adsorcion

2. La adsorción es una operación unitaria de transferencia de masa; un proceso por el
cual los átomos o moléculas de una sustancia que se encuentra en una fase
determinada, son retenidas en la superficie de otra sustancia, que se encuentra en una
fase distinta (generalmente sólida). Como resultado de este proceso, se forma una capa
de líquido o gas en la superficie de una sustancia sólida.
Por ello se considera como un fenómeno
subsuperficial. La sustancia que se
concentra en la superficie o se adsorbe se
llama "adsorbato" y la fase adsorbente se
llama "adsorbente" (el proceso inverso a la
adsorción se conoce como desorción).
Por el contrario, la absorción es un proceso
en el cual las moléculas o átomos de una
fase interpenetran casi uniformemente en
los de otra fase constituyéndose una
"solución" con esta segunda.

3. La adsorción se utiliza para eliminar individualmente los componentes de
una mezcla gaseosa o líquida. El componente a separar se liga de forma
física o química a una superficie sólida.
Un proceso de adsorción involucra la separación de una substancia en una
fase fluida acumulando la sustancia en la superficie del adsorbente sólido.
En general, la adsorción desde una disolución a un sólido ocurre como
consecuencia del carácter liofóbico (no afinidad) del soluto respecto al
disolvente particular, o debido a una afinidad elevada del soluto por el sólido
o por una acción combinada de estas dos fuerzas.
El grado de solubilidad de una sustancia
disuelta es el factor más importante para
determinar la intensidad de la primera de
las fuerzas impulsoras. Cuanto mayor
atracción tiene una sustancia por el
disolvente menos posibilidad tiene de
trasladarse a la interfase para ser
adsorbida.

4. Tipos de adsorción.
Adsorción Física
 Fuerzas de van der Waals
 Carácter exotérmico (1-10 kcal/mol)
 Rápida
 Reversible
 Formación de multicapas
 Ocurre en todos los sólidos y en toda su superficie
 Poca selectividad
 Dependencia lineal con T
Adsorción Química
 Enlaces químicos
 Carácter exotérmico (10-100 kcal/mol)
 Lenta
 Irreversible
 Sólo monocapa adsorbida
 Ocurre en ciertos sólidos y en determinados puntos
 Gran selectividad
 Dependencia exponencial con T (Arrhenius)

5. Un adsorbente deberá tener una gran capacidad de adsorción y rápida
velocidad de adsorción.
 Debe tener una gran superficie específica (gran porosidad) o
volumen de microporos
 Tener una buena capacidad de regeneración.
 Estructura porosa para que las moléculas del adsorbato se
transporten a los sitios activos
-Microporos d < 2 nm
-Mesoporos 2 < d < 50 nm
-Macroporos d > 50 nm
Dado que la adsorción se favorece por temperaturas bajas y presiones
altas, para la regeneración, es decir, para la desorción, se emplean
temperaturas altas y presiones bajas.
Características del adsorbente

6. ADSORBENTES COMERCIALES
 Carbón Activado
 Zeolitas Tamices Moleculares
 Gel de Sílice
 Alúmina Activada
Carbón Activado
El carbón activado se prepara a partir de materiales que contienen carbón,
tales como carbón mineral (antracita, bituminoso, lignito), madera, cáscara
de coco, residuos agricolas, etc …
Aplicaciones del carbón activado.
Fase Gaseosa
 Purificación de gases
 Purificación de aire
 Recuperación de solventes
 Catalizadores
 Producción de gases
 Tratamiento de gases de combustión
 Celdas combustibles
Fase Liquida
 Tratamiento de agua potable y residual
 Alimentos y bebidas carbonatadas
 Hidrometalurgia
 Productos químicos y farmacéuticos

7. Operación de Adsorción
Una operación típica de adsorción consta de las siguientes etapas:
 Una etapa de adsorción o de contacto en la que el soluto se une a la
resina de adsorción
 Una etapa de lavado para eliminar el material residual que no se ha
adsorbido
 La etapa de desorción o elución de adsorbato con un disolvente
apropiado
 La etapa de lavado para eliminar el efluente residual
 La etapa de regeneración de la resina de adsorción para retornarla a
su condición origina

8. Básicamente hay dos tipos de isotermas de adsorción bien establecidas: la
isoterma de adsorción de Freundlich y la isoterma de adsorción de
Langmuir.
La isoterma de adsorción de Freundlich o ecuación de Freundlich es
una isoterma de adsorción, que es una curva que relaciona
la concentración de un soluto en la superficie de un adsorbente, con la
concentración del soluto en el líquido con el que está en contacto.
La isoterma de adsorción de Freundlich se expresa matemáticamente como
donde
x = masa de adsorbato
m = masa de adsorbente
p = Presión de equilibrio del adsorbato.
c = concentración de equilibrio del adsorbato
en disolución.
K y 1/n son constantes para un adsorbato y
adsorbente dados, y para una temperatura
particular.

9. La ecuación de Langmuir o isoterma de Langmuir o ecuación de adsorción
de Langmuir relaciona la adsorción de moléculas en una superficie sólida
con la presión de gas o concentración de un medio que se encuentre
encima de la superficie sólida a una temperatura constante.
La expresión de la ecuación es la siguiente:
donde
θ es la fracción de cobertura de la superficie
P es la presión del gas o su concentración
α alpha es una constante.
La constante α es la constante de adsorción de
Langmuir es mayor en cuanto mayor sea la
energía de ligadura de la adsorción y cuanto
menor sea la temperatura.

10. La IUPAC reconoce 6 tipos de isotermas de adsorción.

11. Secadores Desgasificadores
Controladores de sabor y olor
Filtros depuradores
EQUIPOS DE ADSORCIÓN

12.  Decoloración en la industria azucarera
 Decoloración de aceites en la refinación
 Extracción de humedad del aire comprimido.
 Obtención de nitrógeno
 Fabricación de plaguicidas y otros productos químicos de uso
agropecuario
 Fabricación de pinturas, barnices y productos de revestimiento similares
 Fabricación de productos farmacéuticos, sustancias químicas
medicinales y productos botánicos
 Fabricaciones de jabones y detergentes, preparados para limpiar,
perfumes y preparados de tocador
APLICACIÓN INDUSTRIAL

13.  Eliminación de gases
 Desulfuración del gas natural (eliminación del H2S)
 Eliminación de agua de efluentes gaseosos (secado)
 Eliminación de olores e impurezas desagradables de gases industriales
 Recuperación de compuestos orgánicos volátiles (acetona) de corrientes
gaseosas
 Procesos de potabilización de aguas:
 Control de sabor y olor
 Eliminación de microcontaminantes
 Eliminación de exceso de desinfectante (cloro, ozono)
 Depuración de aguas residuales: tratamiento terciario
APLICACIÓN AMBIENTAL

14. Se observa que el benceno adsorbido sobre grafito persigue la isoterma de
Langmuir con una aproximación bastante buena. A presión de 1.00 Torr, el volumen
de benceno adsorbido sobre una muestra de grafito fue de 4.2 mm3 en condiciones
de temperatura y presión estándar (0°C y 1 atm de presión): a 3.00 Torr fue de 8.5
mm3.
Suponga que una molécula de benceno ocupa 30 A2 y estime el área superficial del
grafito.
Solución
Suponiendo que la cantidad adsorbida cuando la superficie está saturada es x mm3;
las fracciones de superficie recubiertas a las dos presiones serán4.2/x y 8.5/x.
Empleando la Ecuación de Langmuir se pueden formular dos ecuaciones:
4.5
𝑥
=
1.0𝑘
1 + 1.0𝑘
8.5
𝑥
=
3.0𝑘
1 + 3.0𝑘
EJERCICIO

15. Las soluciones a estas ecuaciones simultáneas son:
K = 0.318 x = 17.4
La cantidad máxima de benceno adsorbido, es entonces, 17.4 mm3
El área estimada de superficie es entonces:

16. El intercambio iónico es una de las operaciones unitarias, que tienen
como función la separación, que está basada en la transferencia de
materia fluido-sólido. Que involucra la transferencia de uno o más
iones, de la fase fluida al sólido por intercambio o desplazamiento de
iones de la misma carga, que se encuentran unidos por fuerzas
electrostáticas a grupos funcionales superficiales. La eficacia del proceso
depende del equilibrio sólido-fluido y de la velocidad de transferencia
de materia. Los sólidos suelen ser de tipo polimérico, siendo los más
habituales los basados en resinas sintéticas.

17. El intercambio iónico está basado en la adsorción, que es un proceso de
separación de ciertos componentes de una fase fluida hacia la
superficie de un sólido adsorbente. Generalmente pequeñas partículas
de adsorbente se mantienen en un lecho fijo mientras que el fluido
pasa continuamente a través del lecho hasta que el sólido está
prácticamente saturado y no es posible alcanzar ya la separación
deseada, con lo cual el lecho se ha de regenerar.
INTERCAMBIO IÓNICO

18. La mayoría de los adsorbentes son resinas, compuestos orgánicos de
gran peso molecular que tiene la propiedad de disponer de un residuo
catiónico o aniónico intercambiable, y gracias a su alta porosidad, la
adsorción puede tener lugar fundamentalmente en el interior de las
partículas, y aumentado así el área de contacto. La separación se
produce debido a la diferente afinidad de las resinas con los cationes y
aniones que se desean eliminar, y por tanto la buena elección del lecho
favorecerá la separación de los iones y la eficacia dependerá del
equilibrio sólido-líquido y de las velocidades de transferencia de
materia.
CARACTERÍSTICAS

19. Una resina de intercambio iónico se considera como una estructura de
cadenas hidrocarbonadas a las que se encuentran unidos de forma rígida
los grupos iónicos libres. Estas cadenas están unidas transversalmente
formando una matriz tridimensional que proporciona rigidez a la resina y
donde el grado de reticulación o entrecruzamiento determina la estructura
porosa interna de la misma. Como los iones deben difundirse en el interior
de la resina para que ocurra el intercambio, la selección del grado de
reticulación puede de alguna manera limitar la movilidad de los iones
participantes
RESINA DE INTERCAMBIO IÓNICO

20. Las resinas se clasifican en:
Resinas catiónicas de ácido fuerte:
 Intercambian iones positivos (cationes).
 Funcionan a cualquier pH.
 Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera
columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos
mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad de
regenerante, normalmente ácido clorhídrico (HCl).
Resinas catiónicas de ácido débil:
 Tienen menor capacidad de intercambio.
 No son funcionales a pH bajos.
 Elevado hinchamiento y contracción lo que hace aumentar las perdidas
de carga o provocar roturas en las botellas cuando no cuentan con
suficiente espacio en su interior.
 Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos ácido para su
regeneración, aunque trabajan a flujos menores que las de ácido fuerte.
Es habitual regenerarlas con el ácido de desecho procedente de las de
ácido fuerte.

21. Resinas aniónicas de base fuerte:
 Intercambian iones negativos (aniones).
 Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como segunda
columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos
mixtos. Elimina los aniones del agua y necesitan una gran cantidad
de regenerante, normalmente sosa (hidróxidosódico - NaOH).
Resinas aniónicas de base débil:
 Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos sosa para su
regeneración.
 No se puede utilizar a pH altos, pueden sufrir problemas de
oxidación o ensuciamiento.

22. Tipos de regenerantes
 El cloruro de sodio (NaCl) se emplea normalmente para regenerar las
resinas fuertemente ácidas usadas en ablandamiento, y las resinas
fuertemente básicas en la eliminación de nitratos.
 En ablandamiento, el cloruro de potasio (KCl) puede también emplearse
cuando la presencia de sodio en la solución tratada es indeseable.
 En ciertos procesos de tratamiento de condensados muy calientes,
el cloruro de amonio (NH4Cl) se puede utilizar también.
Concentraciones
Las concentraciones usuales son:
 NaCl (ablandamiento y eliminación de nitratos): 10 %
 HCl (descationización, descazrbonatación y desmineralización): 5 %
 NaOH (desmineralización): 4 %
Regeneración de Resinas de Intercambio Iónico

23. Desaladora Calderas
Desmineralizadora Alquilación
EQUIPOS DE INTERCAMBIO IÓNICO

24. Industria azucarera
 Ablandamiento de agua para la extracción de
azúcar
 Desmineralización antes de evaporar
 Decoloración de jarabes después de evaporar
 Recuperación de azúcar en melazas
 Inversión de sacarosa
 Tratamiento de glucosa
Industria alimenticia
 Productos lácteos
 Bebidas
 Jugos de fruta
 Ácido cítrico
 Aminoácidos
 Desmineralización de gelatina
industria química
 Recuperación y eliminación de metales
 Producción de sosa y de cloro
 Purificación de peróxido de hidrógeno
 Eliminación selectiva de varios elementos
Industria farmacéutica
 Extracción y purificación de antibióticos
 Medicamentos de liberación progresiva
 Resinas utilizadas directamente como
medicamento
Catálisis
 Alquilación
 Condensación
 Esterificación
 Eterificación
 Deshidratación
 Hidrogenación
APLICACIÓN INDUSTRIAL

25. Tratamiento de agua
 Ablandamiento
 Descarbonatación
 Desmineralización
 Lechos mezclados
 Agua potable
Reutilización de aguas de lavado
 Recuperación de baños de decapado/desoxidación
 Baños de Cloreto Cl, Sulfatos SO4 o Fosfatos PO4
 Baños de anodización de Aluminio (Al)
 Reclasificación de efluentes
 Remoción de metales pesados (Cu, Co, Zn, Mn, Mo, Pb, etc.)
 Remoción de Cromo (Cr)
 Remoción de Cianuros (CN)
 Recuperación de metales de valor: Oro (Au), Plata (Ag)
APLICACIÓN AMBIENTAL

26. Ablandamiento
Se emplea una resina intercambiadora de cationes fuertemente ácida en
forma sodio. Los iones que constituyen la dureza de agua, principalmente el
calcio y el magnesio, se intercambian con el sodio de la resina.
Calidad del agua tratada:
Dureza residual < 0,02 meq/L (0,1 °f) con regeneración a contra-corriente
Regeneración: salmuera (NaCl en solución de 10 %)

27. E=S
EJERCICIO