Aplicação de processos adsortivos na remoção de compostos BTX presentes em efluentes petroquímicos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química.Muitos compostos orgânicos tóxicos estão presentes nos efluentes das indústrias petroquímicas, especialmente hidrocarbonetos de difícil remoção, tais como os compostos BTX (benzeno, tolueno e o-xileno). Estes compostos apresentam um elevado potencial de contaminação, representando um sério risco ao meio ambiente e ao homem, sendo que o benzeno é considerado o mais tóxico, devido ao seu potencial carcinogênico e mutagênico. Atualmente o aumento da preocupação com as questões ambientais, bem como o maior rigor da legislação no despejo de contaminantes em corpos receptores tem incentivado a busca por novas tecnologias para o tratamento de efluentes industriais que contenham tais contaminantes. Destas tecnologias o método de adsorção oferece o método mais efetivo, pois este consegue alcançar o limite estabelecido pela resolução do CONAMA para a concentração do descarte nos corpos d'água. As condições favoráveis para operar plantas industriais que visam à adsorção de compostos químicos podem ser preditas através da modelagem matemática e simulação numérica dos fenômenos envolvidos. No presente trabalho é utilizado um modelo fenomenológico que descreve o processo de remoção dos compostos BTX através da adsorção em uma coluna de leito fixo, utilizando-se carvão ativado como adsorvente. Os parâmetros cinéticos e de equilíbrio termodinâmico foram obtidos experimentalmente em reatores batelada para os compostos BTX mono e multicomponente, onde a competitividade por sítio ativo de adsorção também foi investigada. Os ensaios experimentais mostraram que, dos três compostos estudados, o o-xileno é o contaminante mais competitivo pelo sítio ativo de adsorção. Este fato está ligado à interação com a superfície do material, peso molecular e solubilidade dos compostos. O modelo considera as resistências de transferência de massa interna e externa à partícula do adsorvente. As equações foram discretizadas utilizando o método de Volumes Finitos com função de interpolação UDS e CDS. Através do algoritmo computacional desenvolvido em linguagem FORTRAN, foi realizada uma análise de sensibilidade paramétrica das condições operacionais do processo de adsorção. Os resultados obtidos pela simulação apresentaram boa concordância quando comparados com dados experimentais encontrados na literatura. Os resultados das simulações mostraram que todos os parâmetros avaliados influenciam na adsorção dos compostos BTX, e que o modelo matemático e a metodologia numérica podem ser usados como uma ferramenta para prever o comportamento dinâmico e estacionário do processo de adsorção utilizados para determinar as condições economicamente ótimas de uma coluna de adsorção em leito fixo de adsorvente

Aplicação de coluna de adsorção em leito fixo para a remoção de compostos BTX multicomponentes presentes em efluentes petroquímicos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaNeste trabalho foi realizado o estudo da adsorção e dessorção dos compostos BTX (benzeno, tolueno e o-xileno) em carvão de casca de coco, ativado termicamente. Os parâmetros cinéticos foram obtidos experimentalmente em reatores batelada e em coluna de leito fixo para os compostos BTX mono e multicomponentes, onde a competitividade por sítio ativo de adsorção também foi investigada. A maioria dos trabalhos existentes na literatura, abordam a adsorção monocomponente, sendo que o efeito competitivo e aditivo dos compostos por sítio ativo não é muito explorado. Este efeito é de grande importância para avaliação das condições operacionais em uma coluna de adsorção que opere com remoção multicomponente.. As isotermas de adsorção foram obtidas para os compostos mono e multicomponentes com o objetivo do conhecimento dos parâmetros de equilíbrio termodinâmico, sendo que o modelo que apresentou melhores resultados foi o modelo de isoterma de Langmuir para os compostos individuais e para a mistura. Os ensaios experimentais mostraram que, dos três compostos estudados, o o-xileno é o contaminante mais competitivo pelo sítio ativo de adsorção. Este fato está ligado à interação com a superfície do material, massa molar e solubilidade dos compostos. Foram realizados ensaios variando as condições operacionais da coluna e a adsorção ao longo do leito também foi analisada. Neste trabalho, foi utilizado um modelo fenomenológico que descreve o processo de remoção dos compostos BTX em uma coluna de leito fixo de carvão ativado. O modelo considera as resistências de transferência de massa interna e externa à partícula do adsorvente. As equações foram discretizadas utilizando o método de Volumes Finitos com formulação WUDS (Weight Upstream Differencing Scheme) e CDS (Esquema de Diferenças Centrais). O algoritmo computacional foi desenvolvido em linguagem FORTRAN. Os resultados das curvas de ruptura obtidos pela simulação apresentaram boa concordância quando comparados com dados experimentais (erro máximo de 11,52 %). Foi realizada uma análise de sensibilidade paramétrica das condições operacionais do processo de adsorção, sendo os resultados comparados com os dados experimentais. Os resultados das simulações e os resultados experimentais mostraram que todos os parâmetros avaliados influenciam na adsorção dos compostos BTX, e que o modelo matemático e a metodologia numérica podem ser usados como uma ferramenta para prever o comportamento dinâmico e estacionário do processo de adsorção mono e multicomponente, tendo os parâmetros do processo, e assim determinar as condições economicamente ótimas de uma coluna de adsorção. O estudo da regeneração do leito com solvente água e em diferentes pHs mostrou que este processo é ineficiente, enquanto que a regeneração com metanol e etanol apresentou bons resultados. O melhor resultado para a remoção dos compostos BTX do adsorvente foi encontrado com o solvente etanol, obtendo-se uma média percentual de remoção dos ciclos de regeneração de (90 % benzeno; 82 % tolueno e 78 % o-xileno), sendo que este foi escolhido como solvente dessorvente deste trabalho por apresentar melhor recuperação dos contaminantes e por ser um solvente que não apresenta toxicidade, além de ser produzido em grande escala no Brasil.The purpose of this study was to investigate the adsorption (and subsequent desorption) of BTX compounds (benzene, toluene and o-xylene) onto thermally-activated carbon obtained from coconut shell. The kinetic parameters were obtained experimentally in batch reactors and a fixed-bed column for mono and multi BTX compounds, and competitiveness for the active site of adsorption was also investigated. Most studies in the literature are addressed the single component adsorption and the competitive and additive effect of the compounds by active site is not much explored. This effect is of great importance for obtaining the operational conditions in an adsorption column operating with multicomponent removal. The adsorption isotherms were obtained for the mono and multicomponent compounds with the aim of understanding the thermodynamic equilibrium parameters. The model which provided the best results was the Langmuir isotherm model both for individual compounds and for the mixture. Experimental tests showed that of the three compounds studied, o-xylene is the most competitive contaminant for the active site of adsorption. This finding is related to the interaction with the material surface, molecular weight and solubility of the compounds. Tests were carried out varying the operating conditions of the column and adsorption along the bed was analyzed. In this study a phenomenological model that describes the process involved in the removal of BTX compounds in a fixed-bed column of activated carbon was applied. The model considers the mass transfer resistance inside and outside the adsorbent particle. The equations were discretized using the Finite Volume Method with the interpolation functions WUDS (Weighted Upstream Differencing Scheme) and CDS (Central Difference Scheme). The computational algorithm was developed in FORTRAN language. The results obtained by breakthrough curves simulation showed good agreement when compared with experimental data (maximum error of 11.52%). A parametric sensitivity analysis of the operational conditions of the adsorption process was performed and the results were compared with experimental data. The simulation results and experimental results showed that the parameters influencing the adsorption of BTX compounds can be used together with the mathematical model and the numerical methodology as a tool to predict the dynamic behavior and stationary process of mono and multicomponent adsorption, and thereby design an economically optimized adsorption column. The regeneration of the bed with water as a solvent at different pH values was found to be ineffective; however, methanol and ethanol provided better results. The best results for the desorption of BTX compounds from the adsorbent were obtained with ethanol as a solvent, obtaining average removal percentages in the regeneration cycles of 90% for benzene, 82% for toluene and 78% for o-xylene. This solvent was thus chosen as the desorbent solvent in this study since it is non toxic, allows good contaminant recovery and is produced on a large-scale in Brazil

Simulação do processo da absorção do ferro presente em águas de abastecimento da indústria de alimentos

Adsorption processes have been quite effective when removing contaminants from liquid streams, especially in water treatment. This paper aims to present a phenomenological model which describes the process of iron removal by adsorption in a fixed bed column, by using NaY zeolite as adsorbent. The mathematical model considers the resistance to mass transfer inside and outside the adsorbent particle. The Finite Volumes Method was used in the discretization of differential equations that describe the phenomenon, thereby creating a computational code developed from the mathematical modeling. The numerical results obtained by simulation have been compared in order to obtain a good correlation, compared to experimental data in the literature. The formulation of the computational code provides an important tool for the design of adsorptive columns, in which can be dimensioned to industrial scale.Os processos de adsorção têm se mostrado bastante eficientes na remoção de contaminantes em efluentes líquidos, especialmente no tratamento de água. Este trabalho tem por objetivo apresentar um modelo fenomenológico que descreva o processo de remoção do ferro através da adsorção em uma coluna de leito fixo, utilizando-se zeólita NaY como adsorvente. O modelo matemático considera as resistências de transferência de massa interna e externa à partícula do adsorvente. Foi usado Método de Volumes Finitos na discretização das equações diferenciais que descrevem o fenômeno, para então criar um código computacional desenvolvido a partir da modelagem matemática. Foram comparados os resultados numéricos obtidos através da simulação objetivando obter uma boa correlação quando comparados com dados experimentais encontrados na literatura. A formulação do código computacional proporciona o uso de uma ferramenta importante para o dimensionamento de colunas adsortivas, nas quais poderão ser dimensionadas para escala industrial

KINETIC STUDY ON THE REMOVAL OF BTX COMPOUNDS IN BATCH REACTOR USING ACTIVATED CARBON FROM COCONUT SHELL AS THE ADSORBENT

The adsorption kinetics of BTX compounds (benzene, toluene, o-xylene) in aqueous solution was investigated in a batch reactor at 23 ±1°C using a commercial thermally-activated coconut shell carbon. The solution pH did not affect the adsorption and the thermal activation of the adsorbent produced a higher amount of negative charges on the surface, increasing the adsorption efficiency, due to the weakly positive charges of the BTX molecules. In order to determine the mechanism and the limiting step of the adsorption process, the kinetics data were fitted using different models: the pseudo-first-order, pseudo-second-order and intraparticle diffusion models. The pseudo-second-order model was more appropriate for describing the adsorption rate based on the high correlation coefficient (R2) and because the qe calculated was reasonably similar to qe experimental values. Through a detailed study involving kinetic experiments it was also possible to identify the controlling stage of the process from the fitting of the intraparticle diffusion model. The high values for the correlation coefficients indicated that the process is strongly controlled by the second-stage of the diffusion for all compounds studied at different concentrations.A cinética de adsorção dos compostos BTX (benzeno, tolueno, o-xileno) em solução aquosa foi investigada em um reator em batelada a 23 ±1°C usando carvão de casca de coco ativado termicamente comercial, como adsorvente. O pH da solução não afetou a adsorção e a ativação térmica do adsorvente produziu uma maior quantidade de cargas negativas na superfície, aumentando a eficiência de adsorção, devido às cargas das moléculas dos BTX serem fracamente positivas. Para determinar o mecanismo e a etapa limitante do processo de adsorção, os dados cinéticos foram ajustados usando diferentes modelos: modelos de pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem e difusão intrapartícula. O modelo de pseudo-segunda ordem foi o mais apropriado para descrever a taxa de adsorção com base no alto coeficiente de correlação (R2) e porque o qe calculado utilizando o modelo de pseudo-segunda ordem foi razoavelmente semelhante aos valores experimentais. Através de um estudo detalhado envolvendo os experimentos cinéticos, também foi possível identificar o estágio controlador do processo a partir do ajuste do modelo de difusão intrapartícula. Os valores elevados para os coeficientes de correlação indicaram que o processo é fortemente controlado pelo segundo estágio da difusão para todos os compostos estudados em diferentes concentrações

Utilização de lodo ativado como adsorvente na remoção de Fe (III) de água de abastecimento das indústrias alimenticias - ensaios experimentais e simulação numérica

Um dos principais problemas encontrados nas águas de abastecimento da indústria de alimentos da região Oeste de Santa Catarina - Brasil, é a elevada concentração de Fe (III) na etapa final do processo de tratamento. Quando encontrado em concentrações maiores que 0,3 mg.L-1, pode causar sabor adstringente, coloração amarelada e depósitos indesejáveis em tubulações. Dentre várias tecnologias utilizadas, o processo de adsorção vem sendo utilizado e se mostrando bastante eficaz. Assim, neste trabalho, estudou-se a remoção de Fe (III) em solução aquosa a 23 ºC em reator batelada com objetivo de obter parâmetros cinéticos e de equilíbrio termodinâmico para posteriormente simular as melhores condições operacionais de uma coluna de adsorção em leito fixo. O modelo de isoterma de adsorção utilizado para descrever o equilíbrio foi o modelo de Langmuir. As equações matemáticas foram implementadas e resolvidas em linguagem de programação FORTRAN. O código computacional foi validado com dados experimentais encontrados na literatura. Na realização da simulação numérica pode-se observar a influência de algumas variáveis de operação, sendo que o aumento da vazão de alimentação, da porosidade do leito e a diminuição da altura do leito fazem com que o adsorvente seja saturado mais rapidamente. De acordo com os resultados, observou-se que o adsorvente estudado mostra-se uma alternativa na remoção de Fe (III) de águas de abastecimento para indústrias alimentícias, deixando em evidência a dupla função que o mesmo apresenta sendo ele oriundo de lodo de tratamento de efluentes industriais

Simulação do processo da absorção do ferro presente em águas de abastecimento da indústria de alimentos

Os processos de adsorção têm se mostrado bastante eficientes na remoção de contaminantes em efluentes líquidos, especialmente no tratamento de água. Este trabalho tem por objetivo apresentar um modelo fenomenológico que descreva o processo de remoção do ferro através da adsorção em uma coluna de leito fixo, utilizando-se zeólita NaY como adsorvente. O modelo matemático considera as resistências de transferência de massa interna e externa à partícula do adsorvente. Foi usado Método de Volumes Finitos na discretização das equações diferenciais que descrevem o fenômeno, para então criar um código computacional desenvolvido a partir da modelagem matemática. Foram comparados os resultados numéricos obtidos através da simulação objetivando obter uma boa correlação quando comparados com dados experimentais encontrados na literatura. A formulação do código computacional proporciona o uso de uma ferramenta importante para o dimensionamento de colunas adsortivas, nas quais poderão ser dimensionadas para escala industrial

Utilização de lodo ativado como adsorvente na remoção de Fe (III) de água de abastecimento das indústrias alimenticias - ensaios experimentais e simulação numérica

Um dos principais problemas encontrados nas águas de abastecimento da indústria de alimentos da região Oeste de Santa Catarina - Brasil, é a elevada concentração de Fe (III) na etapa final do processo de tratamento. Quando encontrado em concentrações maiores que 0,3 mg.L-1, pode causar sabor adstringente, coloração amarelada e depósitos indesejáveis em tubulações. Dentre várias tecnologias utilizadas, o processo de adsorção vem sendo utilizado e se mostrando bastante eficaz. Assim, neste trabalho, estudou-se a remoção de Fe (III) em solução aquosa a 23 ºC em reator batelada com objetivo de obter parâmetros cinéticos e de equilíbrio termodinâmico para posteriormente simular as melhores condições operacionais de uma coluna de adsorção em leito fixo. O modelo de isoterma de adsorção utilizado para descrever o equilíbrio foi o modelo de Langmuir. As equações matemáticas foram implementadas e resolvidas em linguagem de programação FORTRAN. O código computacional foi validado com dados experimentais encontrados na literatura. Na realização da simulação numérica pode-se observar a influência de algumas variáveis de operação, sendo que o aumento da vazão de alimentação, da porosidade do leito e a diminuição da altura do leito fazem com que o adsorvente seja saturado mais rapidamente. De acordo com os resultados, observou-se que o adsorvente estudado mostra-se uma alternativa na remoção de Fe (III) de águas de abastecimento para indústrias alimentícias, deixando em evidência a dupla função que o mesmo apresenta sendo ele oriundo de lodo de tratamento de efluentes industriais

Biosorption of metal ions using a low cost modified adsorbent (<i>Mauritia flexuosa</i>): experimental design and mathematical modeling

<p>Buriti fibers were subjected to an alkaline pre-treatment and tested as an adsorbent to investigate the adsorption of copper, cadmium, lead and nickel in mono- and multi-element aqueous solutions, the results showed an increase in the adsorption capacity compared to the unmodified Buriti fiber. The effects of pH, adsorbent mass, agitation rate and initial metal ions concentration on the efficiency of the adsorption process were studied using a fractional 2⁴⁻¹ factorial design, and the results showed that all four parameters influenced metal adsorption differently. Fourier transform infrared spectrometry and X-ray fluorescence analysis were used to identify the groups that participated in the adsorption process and suggest its mechanisms and they indicated the probable mechanisms involved in the adsorption process are mainly ion exchange. Kinetic and thermodynamic equilibrium parameters were determined. The adsorption kinetics were adjusted to the homogeneous diffusion model. The adsorption equilibrium was reached in 30 min for Cu²⁺ and Pb²⁺, 20 min for Ni²⁺ and instantaneously for Cd²⁺. The results showed a significant difference was found in the competitiveness for the adsorption sites. A mathematical model was used to simulate the breakthrough curves in multi-element column adsorption considering the influences of external mass transfer and intraparticle diffusion resistance.</p