionado diretamente com o parâmetro cinético do modelo LDF, KLDF, o qual, por sua vez, se relaciona com a variação da quantidade adsorvida em relação ao tempo, conforme expõe a Equação E02. É possível inferir a partir da equação que o parâmetro Dm/Rc² influi diretamente sob a inclinação das curvas e, sendo maior a difusividade nos poros, mais fácil e rapidamente o corante será adsorvido pelas partículas, provocando tempos menores para a saturação, conforme é possível perceber ao se comparar as curvas de breakthrough para valores de Dm/Rc² de 0,001 e 10, as quais possuem, respectivamente, tempos de saturação de, aproximadamente, 100 e 200 segundos.

Figura 1 - Influência da variação de(a) vazão; (b) Dm/Rc², nas curvas de breakthrough.

Conclusões

Um modelo matemático para descrever a adsorção em leito fixo do sistema apresentado em Pereira et al. (2018) foi implementado e avaliado. As curvas de breakthrough geradas puderam dar uma ideia do tempo necessário para a saturação do leito com base nas condições de operação testadas. A partir de testes de variação de alguns parâmetros do modelo, como vazão de alimentação, bem como de variação da difusividade nos microporos, chegou-se em comportamentos dentro do esperado como resposta, com base nos fundamentos teóricos da transferência de massa. Porém, não foi possível validar o modelo quanto a sua compatibilidade com dados reais experimentais para todas as variações de parâmetros aqui sugeridas, uma vez que os experimentos não foram desenvolvidos para que se comprovasse a acuracidade da previsibilidade do comportamento das curvas de breakthrough proposta pelo modelo, sugerindo-se tal validação para trabalhos futuros.

Agradecimentos

Referências

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