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http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AEAP75| Tipo: | Tese de Doutorado |
| Título: | Modelagem da adsorção de manganês em carvão de ossos bovinos |
| Autor(es): | Marcio Eustaquio Maria |
| primer Tutor: | Marcelo Borges Mansur |
| primer miembro del tribunal : | Leandro Soares de Oliveira |
| Segundo miembro del tribunal: | Ana Claudia Queiroz Ladeira |
| Tercer miembro del tribunal: | Angela de Mello Ferreira Guimarães |
| Cuarto miembro del tribunal: | Dalila Chaves Sicupira |
| Resumen: | No presente estudo, foi desenvolvida a modelagem matemática da dinâmica de adsorção da espécie manganês Mn2+ em carvão de ossos bovinos. O sistema foi equacionado em duas etapas e validado utilizando-se dados experimentais obtidos em ensaios de laboratório: (i) Modelagem da adsorção descontínua em um ensaio de volume finito (batelada); e (ii) Modelagem da adsorção contínua em uma coluna de leito fixo. Para a adsorção descontínua, duas formulações matemáticas foram adotadas para descrever o processo difusional intrapartícula: modelo da difusão e modelo topoquímico (ou modelo do núcleo não reagido). Para o modelo da difusão, utilizou-se um sistema de equações diferenciais parciais, e para o modelo topoquímico, um sistema de equações diferenciais ordinárias (problema de valor inicial). Ambas descreveram adequadamente o comportamento experimental da adsorção de manganês, nas condições experimentais avaliadas (R² > 0,97 e erro relativo < 15%). A adsorção do íon metálico Mn2+ foi favorecida quando foram utilizadas partículas menores, em decorrência do aumento na área de contato e o melhor acesso de manganês aos sítios ativos, e maiores razões sólido-líquido, em decorrência do aumento no número de sítios ativos disponíveis. Particularmente o modelo de difusão descreveu melhor a operação quando partículas pequenas foram empregadas (dp 0,147mm), enquanto que o modelo topoquímico descreveu melhor a operação para partículas adsorventes maiores (dp > 0,147mm). Na segunda etapa do trabalho, optou-se pelo modelo topoquímico para descrever o processo cinético-difusivo intrapartícula e o modelo backmixing para descrever o escoamento da fase aquosa através da coluna, resultando em um sistema de equações diferenciais ordinárias (problema de valor inicial). O modelo foi usado para simular as condições experimentais avaliadas, i.e., efeito da vazão de alimentação da coluna (3,0-7,5ml/min) e da altura do leito (8-16cm), descrevendo adequadamente os comportamentos esperados (R² > 0,99 e erro relativo < 15%). Parâmetros hidrodinâmicos e cinético-difusivos foram obtidos por meio do ajuste dos modelos desenvolvidos aos dados experimentais. Em todas as condições do estudo, a difusão intrapartícula foi a etapa mais lenta do processo e, por essa razão, controlou o processo global de adsorção de manganês. O trabalho resultou no desenvolvimento de um modelo matemático relativamente simples para descrever a dinâmica da adsorção de manganês (Mn2+) em colunas de leito fixo, sem a necessidade de equações diferenciais parciais e sem dispensar o rigor descritivo dos principais fenômenos envolvidos que ocorrem simultaneamente durante a operação. |
| Abstract: | In the present study, a mathematical model was developed to describe the dynamics of manganese adsorption onto bovine bone char. The model was developed in two steps and validated using experimental data obtained by Sicupira (2012): (i) Modeling of batch adsorption in a finite batch volume, and (ii) Modeling of the continuous adsorption in a fixed bed column. In the first step, two mathematical formulations were used to describe the intraparticle diffusional process: diffusion model and shrinking core model. The first formulation consists of a partial differential equations system, while the second consists of an ordinary differential equations system (initial value problem). Both formulations adequately described the experimental adsorption behavior of manganese onto bone char in operating conditions evaluated experimentally (R² > 0.97 and relative error < 15%). The metal adsorption was enhanced when smaller particles were used, due to the increase in the contact area and easier manganese access to the active sites, and when larger solid-liquid ratios were used, due to the increase in the number of active sites available. Particularly the diffusion model best described the batch operation when small particles were employed (dp 0.147mm), while the shrinking core model best described the operation when larger adsorbent particles were used (dp > 0.147mm). In the second step of the work, the shrinking core model was chosen to describe the kinetic-diffusive intraparticle process and the backmixing model was chosen to describe the hydrodynamics of the column, resulting in an ordinary differential equations system (initial value problem). The model was used to simulate the experimental conditions evaluated, namely, the feed flow of the column (3.0 to 7.5ml/min) and the bed column height (8-16cm). The model adequately described the experimental behavior expected (R² > 0.99 and relative error < 15%). Hydrodynamic and kinetic-diffusive parameters were obtained by data fitting using the developed models. In all studied conditions, the intraparticle diffusion represented the slowest step of the process, and consequently controlled the overall manganese adsorption process. This work contributed to the development of a relatively simple mathematical model to describe the dynamics of adsorption of metals in fixed bed columns, without using partial differential equations and keeping the rigorous description of the main phenomena that occur simultaneously during operation. |
| Asunto: | Engenharia de minas |
| Idioma: | Português |
| Editor: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Sigla da Institución: | UFMG |
| Tipo de acceso: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AEAP75 |
| Fecha del documento: | 31-may-2016 |
| Aparece en las colecciones: | Teses de Doutorado |
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