Questão 40 Unicamp 2022 - 1ª fase - Elite Colégio e Pré-Vestibular

Questão 40

Química Descritiva Expressões de Concentração Fracionamento

O sistema PSA (Pressure Swing Adsorption) é uma alternativa à produção de oxigênio para hospitais ou indústrias distantes de fornecedores. Esse sistema é também uma opção para os casos em que a produção por destilação criogênica não supre a demanda. O funcionamento do PSA se baseia na adsorção seletiva do oxigênio ou do nitrogênio. O ar pressurizado é forçado a passar por colunas contendo substâncias sólidas. Tais substâncias adsorvem seletivamente ou o oxigênio ou o nitrogênio. Quando o sólido fica saturado, promove-se uma despressurização do sistema e então o gás se dessorve do sólido. Dessa forma, os dois principais gases do ar são separados um do outro. A figura A esquematiza o sistema de funcionamento do PSA e os gráficos 1 e 2 representam isotermas de adsorção (estudo do equilíbrio a uma temperatura constante) de $N_{2}$ e $O_{2}$ para dois adsorventes distintos. O gráfico 1 diz respeito a um complexo do metal cobalto denominado CoBTTri, enquanto o gráfico 2 diz respeito a um zeólito representado pela fórmula NaX.

Considerando as figuras, é correto afirmar que a separação a que se refere o texto seria possível utilizando-se

a)	apenas o material NaX. O oxigênio seria obtido na pressurização do sistema.
b)	qualquer um dos dois materiais. O oxigênio seria obtido na despressurização do sistema apenas no caso do CoBTTri.
c)	apenas o material CoBTTri. O oxigênio seria obtido na pressurização do sistema.
d)	qualquer um dos dois materiais. O oxigênio seria obtido na despressurização do sistema apenas no caso do NaX.

Resolução

A seletividade de adsorção dos materiais sólidos (CoBTTri e NaX) se refere à "preferência" de adsorção em maior quantidade para $O_{2}$ ou $N_{2}$ . A análise dos gráficos permite concluir que o CoBBTri é seletivo à $O_{2}$ , visto que a quantidade de $O_{2}$ adsorvida é maior que a $N_{2}$ , ao passo que o sólido NaX é seletivo à $N_{2}$ , visto que a quantidade de $N_{2}$ adsorvida é maior em relação à de $O_{2}$ .

Com ambos os sólidos adsorventes é possível obter oxigênio com maior pureza, no entanto, a ordem cronológica de sua obtenção é diferente em cada caso. Com o CoBTTri, o oxigênio é preferencialmente adsorvido, portanto, o gás obtido na saída do sistema (figura A) é mais rico em nitrogênio. Após a passagem do gás, o sistema será despresurizado e diminuindo a adsorção dos gases do sólido, sendo que o gás obtido na saída do sistema nesta etapa tem maior teor de oxigênio. O gráfico apresentado não apresenta o momento da saturação do sistema relatado no texto, no entanto, podemos tomar o ponto de maior pressão como referência. Sendo assim, após a despressurização (1 bar para 0 bar) teremos as seguintes quantidades de gases por grama de material:

$O_{2} : n_{(O 2, 1 b a r)} - n_{(O 2, 0 b a r)} = 5 m m o l - 1, 5 m m o l = 3, 5 m m o l$

$N_{2} : n_{(N 2, 1 b a r)} - n_{(N 2, 0 b a r)} = 2, 0 m m o l - 0 m m o l = 2, 0 m m o l$

O teor de oxigênio no gás após a despressurização seria em torno de 63% mol/mol. Repetindo-se o processo o gás oxigênio será obtido cada vez mais puro durante a despressurização.

Utilizando um sistema contendo o sólido NaX como adsorvente, o gás nitrogênio será adsorvido preferencialmente, portanto, na saída do sistema teremos um gás com teor de oxigênio maior em relação ao inicial. Repetindo-se o processo com o gás de saída, o oxigênio seria obtido cada vez mais puro durante a pressurização. Ainda neste sistema, a despressurização do sistema fornecerá um gás com maior teor de $N_{2}$ :

$O_{2} : n_{(O 2, 1 b a r)} - n_{(O 2, 0 b a r)} = 0, 1 m m o l - 0 m m o l = 0, 1 m m o l$

$N_{2} : n_{(N 2, 1 b a r)} - n_{(N 2, 0 b a r)} = 0, 45 m m o l - 0 m m o l = 0, 45 m m o l$

O teor de oxigênio no gás seria em torno de 18% mol/mol e repetindo-se o processo o gás nitrogênio seria obtido cada vez mais puro na despressurização.

Portanto, com ambos adsorventes é possível obter oxigênio com elevada pureza sendo este obtido durante a despressurização no sistema contendo CoBTTri como adsorvente ou durante a pressurização do sistema contendo o NaX como adsorvente.

a) Incorreto. Ambos os processos permitem obter gás oxigênio com elevada pureza.

b) Correto.

c) Incorreto. Ambos os processos permitem obter gás oxigênio com elevada pureza e, além disso, o oxigênio seria obtido na despressurização do sistema contendo CoBTTri.

d) Incorreto. O oxigênio seria obtido na pressurização do sistema contendo NaX como adsorvente.