Desmistificando Adsorvente vs Absorvente: Implicações e usos

Introdução ao Adsorvente e ao Absorvente

No domínio da ciência dos materiais, as pessoas podem utilizar os termos "adsorvente" e "absorvente" indistintamente; no entanto, referem-se a fenómenos diferentes. É importante fazer uma distinção entre adsorção e absorção quando se escolhem materiais e métodos adequados em muitas indústrias. A adsorção refere-se a quando as moléculas ou iões aderem à superfície de um material, enquanto a absorção significa que as substâncias se infiltram no interior de um material. Este documento abordará em pormenor a questão do adsorvente e do absorvente, os seus mecanismos e aplicações na vida real.

Para compreender a importância da adsorção e da absorção, considere esta estatística: até 2025, o mercado global de peneiras moleculares, que é um dos principais adsorventes, atingirá o valor de 5,8 mil milhões de dólares, com uma taxa de crescimento anual (CAGR) de 5,6% durante o período compreendido entre 2020 e 2025 (MarketsandMarkets, 2020). O seu crescimento é impulsionado pela necessidade crescente de peneiras moleculares utilizadas em várias aplicações, como a separação de gases, o processamento petroquímico e a catálise. Os crivos moleculares são amplamente utilizados na indústria do petróleo e do gás para a purificação do gás natural, bem como para a remoção de contaminantes como a água, os compostos de enxofre, o dióxido de carbono, etc. Ao discutirmos a distinção entre adsorventes e absorventes, lembre-se da sua influência significativa na nossa vida quotidiana e nas indústrias.

Ausente em e ocupado por produtos comuns

Produtos de adsorção-utilização

Diferentes produtos e procedimentos dependem da adsorção. Por exemplo, o carvão ativado é um dos adsorventes mais comuns utilizados em filtros de água, purificadores de ar e máscaras de gás. Devido à sua elevada área de superfície e estrutura porosa, absorve facilmente impurezas, odores ou contaminantes. Outro exemplo é o gel de sílica, que se encontra normalmente em pacotes dessecantes que acompanham dispositivos electrónicos ou vestuário. O gel de sílica absorve a humidade do ar para evitar danos em artigos delicados. O crivo molecular, a alumina ou os zeólitos são exemplos de adsorventes utilizados em cromatografia para separar e purificar misturas com base na adsorção selectiva de diferentes componentes.

Produtos baseados na absorção

Existem também muitos produtos absorventes que utilizamos no nosso quotidiano. Exemplos clássicos de materiais absorventes incluem toalhas de papel e esponjas que absorvem derrames de líquidos. Os polímeros superabsorventes são utilizados nas fraldas e nos produtos de higiene feminina porque podem absorver grandes quantidades de líquidos sem voltar a vazá-los). Em medicina, os pensos absorventes para feridas são utilizados para tratar os exsudados e facilitar a cicatrização. Absorventes industriais feitos de polipropileno ou materiais à base de celulose são utilizados durante a limpeza de derramamentos de óleo e produtos químicos, como o Oil Spill Eater II (OSE II) da Sorbents International. Eles atraem líquidos para sua estrutura em massa, contendo-os efetivamente, após o que eles podem ser removidos do ambiente.

Comparação pormenorizada: Adsorção vs Absorção

Fenómeno de massa versus fenómeno de superfície

O local onde o processo ocorre representa uma das principais distinções entre adsorção e absorção. A adsorção é um fenómeno de superfície em que as moléculas ou iões de uma substância a ser adsorvida (adsorbato) aderem à superfície de um material adsorvente. Este fenómeno é provocado por forças intermoleculares. O adsorbato forma uma película fina na superfície do adsorvente, mas não penetra na sua massa. Por outro lado, a absorção é a penetração de um absorvente (substância que está a ser absorvida) na estrutura do material absorvente. As moléculas absorvidas dispersam-se pelo material ocupando os espaços entre as moléculas absorventes.

Troca de calor e necessidades energéticas

Os processos de adsorção e absorção implicam frequentemente trocas de calor e têm necessidades energéticas diferentes. Normalmente, a adsorção é considerada um processo exotérmico, o que significa que há uma libertação de calor à medida que as moléculas de adsorvato aderem às superfícies de um adsorvente, uma vez que estas interações provocam uma diminuição da energia em todo o sistema. Alguns exemplos comuns de adsorção incluem a utilização de carvão ativado para remover impurezas da água ou do ar e a utilização de sílica gel para adsorver a humidade do ar. No entanto, noutros casos, a absorção pode ser um processo exotérmico ou um processo endotérmico (absorção de calor), dependendo do sistema específico e da forma como ambos reagem entre si, por exemplo, a relação absorvente-adsorvente que prevalece no seu interior. Isto implica que, para um dado processo, a quantidade de energia necessária variará com base em factores como o aspeto de solubilidade entre o absorvente e o absorvato, bem como a intensidade da força intermolecular.

Dependência da temperatura e da pressão

A temperatura e a pressão são factores significativos em ambos os processos: absorção e adsorção. A temperaturas mais baixas, as partículas individuais conservam mais energia cinética, o que leva a uma baixa probabilidade de aderência às superfícies, o que resulta em condições mais favoráveis do que a temperaturas mais elevadas, uma vez que, a temperaturas mais elevadas, a temperatura aumenta e, em seguida, absorve maiores quantidades desta superfície devido ao aumento das suas energias, o que leva a uma maior probabilidade de aderência, aumentando-as para além de determinados níveis limite. Também no que respeita aos efeitos da pressão, a adsorção é acompanhada por pressões mais elevadas, que estão associadas a maiores quantidades de adsorção. Isto deve-se ao facto de uma pressão mais elevada conduzir a um aumento da concentração de moléculas de adsorvato na superfície de um adsorvente, o que tende a promover a sua aderência.

A absorção também sofre alterações em função da temperatura e da pressão, embora isso dependa de vários factores. Por vezes, a solubilidade do absorvente aumenta com o aumento da temperatura, tornando a absorção mais eficaz a altas temperaturas. No entanto, noutros casos, as temperaturas mais elevadas diminuem a absorção porque haverá mais movimento molecular e menos atração entre elas. Para além disso, a pressão pode influenciar a absorção, especialmente em sistemas gás-líquido, uma vez que pressões mais elevadas aumentam a solubilidade do gás nos absorventes líquidos.

Mecanismos e processos

Forças de Van der Waals e ligações químicas

A adsorção pode ser entendida de forma diferente consoante a natureza do adsorvato e do adsorvente. Os principais tipos de adsorção são a fisissorção, que é uma adsorção física, e a quimissorção, que é uma adsorção química. A fisissorção liga um adsorvato à superfície de um adsorvente através de forças de van der Waals fracas, como forças de dispersão ou de indução entre moléculas polares, por exemplo. Estas forças tendem a ser relativamente fracas, tornando este tipo de processo reversível na natureza. O baixo calor de adsorção e a formação de multicamadas na fronteira adsorvente/adsorvato caracterizam a fisissorção.

Na quimisorção, as moléculas em contacto com a superfície formam ligações químicas com ela. Estas ligações químicas são mais fortes do que as envolvidas na fisissorção, como as ligações de van der Waals, pelo que envolvem frequentemente a partilha ou a transferência de electrões entre a molécula absorvente e o composto absorvente. A quimisorção ocorre de forma irreversível e apresenta um elevado calor de absorção. A cobertura de uma monocamada ocorre normalmente quando a quimissorção tem lugar em superfícies que possuem sítios específicos onde ocorre a formação de ligações químicas.

Difusão, solubilidade e ação capilar

O absorvente é absorvido pelos materiais através da permeação da sua estrutura por moléculas absorventes. O principal meio através do qual as moléculas são absorvidas é a difusão, através da qual as partículas migram de regiões com maior concentração para áreas com menor concentração em todo o material a granel em consideração. Um gradiente de concentração determinará a rapidez com que a difusão ocorre, enquanto a temperatura influencia o seu resultado.

Um segundo fator importante que influencia a absorção é a solubilidade - a quantidade de uma substância que se dissolve numa determinada fase líquida. Quanto mais solúvel for um material, maior será a sua absorção. Em certos casos, a ação capilar contribui para a absorção; por exemplo, materiais adsorventes com poros. Isto acontece quando as forças de adesão entre os absorventes líquidos e as paredes dos poros do absorvente se tornam maiores do que as forças de coesão no interior do líquido, o que faz com que o fluido seja puxado pelo adsorvente para o meio absorvente, aumentando a absorção.

Aplicações da adsorção na vida real

Adsorção no tratamento de água

Nos processos de tratamento de água, a adsorção é um processo importante para a remoção de contaminação, metais pesados e poluentes orgânicos. Por exemplo, o carvão ativado é normalmente utilizado como adsorvente em sistemas de purificação de água devido à sua elevada área de superfície e estrutura porosa. Absorve eficazmente uma grande variedade de impurezas, incluindo cloro, pesticidas, herbicidas e compostos orgânicos voláteis (COV). O processo de adsorção no tratamento da água pode ser realizado através de vários meios, tais como leito fixo ou em pó, em que o carvão ativado passa através da água, ou o carvão ativado é misturado com a água e depois separado dela por filtração, respetivamente. O pó de zeólito é outro exemplo que actua como um tipo de peneira molecular amplamente utilizado como adsorvente em sistemas de purificação de água devido à sua grande área de superfície e às suas propriedades de adsorção selectiva. As zeólitas são eficazes na absorção de muitas impurezas diferentes, como amoníaco, metais pesados e compostos orgânicos. Por exemplo, podem realizar as suas operações em modo de leito fixo ou em modo de suspensão, em que as partículas são adicionadas diretamente à água antes de serem filtradas.

Outro caso em que a adsorção ocorre no tratamento da água envolve resinas de permuta iónica. Estas resinas contêm grupos funcionais que absorvem seletivamente determinados iões da solução, substituindo-os por outros iões. Em particular, as resinas de permuta catiónica podem eliminar iões de carga positiva, como o cálcio e o magnésio, que causam a dureza da água potável. Pelo contrário, isto também pode ser feito por resinas de permuta aniónica, por exemplo, nitratos e sulfatos que têm uma carga negativa. As resinas de permuta iónica são adsorvidas de forma reversível, pelo que a regeneração é possível lavando-as com soluções concentradas que contêm iões de substituição.

Adsorção na purificação do ar

A purificação do ar é uma das principais aplicações da adsorção para remover substâncias indesejadas, odores e solventes orgânicos (COV) do ar exterior e interior. Tem sido prática comum nos sistemas de filtragem do ar a utilização de peneiras moleculares como os zeólitos como adsorventes. A estrutura cristalina do zeólito possui poros bem definidos e pode, assim, adsorver seletivamente gases ou poluentes específicos, dependendo do seu tamanho ou forma a nível molecular. Por exemplo, o dióxido de carbono, os óxidos de azoto e o dióxido de enxofre são alguns dos gases que foram removidos eficazmente pelos zeólitos dos gases de escape industriais, o que ajudou a reduzir o potencial de aquecimento global e a melhorar a qualidade do ar.

Para além dos zeólitos, o carvão ativado é outro adsorvente famoso utilizado durante o processo de limpeza do ar. É capaz de remover muitas formas de substâncias orgânicas, tais como COV, odores e gases venenosos. Nos sectores de produção, como a indústria química, onde são emitidos muitos gases para o ambiente circundante, os filtros de carvão ativado ajudam a controlar as emissões. O carvão ativado, com a sua elevada área de superfície e a sua natureza porosa, tende a reter diferentes tipos de contaminantes transportados pelo ar, deixando assim uma atmosfera mais limpa que garantirá definitivamente a segurança tanto da saúde dos trabalhadores como de todo o ecossistema.

Adsorção em processos industriais

A adsorção é um processo amplamente utilizado em processos industriais, sendo as peneiras moleculares e a alumina activada alguns dos adsorventes mais comuns. Quando se trata de purificar e separar hidrocarbonetos, os crivos moleculares são normalmente utilizados na indústria petrolífera e petroquímica. Fazem-no através da absorção selectiva de certas moléculas de hidrocarbonetos, dependendo do seu tamanho ou forma, melhorando assim a separação efectiva dos produtos desejados das misturas. Por exemplo, os zeólitos são utilizados na remoção de impurezas e na melhoria da octanagem da gasolina durante o fabrico.

A sílica-gelatina é uma substância que absorve a humidade e que possui excelentes propriedades para utilização industrial como dessecante. É frequentemente colocada em embalagens de produtos como eletrónica, medicamentos e alimentos, que de outra forma se estragariam devido à humidade. A gelatina de sílica absorve sempre a humidade do ar circundante, mantendo assim a secura dentro da embalagem. Para além disso, também ajuda na separação e purificação de vários compostos na indústria química, uma vez que é utilizada como fase estacionária na cromatografia. A afinidade com um adsorvente permite uma separação eficaz na sílica-gel devido à adsorção selectiva de diferentes substâncias.

Outro adsorvente crítico que encontra aplicações em vários sectores industriais é a alumina activada. Nas indústrias de gás natural, a alumina activada pode ser utilizada para eliminar água ou compostos de enxofre dos fluxos de gás natural; estes compostos podem ter efeitos graves nas pessoas que entram em contacto com eles, bem como causar danos em equipamentos como as condutas que os transportam. O processo de absorção da alumina activada garante que o gás natural se enquadra nas especificações rigorosas necessárias para a transmissão através de gasodutos ou para fins de consumo normal. A alumina activada também pode oferecer materiais de suporte no fabrico de catalisadores, em que os componentes metálicos activos serão suportados por este tipo de estrutura de suporte. A elevada área de superfície disponível na alumina activada devido à sua natureza porosa proporciona um meio ideal sobre o qual os metais catalíticos se podem espalhar, aumentando assim a sua atividade e seletividade no que diz respeito às reacções químicas que aí ocorrem.

Aplicações reais da absorção

Absorção em sistemas de refrigeração

Nos sistemas de refrigeração, a absorção é muito importante, especificamente no caso dos frigoríficos e chillers de absorção, que têm aplicações industriais significativas. Um refrigerante típico para estes sistemas é a água ou o amoníaco, que será absorvido por um absorvente como o brometo de lítio ou a água, respetivamente. O processo de absorção, que pode ser classificado como absorção física ou absorção química, ocorre no absorvedor, que é onde o vapor de refrigerante é absorvido pela solução absorvente, libertando assim calor. A partir daqui, o fluido frigorigéneo absorvido é bombeado para um gerador onde é aquecido, fazendo com que o fluido frigorigéneo seja dessorvido do absorvente e depois vaporizado. Mais uma vez, o vapor de refrigerante passa por todo o ciclo de arrefecimento e, ao mesmo tempo, para repetir este processo, ou seja, devolver um absorvente a um absorvedor.

Em comparação com os sistemas tradicionais de compressão de vapor, os sistemas de refrigeração por absorção apresentam várias vantagens, incluindo fontes de energia e questões ambientais. Podem funcionar com calor de baixa qualidade, como a energia residual de processos industriais ou a energia solar térmica, o que os torna mais ecológicos e eficientes. Mais uma vez, os sistemas de absorção utilizam refrigerantes que não empobrecem a camada de ozono e têm menos peças móveis, o que resulta numa manutenção mais reduzida do que neste tipo de instalações; no entanto, são maiores e mais caros do que os sistemas de compressão de vapor, pelo que não são muito utilizados.

Absorção em áreas médicas: Administração e entrega de medicamentos

No domínio da medicina, a absorção é um conceito muito importante, sobretudo na administração e distribuição de medicamentos. Quando um medicamento é tomado por via oral, tem de ser absorvido do trato gastrointestinal para a corrente sanguínea, onde pode atuar no seu órgão-alvo. Os factores que afectam a absorção do medicamento incluem a solubilidade do medicamento, o pH do ambiente gastrointestinal, a presença de alimentos no estômago, entre outros. Alguns medicamentos são concebidos para serem absorvidos rapidamente e produzirem um efeito imediato, enquanto outros foram formulados para uma absorção lenta, criando assim uma libertação sustentada da sua substância ativa ao longo do tempo.

Na administração tópica de medicamentos, a absorção também desempenha um papel importante quando os medicamentos são aplicados na pele ou nas membranas mucosas. Neste caso, por exemplo, alguns fármacos têm de ser absorvidos através da pele ou das mucosas para chegarem aos tecidos subjacentes, onde cumprem o objetivo pretendido. Por exemplo, os pensos transdérmicos são fabricados para administrar medicamentos a uma taxa constante através da pele, o que permite uma via de administração não invasiva e conveniente. A absorção de medicamentos através da pele depende de factores como a lipofilicidade dos medicamentos, o tamanho molecular e o estado da barreira queratinizada.

Absorção na vida quotidiana: Controlo de derrames

Por exemplo, no nosso dia a dia, deparamo-nos com materiais absorventes e utilizamo-los para controlar os derrames e para os limpar. Toalhas de papel, esponjas e esfregonas são todos artigos domésticos que absorvem os derrames de líquidos através da sua capacidade de absorção. Por isso, estas substâncias são concebidas com elevadas capacidades de absorção que lhes permitem eliminar os líquidos das superfícies de forma rápida e eficaz. É por isso que as indústrias recorrem à utilização de materiais absorventes, tais como almofadas de polipropileno ou barras para a limpeza de derrames de óleo e produtos químicos. Estes materiais repelem naturalmente a água, mas podem absorver óleos e outros hidrocarbonetos, uma vez que são hidrofóbicos, o que os torna adequados para a remoção de espécies específicas de sistemas aquosos.

Além disso, os produtos absorventes, como as fraldas, as almofadas de higiene feminina e os produtos para incontinência de adultos, utilizam polímeros superabsorventes nos quais pode ser absorvida uma grande quantidade de líquido por peso. Nestes materiais, quando o líquido entra em contacto com a estrutura porosa do polímero, ocorre a atração por capilaridade juntamente com a ligação de hidrogénio, o que faz com que o líquido adira ao polímero. Além disso, a higiene pessoal adoptou os superabsorventes, revolucionando a forma como os produtos de higiene pessoal funcionam, como as fraldas, para uma absorção eficaz contra os odores, o que proporciona um grande conforto aos utilizadores.

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Conclusão

Em conclusão, é importante perceber a distinção entre materiais adsorventes e absorventes para a sua utilização efectiva em várias aplicações. Para diferentes fins, a adsorção, que é um fenómeno de superfície, e a absorção, que ocorre a nível de massa, diferem nos seus mecanismos e caraterísticas.

A necessidade de soluções eficientes e sustentáveis fará com que o desenvolvimento e a otimização de adsorventes e absorventes continuem a ser uma área-chave de investigação e inovação. Podemos assim desenvolver novos materiais e tecnologias que satisfaçam as necessidades em constante mudança de diferentes sectores, promovendo ao mesmo tempo um futuro mais limpo, mais saudável e mais sustentável, aprofundando a nossa compreensão desses fenómenos e dos mecanismos que lhes estão subjacentes.