Em um processo de absorção de CO2 em agua, o gás entra em contato com o líquido em uma coluna de absorção
Sabe-se que a concentração de CO2 no gás é maior que a concentração de equilíbrio na interface gás líquido
Com base nesse cenário, assinale a alternativa correta E JUSTIFIQUE SUA RESPOSTA.
A) A transferência de massa ocorre do líquido para o gás, pois o líquido possui maior capacidade de dissolução.
B) A força motriz para a transferência de massa é a diferença de pressão total do sistema.
C) A transferência de
ocorre do gás para o líquido devido a diferença de concentração em relação ao equilíbrio, que atua como força motriz.
D) Não há transferência de massa, pois o sistema está em contato direto entre as fases.
E) A taxa de transferência de massa independe da diferença de concentração entre as fases.
JUSTIFICATIVA:
A) A transferência de massa ocorre do líquido para o gás, pois o líquido possui maior capacidade de dissolução.
B) A força motriz para a transferência de massa é a diferença de pressão total do sistema.
C) A transferência de
D) Não há transferência de massa, pois o sistema está em contato direto entre as fases.
E) A taxa de transferência de massa independe da diferença de concentração entre as fases.
Passo 1
O enunciado nos dá as seguintes informações:
- Há um processo de absorção de
em água numa coluna de contato gás-líquido. - A concentração de
na fase gás (no bulk do gás) é maior do que a concentração de equilíbrio na interface gás–líquido.
A pergunta implícita é: qual alternativa está correta, e justificar a escolha.
Passo 2
O que significa “concentração de equilíbrio na interface”?
Quando duas fases estão em contato (gás e líquido), a superfície onde elas se tocam tende a estar em equilíbrio local entre as duas fases. Para um componente (
aqui), isso significa que a quantidade de
que estaria dissolvida na fase líquida junto à interface tem um valor relacionado à fração/pressão parcial de
na fase gasosa junto à interface. Essa relação de equilíbrio é dada por uma lei de equilíbrio (por exemplo, a lei de Henry). Vou explicá‑la direito no próximo passo.
Quando duas fases estão em contato (gás e líquido), a superfície onde elas se tocam tende a estar em equilíbrio local entre as duas fases. Para um componente
Passo 3
Lei de Henry (no formato prático usado em absorção): existe uma constante de Henry
tal que, na interface em equilíbrio,
onde:
-
é a pressão parcial de (aqui ) exatamente na fase gasosa junto à interface; -
é a concentração de na fase líquida exatamente na interface; -
é a constante de Henry (unidades dependem da forma usada).
Outra forma equivalente, usada às vezes, é
O ponto importante: existe um valor de concentração na fase líquida que corresponde ao equilíbrio com uma dada pressão parcial do gás. Se a concentração líquida fosse maior que esse
de equilíbrio, o componente tenderia a passar para o gás; se for menor, tenderá a entrar no líquido.
Passo 4
Força motriz para a transferência de massa e lei de Fick (intuição simples).
A transferência de massa por difusão é dirigida por uma diferença de concentração (ou diferença de potencial químico). Em forma simples, a lei de Fick unidimensional diz
A transferência de massa por difusão é dirigida por uma diferença de concentração (ou diferença de potencial químico). Em forma simples, a lei de Fick unidimensional diz
onde:
-
é o fluxo molar de (mol·m{-2}·s{-1}), -
é o coeficiente de difusão, -
é o gradiente de concentração.
Na prática de engenharia de absorção usamos uma versão com coeficientes globais:
ou, formulada na fase gás,
onde:
-
é a taxa molar por área (positivo no sentido do gás para o líquido); -
e são coeficientes de transferência de massa nas fases líquida e gasosa; -
é a concentração de no bulk do líquido; -
é a concentração de na interface (em equilíbrio com o gás na interface); -
e são frações molares (ou pressões parciais normalizadas) de no bulk do gás e na interface, respectivamente.
Observe a estrutura: o fluxo é proporcional a uma diferença entre uma grandeza no bulk e a mesma grandeza no limite de equilíbrio (interface). Essa diferença é a força motriz.
Passo 5
Aplicando ao enunciado.
O enunciado diz que a concentração de no gás (isto é, no bulk gasoso) é maior que a concentração de equilíbrio na interface gás‑líquido. Em termos de grandezas de gás isso significa, por exemplo, que
(ou, em pressões,
). Usando a forma da taxa na fase gás,
O enunciado diz que a concentração de
Se
então
, ou seja, o fluxo é do gás em direção ao líquido (positivo no sentido gás → líquido). Equivalentemente, usando a forma na fase líquida com Henry, a concentração interfacial de equilíbrio
corresponde àquela pressão do gás na interface; se a concentração efetiva do componente no gás empurra para um
maior do que o que existe no líquido, o componente entra no líquido até o equilíbrio. Em linguagem direta: quando o gás tem mais
do que o que seria o equilíbrio na interface, o
se dissolve — ou seja, vai do gás para o líquido.
Passo 6
Por que as outras alternativas estão incorretas (comentário curto e claro):
- A) “A transferência de massa ocorre do líquido para o gás, pois o líquido possui maior capacidade de dissolução.” — Errado. A direção não é definida pela “capacidade de dissolução” isolada; é definida pela diferença entre as concentrações reais e de equilíbrio. O enunciado diz que o gás tem maior concentração do que o equilíbrio à interface, logo o fluxo é do gás para o líquido, não o contrário.
- B) “A força motriz é a diferença de pressão total do sistema.” — Errado. A pressão total não é a força motriz; a força motriz relevante é a diferença de concentração ou de pressão parcial do componente
(ou a diferença entre a concentração no bulk e a concentração de equilíbrio na interface). Pressão total pode influenciar propriedades, mas não é a variável de força motriz para transferência de um componente específico. - D) “Não há transferência de massa, pois o sistema está em contato direto entre as fases.” — Errado. Contato direto permite transferência; não a impede. Se não houvesse diferença em relação ao estado de equilíbrio, aí não haveria transferência. Mas aqui há diferença, logo há transferência.
- E) “A taxa de transferência independe da diferença de concentração entre as fases.” — Errado. A taxa é diretamente proporcional (via coeficiente de transferência) à diferença de concentração (ou diferença de concentração-equilíbrio); essa diferença é exatamente a força motriz.
Passo 7
Resumo (jeito de prova): a força motriz para absorção de um componente é a diferença entre a concentração (ou pressão parcial) na fase de onde ele vem e a concentração de equilíbrio na interface. Se a concentração no gás é maior que a correspondente de equilíbrio na interface, a transferência ocorre do gás para o líquido. Isso corresponde exatamente à alternativa C.
Resposta
C) A transferência de
ocorre do gás para o líquido devido a diferença de concentração em relação ao equilíbrio, que atua como força motriz.