Adsorción

OPERACIÓN UNITARIA: ADSORCIÓN

ADSORCIÓN FISICA Y QUIMICA

1.- INTRODUCCIÓN

La adsorción es un fenómeno fisicoquímico de gran importancia, debido a sus aplicaciones múltiples en la industria química y en el laboratorio.

En particular, resulta fundamental en procesos químicos que son acelerados por la presencia de catalizadores cuyo estado de agregación es distinto al de los reactivos. Este tipo de catálisis heterogénea se utiliza en procesos como la pirólisis del petróleo, el proceso Haber para la síntesis de amoniaco (catalizador de Fe), la fabricación de ácido sulfúrico (con V O ) y nítrico (con Pt/Rh), la 25hidrogenación catalítica de aceites y grasas (con Pt/Pd), y muchos más. Otro ejemplo lo encontramos en los convertidores catalíticos de los automóviles, donde los contaminantes se adsorben sobre catalizadores de Pt/Pd. Incluso a nivel biológico, el primer paso en el proceso de catálisis enzimática es la adsorción del sustrato sobre la superficie de la enzima que se encuentra en suspensión coloidal (Atkins,1991; Greenwood, 1984; Snyder, 1995; West, 1956).

La adsorción es un proceso de separación y concentración de uno o más componentes de un sistema sobre una superficie sólida o líquida. Los distintos sistemas heterogéneos en los

que puede tener lugar la adsorción son: sólido-liquido, sólido-gas y líquido-gas. Como en otros procesos de este tipo, los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases.

La adsorción constituye uno de los procesos más utilizados dentro de los sistemas de tratamiento terciario de las aguas residuales. Se emplea, fundamentalmente, para retener contaminantes de naturaleza orgánica, presentes, en general, en concentraciones bajas, lo que dificulta su eliminación por otros procedimientos. Cabe citar la eliminación dc compuestos fenólicos, hidrocarburos aromáticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloreadas, así como otras que comunican olor y sabor a las aguas. La operación es menos efectiva para sustancias de pequeño tamaño molecular y estructura sencilla, que suelen ser fácilmente biodegradables y, por ello, susceptibles de tratamiento biológico

El tratamiento de aguas es vital, en estos tiempos donde la contaminación de los cuerpos de agua produce muchas enfermedades, que atacan a la población más desprotegida, es por esto que se estudian procesos de tratamiento de aguas para lograr el objetivo de agua potable para el consumo humano.

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2- OBJETIVO GENERAL

El objetivo general de este trabajo es el de Conocer y entender el fenómeno de la adsorción, así como su aplicación en el tratamiento de aguas.

2.1-OBJETIVOS ESPECÍFICOS

¾ Conocer los aspectos teóricos de la Adsorción.

¾ Estudio de la metodología y del mecanismo de la adsorción.

¾ Revisión de un caso de estudio. Carbón activado

¾ Conocer la aplicación del proceso de adsorción en el tratamiento de aguas

3.-MARCO TEÓRICO

3.1- ASPECTO CONCEPTUAL DE ADSORCIÓN

La adsorción es la transferencia de un soluto en un gas o líquido (adsorbato) hacia la superficie de un sólido (adsorbente) en donde el soluto es retenido como resultado de atracciones intermoleculares con las moléculas sólidas. Este proceso es muy semejante al de absorción, con la diferencia de que en lugar de mezclarse completamente en la otra fase para estar en forma homogénea en su nuevo estado, simplemente se adhiere a la superficie del sólido adsorbente.

Como regla general, los solutos más fáciles para adherirse son los compuestos más complejos, molecularmente hablando, y los sólidos más usados son el carbón activado, alúmina activada, gel de sílice, algunas tierras o arcillas especialmente activadas, entre otras. El proceso de intercambio iónico cae dentro del proceso de adsorción, pero con fuerzas intermoleculares más fuertes al trabajar resinas iónicas para suavizar agua.

Las aplicaciones en las que se emplea éste proceso como separación son: purificar aguas residuales, quitar olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites, jarabes de azúcar, en la deshumidificación de gasolinas, o en el secado de aire. Dada la naturaleza de la operación de manejar sólidos, es muy normal que se le empaque, generando un proceso por lotes para el sólido, dado que se satura del soluto, y para volver a usarlo hay que regenerarlo. Lo anterior implica trabajar varios sistemas empacados en paralelo para que una de dichas unidades realice la función de adsorción mientras que las otras estén regenerándose. Sistemas de flujo continuo, tanto para el sólido como para el fluido, existen, pero para un análisis en el laboratorio, es completamente un proceso semicontinuo, con excepción de las plantas a nivel piloto que buscan describir a un proceso continuo industrial.

Es difícil limitar el fenómeno de la adsorción. En algunos casos la adsorción es muy semejante a la reacción química, pero en casos extremos es muy diferente de ésta. A veces tiene lugar la adsorción cuando no se espera una reacción química.

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Las fuerzas que intervienen en los fenómenos de adsorción son distintas de las que se encuentran en las reacciones químicas y en los compuestos químicos ordinarios

Si agitamos un sólido dividido finamente en una solución diluida de un colorante, observamos que disminuye la intensidad del color en la solución. Si ponemos un sólido dividido finamente, en contacto con un gas a baja presión, la presión disminuye considerablemente. En ambos casos el gas o el colorante son adsorbidos en la superficie. La magnitud del efecto depende de la temperatura, a naturaleza de la sustancia adsorbida ( EL ADSORBATO), la naturaleza y estado de subdivisión del adsorbente( el sólido dividido finamente) y la concentración del colorante o la presión del gas.

El proceso de adsorción se representa por medio de una ecuación química. Si el adsorbato es un gas podemos escribir el siguiente equilibrio:

A(g) + S ------- AS

Donde: A es el adsorbato gaseoso, S es un sitio desocupado sobre la superficie y AS representa una molécula de A adsorbida o un sitio ocupado sobre la superficie. La isoterma de Freundlich fue una primera ecuación para relacionar la cantidad adsorbida o un sitio ocupado sobre la superficie.

La constante de equilibrio puede expresarse de la siguiente manera: K= X AS / XS P

Donde: X AS = fracción molar de sitios ocupados en la superficie

XS = fracción molar de sitios libres en la superficie

P = presión del gas

La isoterma de Langmuir en la forma de la ecuación :

θ = Κ P/ (1+KP)

Es generalmente más útil en la interpretación de los datos, si solo se forma una capa. A presiones altas la superficie la superficie está casi totalmente cubierta con una capa monomolecular; esto significa que los cambios en la presión producen poca variación en la cantidad adsorbida.

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3.2.- ADSORCIÓN QUÍMICA Y FÍSICA.-

3.2.1- ADSORCIÓN FÍSICA

Si el adsorbato y la superficie del adsorbente interactúan sólo por medio de fuerzas de Van der Waals, se trata de Adsorción Física. Las moléculas adsorbidas están ligadas débilmente a la superficie y los calores de adsorción son bajos, apenas unas cuantas Kilocalorías, comparables al calor de vaporización del adsorbato. El aumento de la temperatura disminuye considerablemente la adsorción .

Como las fuerzas de Van der Waals son las que producen la licuación, no se produce

adsorción a temperaturas superiores a la temperatura crítica del adsorbato gaseoso; si la presión del gas tiene valores cercanos a presión de vapor de equilibrio para el adsorbato líquido, se producirá una adsorción más extensa en capas múltiples.

3.2.2- ADSORCIÓN QUÍMICA

Se da cuando las moléculas adsorbidas reaccionan químicamente con la superficie, en este caso se forman y se rompen enlaces, el calor de adsorción tiene intervalos de valores análogos a los de una reacción química hasta unas 100 Kcal. La adsorción química no va más allá de una monocapa en la superficie, por lo tanto la isoterma de Langmuir predice el calor de adsorción independiente de . La fracción de superficie cubierta en el equilibrio.

3.3.-FACTORES CARACTERÍSTICOS DE LOS PROCESOS DE ADSORCIÓN

Los factores a considerar en un proceso de adsorción son los siguientes:

3.3.1- EL SISTEMA ADSORBENTE-ADSORBATO, EN LO RELATIVO A:

a. Superficie específica y porosidad del sólido. b. Tamaño de partícula.

c. Tamaño, estructura y distribución de los poros.

Estas características son muy importantes en las etapas de transferencia de masa por adsorción:

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