Estudos de adsorção para purificadores de ar à base de carbono

Abstract

A qualidade do ar tem impacto na saúde da população, podendo aumentar a mortalidade por ataque vascular cerebral, doenças cardíacas, doença pulmonar obstrutiva crónica, cancro do pulmão e infeções respiratórias agudas. A população permanece grande parte do seu tempo em espaços fechados, tendo-se verificado uma maior preocupação com a qualidade do ar interior. Os principais contaminantes presentes no ar são gases como o monóxido de carbono e os óxidos de nitrogénio, compostos orgânicos voláteis (VOC), matéria particulada e organismos de origem biológica. Nesta tese, estudou-se a potencialidade de diferentes materiais adsorventes à base de carbono para a remoção de VOC. Preparou-se uma montagem para estudos de adsorção em contínuo e efetuaram-se testes de adsorção usando acetaldeído como VOC modelo. Mediram-se as curvas de rutura, a partir das quais determinou-se o tempo estequiométrico, a capacidade de adsorção em equilíbrio e a eficiência de regeneração. O carvão ativado RCV3, derivado da biomassa vegetal, mostrou ser o melhor adsorvente testado, uma vez que apresentou elevada capacidade de adsorção em equilíbrio (qeq) e eficiência de regeneração: qeq =0.57nnol/g para o primeiro ciclo e uma eficiência de regeneração de 86% e 82% para o segundo e terceiro ciclo, respetivamente. Estudou-se a influência da temperatura de regeneração do desempenho do adsorvente, efetuando-se ensaios a duas temperaturas de regeneração diferentes ( 180ºC e 120ºC), para os dois carvões ativados comerciais, nomeadamente Kuraray 2GA - H2 e Norit . A eficiência de regeneração foi mais alta para o adsorvente Kuraray 2GA - H2 regenerado a 180ºC após o primeiro ciclo; em ciclos consecutivos não se verificou uma influência considerável da temperatura na eficiência de regeneração. Ajustaram-se diferentes modelos à isotérmica de equilíbrio de adsorção do carvão ativado Kuraray 2GA - H2, tendo-se verificado que o modelo de Langmuir foi o que se ajustou melhor aos pontos experimentais (AARD de 3.03, R2 de 0.9962), dando uma capacidade de monocamada de 0.7540 mmol/g e constante de equilíbrio de adsorção de 0.0126 ppm-1. Os materiais à base de carbono, como os carvões ativados, são promissores para a remoção de VOC presentes no ar de espaços interiores, podendo ser regenerados com vista a aumentar o tempo de vida útil dos equipamentos de purificação do ar, e evitar a substituição regular do adsorvente (e formação de resíduos) por parte do consumidor final.

Air quality has an impact on the population’s heath, it may increase mortality due to stroke, heart disease, chronic obstructive pulmonary disease, lung cancer or acute respiratory infections. The population spends a large part of daily hours in closed spaces, so there is great concern with indoor air quality. The main contaminants present in the air are gases such as carbon monoxide and nitrogen oxides, volatile organic compounds (VOC), particulate matter and microorganisms. In this thesis, the performances of several carbon-based adsorbents for VOC removal were investigated. An experimental setup was prepared for adsorption studies under continuous flow operation. Adsorption tests were carried out using acetaldehyde as model VOC. The rupture curves were measured to determine the stoichiometric time, the equilibrium adsorption capacity and the regeneration efficiency. The RCV3 activated carbon, derived from vegetable biomass, proved to be the best-performing adsorbent, as it showed high equilibrium adsorption capacity (qeq) and regeneration efficiency: qeq =0.57nnol/g for the first cycle and a regeneration efficiency of 86% and 82% for the second and third cycle, respectively. The influence of the regeneration temperature on the adsorbent´s performance was studied for two commercial activated carbons, namely Kuraray 2GA - H2 and Norit, regenerated at 180ºC or 120ºC. The regeneration efficiency was higher for the adsorbent Kuraray 2GA - H2 regenerated at 180ºC after the first cycle; in consecutive cycles there was no considerable influence of temperature on the regeneration efficiency for the two materials. Different models were fitted to the adsorption equilibrium isotherm of Kuraray 2GA - H2. The Langmuir model fitted best the experimental data (AARD of 3.3, R2, of 0.9962) giving a monolayer capacity of 0.7540mmol/g and an adsorption equilibrium constant of 0.0126ppm-1. Carbon-based materials such as activated carbons are promising for the removal of VOC from indoor air, and may be regenerated, increasing the lifetime of the air purification equipment, and avoiding the regular replacement (and waste formation) of the adsorbent by the final consumer.