INSTITUTO TECNOLÓGICO DE VILLAHERMOSA.

FISICOQUÍMICA 1.

INGENIERÍA AMBIENTAL.

CUARTO SEMESTRE.

ADSORCIÓN.

La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material en contraposición a la absorción, que es un fenómeno de volumen. Es decir, es un proceso en el cual un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua por contacto con una superficie sólida (adsorbente). El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción.

La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material en contraposición a la absorción, que es un fenómeno de volumen. Es decir, es un proceso en el cual un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua por contacto con una superficie sólida (adsorbente). El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción.

En química, la adsorción de una sustancia es su acumulación en una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido o líquido.

Considérese una superficie limpia expuesta a una atmósfera gaseosa. En el interior del material, todos los enlaces químicos (ya sean iónicos, covalentes o metálicos) de los átomos constituyentes están satisfechos. En cambio, por definición la superficie representa una discontinuidad de esos enlaces. Para esos enlaces incompletos, es energéticamente favorable el reaccionar con lo que se encuentre disponible, y por ello se produce de forma espontánea.

La naturaleza exacta del enlace depende de las particularidades de los especímenes implicados, pero el material adsorbido es generalmente clasificado como fisisorbido o quimisorbido

La cantidad de material que se acumula depende del equilibrio dinámico que se alcanza entre la tasa a la cual el material se adsorbe a la superficie y la tasa a la cual se evapora, y que normalmente dependen de forma importante de la temperatura. Cuanto mayor sea la tasa de adsorción y menor la de desorción, mayor será la fracción de la superficie disponible que será cubierta por material adsorbido en el equilibrio.

Para estos procesos, resultan interesantes materiales con una gran superficie interna, (y por lo tanto poco volumen) ya sea en polvo o granular, como el carbón activo, y llevan asociados otros fenómenos de transporte de material, como el macro transporte y micro transporte de los reactivos.

La adsorción por carbón activado es una tecnología bien desarrollada capaz de eliminar eficazmente un amplio rango de compuestos tóxicos. Produciendo un efluente de muy alta calidad.

                                                      

                                                        MAQUINAS DE ADSORCIÓN.

TIPOS DE ADSORCIÓN.

Adsorción por intercambio: Ocurre cuando los iones de la sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie (p. ej. en las cercanías de un electrodo cargado).

Adsorción física: Se debe a las fuerzas de Van der Waals y la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, y por ello está libre de trasladarse en la interfase.

Adsorción química: Ocurre cuando el adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del adsorbente.

APLICACIÓN DE LA ADSORCIÓN.

Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción en el mundo industrial, es la extracción de humedad del aire comprimido.
Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a través de un lecho de alúmina activa u otros materiales con efecto de adsorción a la molécula de agua.
La saturación del lecho se consigue sometiendo a presión el gas o aire, así la molécula de agua es adsorbida por la molécula del lecho, hasta su saturación.
La regeneración del lecho, se consigue soltando al exterior este aire comprimido y haciendo pasar una corriente de aire presecado a través del lecho.
Lo habitual es encontrar secadores de adsorción en forma de dos columnas y mientras una adsorbe, la otra es regenerada por el mismo aire seco de la columna anterior. Este sistema se conoce como "pressure swing adsorbtion" o PSA. Conocido también como cambio de presión por vaivén.

Otras aplicaciones en las que se emplea éste proceso de adsorción como separación son: purificación de agua, tratamiento de 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.

La otra aplicación más extendida es la obtención de nitrógeno, haciendo pasar un caudal de aire comprimido por el lecho adsorbente, compuesto por carbón molécular, especialmente manufacturado para ese propósito.
Usa el mismo sistema ya mencionado de "pressure swing", de los secadores de adsorción. Una cámara llena de carbón es sometida a presión con aire comprimido, la molécula de Oxigeno, es retenida por el nanoporo del carbón, mientras que la molécula de Nitrógeno, de más tamaño, no consigue entrar en el nanoporo del adsorbente. Se consegui así, disponer de gran cantidad de nitrógeno después del lecho adsorbente y el oxigeno, queda retenido. En la segunda parte del ciclo, con la despresurización, el oxigeno se libera del nanoporo y se evacua a la atmósfera.
Los generadores de nitrógeno, usan este sistema y sus aplicaciones se han generalizado en la industria, en usos como la inertización de depósitos, de envases de productos alimenticios o farmacéuticos y en laboratorios, donde se usa el nitrógeno como gas portador o energización de cámaras. 

TIPOS DE ENERGIA DE ADSORCIÓN.

La adsorción es el fenómeno de concentración (depósito) de una sustancia (adsorbato o soluto) sobre la superficie de un sólido o un líquido (adsorbente). La adsorción se debe a la presencia de fuerzas intermoleculares sin balancear, de las moléculas que se encuentran en la superficie de un sólido o un líquido (interfase), por lo cual atraen a las moléculas de otras sustancias con las que se ponen en contacto, equilibrando de esta manera las fuerzas atractivas y disminuyendo la energía superficial. La interfase puede ser: Sólido – gas. Sólido – líquido. Líquido – gas. Líquido – líquido. La adsorción puede ser física (fisisorción) o química (quimisorción):

ADSORCION FISICA ADSORCION QUIMICA 1. Interacciones débiles adsorbato – adsorbente, del tipo Van der Waals, dipolo-dipolo, puentes de hidrógeno. 1. Enlaces fuertes, del tipo covalente (se forma un nuevo compuesto). 2. Adsorción reversible. 2. Generalmente irreversible. 3. Formación de mono o multicapas. 3. Formación de monocapas. 4. Calor de adsorción (entalpía) relativamente bajo, ∆H = 1 – 10 kcal/mol. 4. Calor de adsorción elevado, ∆H = 50 – 100 kcal/mol. Ejemplos: adsorción de agua sobre el desecante silica gel, vapores de disolventes sobre Cactivado,  depósito de vapor de agua sobre vidrios, espejos, etc. Ejemplos: formación de óxido de Fe, por la reacción del oxígeno con la superficie de objetos de Fe, algunas reacciones específicas de catálisis, reacciones covalentes para inmovilizar enzimas, etc.

La cantidad de soluto adsorbido es función de la naturaleza y área específica superficial del adsorbente y del soluto, así como de la presión (P) ó concentración (C) de este último y de la temperatura del sistema. A temperatura constante, se obtienen las isotermas de adsorción, que cuantifican la adsorción en función de la concentración del soluto en el equilibrio y se representan gráficamente. La cantidad de soluto adsorbida, se denota por la letra a. Las isotermas experimentales que más comúnmente se obtienen, son:

Tipo I Isoterma monomolecular Isoterma de Langmuir. Tipo II  Isoterma polimolecular. Isoterma de  B.E.T. Tipo III Isoterma que se presenta cuando existe baja interacción adsorbato – adsorbente Existen diferentes modelos matemáticos para describir las isotermas que se obtienen experimentalmente. Cada modelo contempla una serie de consideraciones, como se menciona a continuación:

Isoterma de adsorción de Henry Temperatura constante. Superficie lisa y homogénea. Superficie “infinita” (adsorción sin restricciones). No existen interacciones entre las moléculas adsorbidas. La isoterma de Henry, establece que la adsorción es directamente proporcional a la concentración del soluto. Este modelo, linealiza la primera parte de una isoterma experimental del Tipo I ó del Tipo II, y por lo tanto, sólo se aplica a muy bajas concentraciones. Isoterma de adsorción de Langmuir Temperatura constante. Adsorción localizada, sólo en sitios definidos (activos) de la superficie. La superficie es homogénea y se forma una monocapa, asumiendo que cada sitio de adsorción puede adherir sólo una molécula de adsorbato. La energía de adsorción es la misma para todos los sitios de adsorción. No existe interacción entre las molécula adsorbidas. La isoterma de Langmuir linealiza la isoterma del Tipo I. La adsorción máxima (am) indica la máxima capacidad de adsorción (saturación monomolecular) del adsorbente. Ecuación de Langmuir linealizada Donde: a = cantidad de soluto adsorbida. P ó C = presión ó concentración del adsorbato. K = constante de Langmuir. am = adsorción máxima. Isoterma empírica de adsorción de Freundlich Temperatura constante. Superficie rugosa (microporosa). Distribución exponencial de la energía de los sitios de adsorción. No supone la formación de una monocapa. Donde: a = cantidad de soluto adsorbida. 1/n = constante que representa la velocidad de saturación del adsorbato. m = constante empírica que indica la capacidad de adsorción y la afinidad del adsorbato por el adsorbente. Ecuación de Freundlich linealizada Aunque la isoterma de Freundlich linealiza la isoterma del Tipo I,no predice la adsorción máxima y presenta desviaciones a valores elevados de adsorción.

Isoterma de adsorción de Brunauer, Emmet y Teller (BET) La ecuación de Brunauer-Emmett-Teller se emplea rutinariamente para la determinación del área específica superficial total de un adsorbente. Este modelo de adsorción linealiza la isoterma del Tipo II. En la teoría de BET se amplía la teoría del modelo de monocapa de Langmuir mediante la introducción de ciertas suposiciones, que incluyen adsorción en multicapa y la condensación capilar. La adsorción en la primera capa tiene lugar sobre sitios en la superficie de energía homogénea. Las moléculas adsorbidas en la primera capa actúan como sitios de adsorción de la segunda capa y así sucesivamente, lo que en el caso mas simple se aproxima a un espesor infinito conforme la presión de vapor Pv, se aproxima a la presión de vapor de saturación del líquido, Pº (presión de vapor de líquido puro). Las características de condensación y evaporación son idénticas en todas las capas excepto en la primera. El calor de adsorción en la segunda y demás capas son iguales al calor de condensación del gas (DHv). a = cantidad de soluto adsorbida. am = adsorción máxima, cuando se forma la monocapa. C = es una constante que relaciona el calor de adsorción de la primera capa y el calor de adsorción de las multicapas capas (DHv).

HISTERESIS El fenómeno de histéresis se manifiesta cuando la isoterma de adsorción no coincide con la isoterma de desorción. Esto se debe a la presencia de microporos en la superficie, que provoca condensación capilar del adsórbalo y entonces, la desorción se lleva a cabo bajo la presión del líquido puro, Pº.