Columna de Absorción

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Abascal Alonso Alfredo Halam, Contreras Nazario Zaira Itzel, Cruz Vargas José Antonio, De la Luz Trujillo Alejandro, Hernández García Nancy del Carmen, Maruri Valderrabano Fidel Aarón y Serrano Zepeda Ana Line

Facultad de Ingeniería Química, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla,

Puebla, México[pic 6]

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1. INTRODUCCIÓN

   En diversas industrias se utilizan colorantes, los cuales al entrar en contacto con efluentes acuosos producen aminas, las cuales son dañinas para la salud. Debido a esto es necesario buscar métodos que reduzcan, eliminen o recuperen la cantidad de estos colorantes en cuerpos de agua.

   Los métodos de tratamiento de efluentes mediante la adsorción han sido estudiados e incluso puestos en práctica en los países más industrializados. Si bien algunas investigaciones han arrojado resultados positivos en cuanto a la remediación de aguas contaminadas con colorantes, el llevar a la práctica estas tecnologías requiere de un gran costo, y suelen ser inalcanzables para pequeñas y medianas industrias. Por esto es importante realizar estudios empleando materiales menos costosos y con los cuales se obtengan resultados satisfactorios.

   Dichos estudios, como se mencionaba anteriormente, son a través de métodos como la adsorción, la cual es un proceso de separación en la que ciertos componentes de una fase fluida se transfieren hacia la superficie de un sólido adsorbente, mismo principio que puede utilizarse para la recuperación de diversos colorantes.

   Es por ello que en esta investigación se utiliza arena fina y aserrín, pues son sólidos con una capacidad de adsorción alta y de bajo costo; los cuales permitirán evaluar las propiedades que presenta y junto a ensayos de adsorción, bajo condiciones específicas, se determinará su potencial uso como adsorbentes de los tintes.

   De acuerdo a datos bibliográficos la retención de colorantes orgánicos presentes en medios acuosos dependerá no solo de sus propiedades fisicoquímicas sino también de las propiedades de quien actúa como adsorbente. En el caso particular de esta investigación, se utilizarán dos colorantes (colorante índigo y colorante E127) a diversas concentraciones.

1. ANTECEDENTES

   La historia de la adsorción, en sus aspectos prácticos, tiene su origen en tiempos muy remotos y está llena de descubrimientos significativos; tanto que gran parte de los procesos de adsorción actualmente en uso, y posiblemente muchos de los futuros, pueden tener su origen en descubrimientos pretéritos.

   El término “adsorción”, propuesto por Bois Reymond, llega a la bibliografía en 1881 de la mano de Kayser. En esta época aparecen también los términos “isoterma” y “curva isoterma”, para definir los resultados de las medidas de adsorción a temperatura constante. En 1909 McBain  introduce el término “adsorción” para describir lo observado al estudiar la adsorción de hidrógeno por carbón. Este mismo investigador propuso el término “sorción” para incluir la adsorción y la adsorción, procesos que en muchos casos no se pueden diferenciar de manera precisa.

   Uno de los primeros adsorbentes utilizados por el hombre fue el carbón vegetal, material usado por egipcios y sumerios como reductor de menas metálicas desde el año 3750 A.C. aproximadamente.

   Ya para el año 157 D.C. Claudius Galen introduce el uso de carbones de origen vegetal y animal en el tratamiento de una amplia variedad de padecimientos. Y se sabe que ya en el siglo XV se utilizaba carbón vegetal como adsorbente para decolorar disoluciones, aunque la primera publicación al respecto no aparece hasta tres siglos después.

   Concretamente, las primeras observaciones de tipo cuantitativo en el campo de la adsorción fueron realizadas por Carl Wilheelm Scheele  en 1773 y por Fontan en 1777, quienes en sus respectivas publicaciones dan cuenta de algunos experimentos de adsorción de gases por carbón vegetal y por materiales arcillosos de origen diverso.

   En 1793, Kehl plantea la utilidad del carbón vegetal para la eliminación de los malos olores de las úlceras gangrenosas y emplea carbones de origen animal para eliminar el color del azúcar. Al año siguiente (1794) la industria inglesa del azúcar empieza a utilizar el carbón vegetal como decolorante de las melazas. Ya en el siglo XIX, concretamente en 1814, Saussure  realiza por vez primera estudios sistemáticos de adsorción, llegando a la conclusión de que todos los gases son retenidos por materiales porosos (esponjas marinas, corcho, carbón vegetal o asbesto), que los procesos que tienen lugar son exotérmicos y que en la mayoría de los casos se produce condensación del gas adsorbido. También durante el siglo XIX Chappuis utilizó carbón vegetal como adsorbente de amoniaco, dióxido de azufre, dióxido de carbono y aire, encontrando que la cantidad de gas adsorbido depende de la presión del gas. Este mismo investigador hizo las primeras medidas calorimétricas durante el proceso de inmersión de adsorbentes en líquidos.

   No es sino hasta 1881, cuando Kayser introduce el término adsorción para describir como los materiales carbonizados atrapaban a los gases. En fechas cercanas, Von Raphael Ostrejko, quien se considera como el inventor del carbón activado, desarrolló varios métodos para producir carbón activado tal y como se conoce hoy en día. En 1901 patentó dos de sus métodos.

   En 1903, Tswett utiliza columnas rellenas de materiales silíceos para la separación de clorofila y otros pigmentos de las plantas; durante ese proceso descubre la adsorción selectiva e introduce el término “cromatografía de adsorción en columna sólido-líquido”.

   Durante la Primera Guerra Mundial el uso de agentes químicos trajo como consecuencia la necesidad de desarrollar filtros de carbón activado para máscaras de gas. Este fue el punto de partida para el desarrollo de la industria de carbón activado que se expandió hacia otros usos.

   A medida que se desarrollaba la industria química se ponía de manifiesto la gran importancia que tienen para la misma los procesos de adsorción. Menos conocido, pero no menos importante que los anteriores, fue en su época el de Ledoux, que representa el primer intento de agrupar y sistematizar lo que se podría llamar "Conocimientos y tecnología de la adsorción". A estos libros, editados en la década de 1940, se les concede gran importancia en el campo de la adsorción, pues recopilan todos los aspectos fundamentales de la adsorción entonces conocidos.[pic 11]

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

   Disminuir los efectos negativos del uso de colorantes en la industria, a través del diseño de parámetros que nos ayuden a construir una columna de adsorción, mediante el uso de los fenómenos de transporte para realizar la modelación y los cálculos[pic 12]

1. METODOLOGÍA

1. Modelos de concentración en lechos fijos

   En la adsorción en lecho fijo las concentraciones en la fase fluida y en la fase sólida varían con el tiempo y la posición en el lecho. Al principio la mayor parte de la transferencia de materia tiene lugar cerca de la entrada del lecho, donde el fluido se pone en contacto con adsorbente fresco. Si al comienzo el sólido no contiene adsorbato, la concentración en el fluido disminuye exponencialmente con la  distancia hasta prácticamente cero antes de alcanzar el extremo del lecho. Este perfil de concentración se representa por la curva t1, donde C/Co es la relación de concentraciones correspondiente al fluido y a la alimentación. Después de pocos minutos el sólido próximo a la entrada se encuentra prácticamente saturado, y la mayor parte de la transferencia de materia tiene lugar lejos de la entrada. El gradiente de concentración adquiere la forma de S, tal como se muestra en la curva t2.  La región donde ocurre la mayor parte del cambio de concentración es la llamada zona de transferencia de materia, y sus límites frecuentemente se toman como C/Co = 0,95 a 0,05.

   Con el tiempo la zona de transferencia de materia se mueve hacia la parte inferior del lecho, tal como muestran los perfiles t3, y t4. Perfiles similares podrían trazarse para la concentración media de adsorbato sobre el sólido, encontrándose sólido prácticamente saturado a la entrada, una gran variación en la región de transferencia de materia, y concentración cero al final del lecho. En lugar de representar la concentración real sobre el sólido, la línea de trazo discontinuo para el tiempo t, representa la concentración en la fase fluida en equilibrio con el sólido. Esta concentración tiene que ser siempre menor que la concentración real en el fluido, y la diferencia de concentraciones, o fuerza impulsora, es considerable cuando el perfil de concentración es brusco y la transferencia de materia es rápida.

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