Modeling thermodynamic properties of aqueous electrolyte solutions by electrolattice equation of state

Autor: Zuber, André
Přispěvatelé: Vladimir Ferreira Cabral, Lúcio Cardozo Filho - UEM, José da Paixão Lopes dos Santos - Universidade Federal de Sergipe, Guilherme Duenhas Machado - FOOD AND BIOPROCESS TECHNOLOGY
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2012
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da Universidade Estadual de Maringá (RI-UEM)
Universidade Estadual de Maringá (UEM)
instacron:UEM
Popis: Aqueous electrolyte solutions play an important role in many biological systems and have extensive application in a large number of industrial processes. An important example is the desalination of seawater into fresh water. This process is broadly found throughout Middle East and in different parts of the world where water scarcity is a problem that deserves attention. The principal methods used for desalination are evaporation and reverse osmosis. In both, vapor pressure, mean ionic activity coefficient, and osmotic coefficient are essential properties for their design, operation, and optimization. Equations of state (EOS) for electrolyte solutions are useful tools that enable, in principle, the evaluation of all such properties. Thereby, motivated by this argument, this dissertation includes the analysis of the electrolattice EOS applied to describe the behavior of electrolyte solutions. The equation was first derived by Santos (2010), based on the Helmholtz energy formalism. It contains three terms: the Mattedi-Tavares-Castier EOS term, applied to describe the short-range interactions between the species in the solution; the Born term, which considers the solvation of the ions; the mean spherical approximation (MSA) term, responsible for accounting the long-range interactions. In this research, 44 electrolyte aqueous solutions formed by a single salt of different specifications (such as 1:1, 1:2, 2:1, 2:2, and 3:1) are analyzed. The electrolattice EOS requires only two adjustable parameters to correlate vapor pressure and mean ionic activity coefficient for each solution. The parameters are determined by two different ways: the salt-specific and the ion-specific approaches. In both, the software named XSEOS and a program developed in FORTRAN are used for the regression step. Depending exclusively on the parameters obtained by theses regressions, the prediction of osmotic coefficient, at 298.15 K and 1 bar of aqueous solutions containing a single salt, is presented. Moreover, the model is tested to predict vapor pressure of aqueous electrolyte solutions containing two dissolved salts by using the ion specific parameters. In general, the results obtained with the electrolattice EOS are in good agreement with the experimental data Soluções aquosas contendo eletrólitos exercem papel importante em muitos sistemas biológicos, além de serem utilizadas extensivamente por diversos processos industriais. Como exemplo, pode-se citar a obtenção de água potável por meio da dessalinização de água salobra. Este processo é amplamente difundido em diversas regiões do mundo, e em especial, em países do Oriente Médio, como o Qatar e Israel, onde a escassez de água potável sempre foi um grande problema. Os principais métodos utilizados para a dessalinização da água do mar são: evaporação e osmose reversa. Em ambos os casos, há a necessidade de determinação de propriedades termodinâmicas como pressão de vapor, coeficiente osmótico e coeficiente de atividade médio iônico, as quais são utilizadas para projetar, otimizar e operar tais processos. Uma das formas mais convenientes de se obter informações a respeito dessas propriedades é por meio da utilização de equações de estado (EdE). Baseando-se na importância desta ferramenta, principalmente aos processos de dessalinização da água do mar, esta dissertação analisa o emprego de uma equação denominada electrolattice para descrever o comportamento de propriedades termodinâmicas de diversas soluções aquosas contendo diferentes sais dissolvidos. Desenvolvida por Santos (2010), a equação é baseada no formalismo da energia de Helmholtz, sendo caracterizada pela soma de três termos: o primeiro referente à EdE Mattedi-Tavares-Castier, destinado a descrever as interações de curto alcance entre as espécies da solução; o segundo referente ao termo de Born, o qual permite a contabilização da solvatação dos íons; o terceiro referente ao termo MSA (mean spherical approximation), responsável por contabilizar interações de longo alcance. Neste trabalho, são analisadas 44 soluções eletrolíticas aquosas formadas por um único sal, dos tipos 1:1, 1:2, 2:1, 2:2, ou 3:1. Para isso, o modelo necessita de apenas dois parâmetros ajustáveis energéticos para caracterizar cada uma das soluções analisadas. Por meio deles, correlacionam-se as propriedades de pressão de vapor, a diferentes temperaturas, e coeficiente de atividade médio iônico, a 298,15 K e 1 bar. A determinação desses parâmetros é feita utilizando-se duas estratégias diferentes, sendo uma específica ao sal (EES) e a outra, específica ao íon (EEI). Cálculos preditivos também são executados sem a necessidade de obtenção de parâmetros ajustáveis extras. Apresentam-se resultados para a predição do coeficiente osmótico, a 298,15 K e 1 bar, de soluções aquosas contendo apenas um sal bem como, pressão de vapor, a diferentes temperaturas, para soluções aquosas contendo dois sais dissolvidos. Em todos os sistemas analisados, a modelagem dos dados é feita utilizando-se tanto o software XSEOS, quanto um programa desenvolvido em linguagem computacional FORTRAN, o qual permite a realização de cálculos em paralelo. De forma geral, os resultados obtidos com o modelo electrolattice mostram-se muito satisfatórios e coerentes aos dados experimentais. x, 177 f
Databáze: OpenAIRE
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