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 química A 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 Acumulação ou aumento da concentração desta substância sobre uma superfície de um outro composto Separação de uma substância de uma fase A fase que adsorve é o adsorvente O material concentrado é o adsorbato N.B.: absorção: o material transferido de uma fase para a outra (exemplo um líquido) interpenetra a segunda fase para formar uma “solução”.

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 Superficial  Fornece uma grande capacidade de adsorção Vantagem 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 não porosa Superfície dos poros

Presença dos poros 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 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

Polaridade Adsorventes polares : chamados de “hidrofílicos” afinidade com uma substância polar: água e os álcoois Exemplos : Aluminosilicatos (zeólitas), Alumina porosa, Silica gel ou sílic-Alumina Adsorventes não-polares : chamados de “hidrofóbicos” Mais afinidade com óleos e hidrocarbonetos do que com água Exemplos : adsorventes carbonados, adsorventes poliméricos, silicalitas

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 K A 77K e P = 1 atm equilíbrio entre N2 liquido e N2 gás ou A 77K a pressão de condensação de N2 é 1 atm Medidas de adsorção do gás para P < 1 atm Escala de Pressão P/Po : 0 - 1

Medida experimental Vads mL/g (SPT) P/Po

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 de sílica macroporosa (D > 50 nm): Isoterma tipo 2 Formação de multicamadas Condensação somente ocorre com P/Po próximas de 1

Exemplo de Sílica Microporosa Isoterma de sílica microporosa (D < 2 nm): Isoterma do tipo 1 Enchimento gradual dos microporos com o adsorbato a baixa pressão relativa Sem histerese

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