Determinação das isotermas de sorção de íons usando a equação de Poisson-Boltzmann

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Steffen, Vilmar
Data de Publicação: 2014
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Estadual de Maringá (RI-UEM)
Texto Completo: http://repositorio.uem.br:8080/jspui/handle/1/6653
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Lúcio Cardozo Filho
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spelling Determinação das isotermas de sorção de íons usando a equação de Poisson-BoltzmannAdsorção - ÍonsBiossorção - ÍonsIsoterma660.284235EngenhariasEngenharia QuímicaOrientador: Prof. Dr. Lúcio Cardozo FilhoCoorientador: Prof. Dr. Edson Antonio da SilvaCoorientador: Prof. Dr. Luiz Roberto EvangelistaTese (doutorado em Engenharia Química ) - Universidade Estadual de Maringá, 2014Resumo: A adsorção de íons e a troca iônica são utilizadas em muitos processos industriais. O projeto de processos de separação usando estas operações em escala industrial requer informações sobre equilíbrio. Usualmente, para descrever o equilíbrio dos processos de adsorção/troca iônica, são aplicadas isotermas de adsorção e a Lei da Ação das Massas. Outra abordagem, baseada na mecânica estatística, utiliza a teoria de Poisson-Boltzmann para representar o equilíbrio da adsorção de impurezas nas paredes das células de cristal líquido. Neste trabalho, esta abordagem foi adaptada para representar o equilíbrio do processo de sorção de metais pesados em adsorvente/biossorventes com fundamentação teórica na modelagem do campo elétrico gerado pelas cargas presentes no sistema. As equações fundamentais que governam o modelo são estabelecidas por equações de conservação da quantidade de íons em uma região próxima à interface adsorvente. O perfil dos potenciais elétricos na parede do adsorvente e no seio do fluido e o potencial químico são determinados como função da concentração de equilíbrio na fase fluida. O modelo mecanístico obtido com base nas diferenças de energia do sistema antes e após a adsorção/troca iônica, em sua forma final, apresenta dois parâmetros ajustáveis. A capacidade deste modelo de vi representar os dados experimentais de equilíbrio é comparada com a modelagem convencional de isotermas de adsorção. Apesar da complexidade no cálculo dos parâmetros do modelo, esses parâmetros ajustáveis podem fornecer informações importantes sobre o processo. O modelo baseado na teoria de Poisson-Boltzmann desenvolvido para sistemas monocomponente é expandido para misturas binárias. Foram propostas ainda, baseadas no comportamento deste modelo, isotermas semi-empíricas que apresentam menor complexidade, no entanto, com parâmetros ajustáveis sem o significado físico do modelo baseado na teoria de Poisson-Boltzmann. Na modelagem de misturas binárias também foram testados modelos preditivos e um modelo que considera uma regra de misturas para a "energia de ativação da adsorção". Para o cálculo do valor ótimo dos parâmetros dos modelos desenvolveu-se códigos em Linguagem FORTRAN 77 utilizando-se a sub-rotina DUMCGF (rotina que usa o gradiente em seu algoritmo para encontrar o mínimo de uma função) da biblioteca numérica IMSL. O modelo monocomponente foi testado com dados de biossorção dos íons cobre e cromo usando como biossorvente a alga Sargassum sp. e de troca iônica dos íons ferro e zinco utilizando a zeólita NaY, e o modelo para sistemas binários foi testado com dados de biossorção dos íons cobre e cromo usando como biossorvente a alga Sargassum sp. Foram propostas seis diferentes formulações com diferentes níveis de complexidade para o modelo monocomponente, no entanto, todos os modelos apresentaram desempenhos semelhantes na representação dos dados experimentais, assim foram expandidos a sistemas binários apenas os dois modelos mais simples. O modelo monocomponente representa os dados experimentais testados com qualidade semelhante à modelagem convencional de isotermas de adsorção com o mesmo número de parâmetros ajustáveis, entretanto, o modelo binário apresenta bons resultados apenas com a utilização de regras de misturaAbstract: Ion adsorption and ion exchange are used in many industrial processes. The process separation design using these operations on an industrial scale requires information about equilibrium. Usually, to describe the adsorption/ion exchange process equilibrium, adsorption isotherms and law of mass action are applied. Another approach, based on statistical mechanics, uses Poisson-Boltzmann theory to represent the adsorption equilibrium of impurities in the walls of liquid crystal cells. In this work, this approach was adapted to represent the equilibrium of heavy metals adsorption process by biossorvents/adsorvents with a theoretical foundation for modeling the electric field generated by the charges present in the system. The fundamental equations that govern the model are established by equations of conservation of ions quantity in an area close to the adsorbent interface. The profile of bulk and surface electric potentials and the chemical potential are determinated as function of the fluid phase equilibrium concentration. The mechanistic model obtained based on the energy differences of the system before and after the adsorption/ion exchange, in its final form, presents two adjustable parameters. The capacity of this model to represent the experimental equilibrium data is compared with the conventional modeling of adsorption isotherms. Viii Despite the difficult about calculating the model parameters, these adjustable parameters can provide important information about the process. The model based on Poisson-Boltzmann theory developed for monocomponent systems is expanded to binary systems. Also has been proposed, based on the behavior of the model, semi-empirical isotherms that present low complexity, however, with adjustable parameters without the physical meaning of the model based on Poisson-Boltzmann theory. In the modeling of multicomponent systems were also tested predictive models and a model that considers mixing rules for "activation energy of adsorption". To calculate the optimal models parameters values was developed codes in FORTRAN 77 language using the DUMCGF subroutine (routine that uses the gradient in its algorithm to find the minimum of a function) of the IMSL Numerical Library. The monocomponent model was tested with data of copper and chromium ions biosorption using the Sargassum sp. algae as biosorbent and ion exchange of iron and zinc ions using NaY zeolite, and the binary model was tested with data of biosorption of copper and chromium ions using the Sargassum sp. algae as biosorbent. Were proposed six different formulations with different levels of complexity for the monocomponent model, however, all models presented similar performances in the representation of experimental data, thus were expanded to binary systems only the two simplest models. The monocomponent model represents the experimental data tested with quality similar to the conventional modeling of adsorption isotherms with the same number of adjustable parameters, however, the binary model presented good results only with the use of mixing rules133 f. : il. (algumas color.), tabs.Universidade Estadual de MaringáDepartamento de Engenharia QuímicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaMaringá, PRCentro de TecnologiaCardozo-Filho, LúcioEvangelista, Luiz RobertoSilva, Edson Antonio daStragevitch, LuizCremasco, Marco Aurélio, 1962-Lenzi, Ervin KaminskiCabral, Vladimir FerreiraSteffen, Vilmar2024-04-16T19:02:42Z2024-04-16T19:02:42Z2014info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfSTEFFEN, Vilmar. Determinação das isotermas de sorção de íons usando a equação de Poisson-Boltzmann. 2014. 133 f. Tese (doutorado em Engenharia Química ) - Universidade Estadual de Maringá, 2014, Maringá, PR.http://repositorio.uem.br:8080/jspui/handle/1/6653info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Estadual de Maringá (RI-UEM)instname:Universidade Estadual de Maringá (UEM)instacron:UEM2024-04-16T19:12:36Zoai:localhost:1/6653Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.uem.br:8080/oai/requestopendoar:2024-04-23T15:00:32.309103Repositório Institucional da Universidade Estadual de Maringá (RI-UEM) - Universidade Estadual de Maringá (UEM)false
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