Se analizan las características principales de adsorbentes microporosos.

1. Adsorbentes
microporosos
Operaciones Unitarias II
Romeo Estrella Marquez
15 de Marzo del 2017

2. Adsorbentes microporosos
Douglas M. Ruthven. (Inglaterra)
Principles of Adsorption and Adsorption Processes
1984. John Wiley and sons. New York.
Primera edición.
Paginas (1-19)

3. Indice
I. Introducción
II. Adsorción vs Destilación
III. Selectividad
IV. Gel de sílice
V. Alúmina activada
VI. Carbón activado
VII. Tamices moleculares de carbón
VIII. Zeolitas

4. 1. Introducción
La capacidad de los sólidos porosos para adsorber de forma reversible
grandes volúmenes de vapor se reconoció en el siglo XVIII y los primeros
experimentos fueron llevados a cabo por Scheele y Fontana, pero la
aplicación práctica de esta propiedad a la separación y purificación a
gran escala de corrientes de procesos industriales es relativamente
reciente.
El beneficio económico del proceso se deriva totalmente del aumento de
la pureza y, por lo tanto, del valor de la corriente que contiene el
componente principal.

5. 2. Adsorción vs Destilación
FIGURA 1.1. Grafica de eficiencia térmica (η),
número mínimo de etapas teóricas (N) y el
requerimiento mínimo de reflujo(R) contra la
volatilidad relativa (α) para la separación, por
destilación, de una hipotética mezcla 50-50.

6. Para la separación de una mezcla de benceno y tolueno (α ~ 2.4), el
rendimiento térmico es de aproximadamente 4,2%. A medida que disminuye la
volatilidad relativa, la eficiencia térmica disminuye rápidamente debido al
aumento del requerimiento de reflujo.
También se observa que el número mínimo de etapas teóricas requeridas para
efectuar la separación en reflujo total aumenta rápidamente con la disminución
de α, y es evidente que para sistemas en los que α es inferior a
aproximadamente 1.2 la destilación es muy ineficiente.

7. Por otro lado, a medida que disminuye la volatilidad relativa, un proceso
de adsorción se convierte eventualmente en la opción más económica.

8. 3. Selectividad
El requisito primario para un proceso de separación económica es un
adsorbente con selectividad, capacidad y vida útil suficientemente alta.
La selectividad puede depender de una diferencia en la cinética de
adsorción o en el equilibrio de adsorción.
El factor de separación considerando lo anterior se define
∝ 𝐴𝐵=
𝑋 𝐴
𝑋 𝐵
𝑌 𝐴
𝑌 𝐵
Donde 𝑋𝐴 y 𝑌𝐴 son, respectivamente, las fracciones molares del
componente A en las fases adsorbida y fluida en equilibrio.

9. El factor de separación definido de esta manera es precisamente análogo a la
volatilidad relativa, que mide la facilidad con la que los componentes pueden separarse
por destilación.
Dado que el factor de separación varía generalmente con la temperatura ya menudo
también con la composición, la elección de condiciones adecuadas para maximizar el
factor de separación es una consideración importante en el diseño del proceso.
Es necesario seleccionar una gama de posibles adsorbentes, lo cual se puede
conseguir mediante la medición de tiempos de retención cromatográficos

10. 4. Gel de sílice
El gel de sílice es una forma parcialmente deshidratada de ácido silícico
coloidal polimérico.
La composición química puede expresarse como 𝑆𝑖𝑂2 ∙ 𝑛𝐻2 𝑂.
Debido a su selectividad para aromáticos se utilizó gel de sílice como
adsorbente en el procedimiento de Arosorb para la separación de parafinas y
naftenos; sin embargo, comúnmente se utiliza como desecante.

11. FIGURA 1.2. Distribución de tamaño de poro para (a)
gel de sílice 𝑉𝑝 = 0.82 𝑐𝑚3
𝑔 ; (b) Alúmina porosa
𝑉𝑝 = 0.37 𝑐𝑚3
𝑔 ; (c) Tamiz de carbón molecular
𝑉𝑝 = 0.25 𝑐𝑚3
𝑔 ; (d) Carbón activado 𝑉𝑝 =

12. FIGURA 1.3. Isotermas de equilibrio para sorción de
vapor de agua a 25 ° C en tamiz molecular 4A,
alúmina activada y gel de sílice, (De ref. 19, John
Wiley & Sons, Inc 1974, reimpreso con permiso)

13. Las isotermas de agua para todas las zeolitas son similares, con una
meseta de saturación bien definida que corresponde al llenado completo
del volumen de microporos intracristalinos.
Por el contrario, las isotermas para gel de sílice y alúmina muestran un
aumento continuo en la carga con presión de vapor de agua como
resultado de la distribución del tamaño de microporos.

14. La información preliminar sobre la distribución del tamaño de los poros
puede ser deducida directamente de la forma de la isoterma de equilibrio.
Aunque el agua se adsorbe más fuertemente en tamices moleculares que
en alúmina o gel de sílice, como puede juzgarse a partir de las pendientes
iniciales de las isotermas, la capacidad final de gel de sílice, al menos a
bajas temperaturas, es generalmente más alta.

15. 5. Alúmina activada
La alúmina activada es una forma porosa de alto contenido de óxido de
aluminio, preparada directamente a partir de bauxita.
La superficie es más fuertemente polar que la de gel de sílice.
A temperaturas elevadas, la capacidad de alúmina activada es mayor que el gel
de sílice y, por lo tanto, se usó comúnmente como un agente desinfectante para
secar corrientes de aire caliente o de gas. Sin embargo, para esta aplicación se
ha reemplazado en gran parte por adsorbentes de tamiz molecular que exhiben
tanto una mayor capacidad como una menor presión de vapor de equilibrio.

17. 6. Carbón activado
El carbón activado se hace normalmente por descomposición térmica del
material carbónico, seguido por activación con vapor o dióxido de
carbono a una temperatura elevada (700- 1100 ° C).
La estructura del carbón activado consiste en microcristalitas
elementales de grafito, estas se apilan juntas en una configuración
aleatoria y son los espacios entre los cristales que forman los
microporos.

18. Son ampliamente utilizados para la adsorción de productos orgánicos en
azúcar decolorante, purificación de agua y sistemas de recuperación de
disolventes como muros, como para la adsorción de vapores de gasolina
en automóviles y como un adsorbente de uso general en campanas de
cocina y otros sistemas de purificación de aire.

19. 7. Tamices moleculares de carbón
Los adsorbentes de carbono activado muestran generalmente muy poca
selectividad en la adsorción de moléculas de diferente tamaño. Sin
embargo, mediante otros procedimientos de activación es posible
preparar adsorbentes de carbono con una distribución muy estrecha de
tamaño de microporos y que por lo tanto se comportan como tamices
moleculares.
La mayoría de los tamices de carbón comerciales se preparan a partir de
antracita o de hulla por oxidación controlada.

20. Actualmente la aplicación más importante a gran escala es en la
separación de aire. Sorprendentemente, el deterioro del tamiz debido a la
oxidación no parece haber sido un problema significativo.
Otras posibilidades de aplicación incluyen la limpieza de los gases de
escape de las instalaciones nucleares y la producción de corrientes de
gas puro de hidrógeno que contienen pequeñas cantidades de
hidrocarburos. Sin embargo, en las consideraciones de seguridad, el uso
de un adsorbente combustible es altamente indeseable.

21. 8. Zeolitas
Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos porosos. La estructura de la
zeolita consiste en un ensamblaje de 𝑆𝑖𝑂4 y Al𝑂4.
Dado que la estructura de microporos está determinada por la red
cristalina, esta es precisamente uniforme sin ninguna distribución del
tamaño de poro. Esta caracterıstica es la que distingue las zeolitas de los
adsorbentes microporosos tradicionales.

22. Figura 1.4. Estructura de una
zeolita Y.

23. 1. La zeolita es capáz del intercambio selectivo de iones.
2. La zeolita puede adsorber moléculas en su gran área interna, siempre
que puedan pasar por las ventanas. La zeolita y el carbón son iguales en
este aspecto, y se diferencian solamente en el área de adsorpción a la
que puede tener acceso una molécula dada que pase por sus poros.
3. Se puede usar la zeolita como un tamiz molecular debido a que tiene
un tamaño de ventana (o poro) uniforme.

24. 4. La zeolita es metaestable; quiere decir, es estable siempre que se
mantenga a una temperatura y a un pH adequados. Dentro de este
rango, no se ve afectada por oscilaciones grandes de temperatura,
presión, o radiación ionizante.

25. Gracias por su atención.