Adsorcion

Clasificación y propiedades de los
materiales químicos de adsorción
Control de la contaminación del aire
Rentería García Cesar Horacio
Ing. Química
7mo Semestre

Adsorción
La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas
son atrapadas o retenidas en la superficie de un material
La adsorción es el proceso mediante el cual un sólido poroso (a
nivel microscópico) es capaz de retener partículas de un fluido en
su superficie tras entrar en contacto con éste.
Adsorción química. El adsorbato forma enlaces fuertes en los
centros activos del adsorbente

Definiciones
• Adsorbato es la sustancia adsorbida y el adsorbente
el material sobre el cual lo hace.
• El proceso inverso de la adsorción es la desorción.

Características de la adsorción
• Puede utilizarse para fluidos y gases.
• La adsorción es un proceso exotérmico y se
produce por tanto de manera espontánea si el
adsorbente no se encuentra saturado.

Características de los materiales
adsorbentes
El adsorbente dispone de nanoporos, lo que
se conoce como centros activos, en los que las
fuerzas de enlace entre los átomos no están
saturadas. Estos centros activos admiten que
se instalen moléculas de naturaleza distinta a
la suya, procedentes de un gas en contacto
con su superficie.

Aplicaciones
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.

Generalidades
• Los materiales sólidos empleados como
adsorbentes son productos naturales o
sintéticos. En cualquier caso, el proceso de
fabricación ha de asegurar un gran desarrollo
superficial mediante una elevada porosidad.
Los adsorbentes naturales (arcillas, zeolitas)
tienen pequeñas superficies. Los adsorbentes
industriales y los carbones activados de buena
calidad pueden llegar a tener entre 1.000 y
1.500 m2
/g.

Comportamiento del adsorbato
A mayor temperatura, también disminuye la viscosidad del
solvente, facilitando la movilidad del adsorbato y por lo tanto
acelerando su velocidad de difusión hacia los poros. Todo lo
anterior generalmente resulta en un aumento de la adsorción
al aumentar la temperatura.

Arcillas de adsorción
• La alúmina {el óxido aluminio (Al2O3) } se utiliza para absorción
de las emisiones provenientes de las cubas.
• El gel de sílice es un desecante, es decir que quita
la humedad del lugar en que se encuentra. Se encuentra muy
generalmente en paquetes nuevos de aparatos ópticos,
electrónicos, etc. y sirve para absorber la humedad del aire
que rodea al medio.

Alúmina
La alúmina es el óxido de aluminio (Al2O3). Se recurre al
empleo de alúminas cuando se precisan soportes de
naturaleza ácida y con baja capacidad de adsorción. Las
alúminas comerciales que se utilizan como soporte de
catalizadores, suelen presentarse como mezcla de
diferentes fases cristalinas del óxido de aluminio. La
naturaleza y extensión de la superficie es por tanto muy
variable, cambiando con ello su actividad. Así, en el caso
de la a-alúmina nos encontramos con un soporte de gran
inercia desde el punto de vista químico, y de alta
resistencia mecánica.

Silicaalúminas
Son óxidos mixtos de silicio y de aluminio. Son utilizadas cuando se
precisan soportes que aporten una acidez superﬁcial elevada. Se
sintetizan mediante procesos de coprecipitación o de hidrólisis en los que
se forman ácido ortosilícico e hidróxido de aluminio que condensan dando
lugar a oxihidróxidos mixtos de silicio y aluminio. La relación Al/Si es de
gran importancia en la actividad superﬁcial de estos materiales; se puede
con- trolar fácilmente variando la proporción de los reactivos precursores.
Debe tenerse presente que la alta acidez superficial de las silicoalúminas
puede inducir reacciones indeseadas. Precisamente su actividad catalítica
intrínseca tuvo una enorme trascendencia en la Industria Petroquímica ya
que fueron ampliamente aprovechadas en procesos de craqueo del
petróleo, hasta que en la década de los 60 fueron prácticamente
sustituidas por zeolitas (silicoaluminatos cristalinos).

Otros óxidos metálicos
Además de los óxidos anteriores, se utilizan también, pero
con menor frecuencia, óxidos de magnesio, de titanio. de
zirconío, etc. Todos ellos son soportes de baja o muy baja
actividad, y se emplean en reacciones como la deshidratación
y la deshidrogenación de alcoholes. Ciertos soportes como el
dióxido de titanio. pueden presentar fuertes interacciones de
tipo electrónico con determinados metales de transición
soportados; dichas interacciones son conocidas como efecto
SMSl («strong metal support interactions») que tiene utilidad
en procesos catalíticos muy especíﬁcos, como son por
ejemplo algunos procesos de síntesis.

Carbón
Diferentes tipos de carbonos amorfos (negro de carbón:
«charcoal») o cristalinos del tipo del grafito, pueden ser
empleados como soportes de catalizadores; en cualquier
caso, su uso está limitado fundamentalmente a procesos que
transcurren en fase liquida. Los carbonos amorfos poseen, en
particular el negro de carbón, superficies específicas muy
elevadas, pero no presentan gran resistencia mecánica. ni
permiten el desarrollo de procesos de regeneración oxidativa,
lo cual junto con su elevada capacidad de adsorción
desaconsejan su empleo para muchos procesos.

Arcilla: y otros silicato: naturales
Las arcillas más comúnmente empleadas como soporte de
catalizadores son: caolinita, bentonita (montmorillonita),
paligorskita y sepiolita. Poseen superﬁcie especíﬁca (externa)
muy variable. Su utilización esta relativamente limitada a
procesos muy concretos.

• La adsorción involucra la separación de una
sustancia de una fase acompañada por la
acumulación en la superficie de otra.
• Basados en el proceso especifico que se
llevara a cabo, es posible elegir de una
variedad de adsorbentes.

Medios de adsorción
La imagen muestra el
proceso básico de adsorción.
Material de la fase liquida es
concentrado en la superficie
del solido.
La fase que adsorbe (solido)
es llamado el adsorbente y el
material que esta siendo
adsorbido en la superficie de
esa fase es el adsorbato.
Nótese que la adsorción, es
diferente al proceso de
absorción que involucra la
interpenetración de un
material en otro.

• Dos tipos de adsorción pueden ocurrir. El
primero, fisisordcion, es un proceso físico que
ocurre debajo de 200 C. El material es
adsorbido debido a las interacciones entre las
moléculas del adsorbente y el adsórbato.

• El segundo tipo de adsorción, es la
quimisordcion, es un proceso químico que
comúnmente ocurre arriba de los 200 C. La
adsorción ocurre por la formación de
compuestos químicos.

• Adsorbentes como los que se muestran, son
fabricados de materiales sintéticos o naturales y
tienen una estructura amorfa o microcristalina.
Son granulares y generalmente extremadamente
porosos, con áreas internas y de superficie
extensas. Como ejemplos se incluyen las arcillas,
alúminas y silicatos.

• Cuando se escoge un adsorbente, ambas propiedades físicas y químicas
de dicho adsorbente deben de ser consideradas.
• Las propiedades físicas que influyen en el diseño incluyen el área
superficial, la estructura de superficie, tamaño, y distribución de poros.
• Las propiedades que influyen en el diseño del adsorbente incluyen el
grado de ionización de la superficie, y el grado en que estas propiedades
químicas varían con los parámetros del proceso y por el contacto con la
solución.
• En la foto de la izquierda se muestra un descante de arcilla. Y en la foto de
la derecha un adsorbente de tamiz molecular.

• Cuando el adsorbente se satura con adsorbato es desechado
o regenerado.
• El adsorbente típicamente es desechado cuando se lleva a
cabo una quimisordcion, dado que el adsorbente ha sufrido
un cambio químico irreversible. Después de una fisisordcion,
el adsorbente puede ser regenerado por calentamiento a
altas temperaturas.
La foto a la derecha muestra
un desecante hecho de silica
gel.

• Hay tres tipos de materiales adsorbentes:
• Carbones activados, materiales poliméricos sintéticos, y materiales
carboneos.
• El carbón activado como el que se muestra abajo, es el adsorbente mas
antiguo y mas utilizado. Es natural, para usos múltiples y se utiliza mucho
como adsorbente base. Las imágenes de blanco y negro muestran de
cerca los poros del carbón activado.

• Los adsorbentes carboneos presentan una matriz de carbón
en una manera no muy convencional. Uno o mas adsorbentes
carboneos exóticos han sido recientemente desarrollados
como lo es el conocido fulereno, también conocido como
futboleno.
• Adsorbentes poliméricos sintéticos, como el que se muestra
debajo en el centro, son de resina con tecnología de
intercambio iónico. Los adsorbentes poliméricos tienen una
estructura porosa arreglada en una matriz tridimensional.

Otra tecnología innovadora de aplicación actual para adsorción es el uso
de micelas. Se denomina micela al conglomerado de moléculas que
constituye una de las fases de los coloides. Es el mecanismo por la cual el
jabón solubiliza las moléculas insolubles en agua, como las grasas. Sin
embargo en el caso de las micelas la adsorción ocurre alrededor del
conglomerado y generalmente el adsorbato es agua mientras que el
material adsorbedor es hidrofobico y se encuentra en el centro.

• Los adsorbentes tienen un amplio rango de usos y variedades . Algunos carbones
activados son usados en la defensa militar contra la guerra. Cartuchos de carbón
activado se colocan en mascaras antigases para adsorber los gases dañinos. El
carbón activado tiene 1,000,000 de millas cuadradas de área superficial por
kilogramo de adsorbente.
• La silica gel, contenida en los paquetes de la imagen se utiliza como agentes
desecantes en las industrias de alimentos y electrónica.
• Otros ejemplos de adsorbentes incluyen las tierras de fuller y bauxita. Las tierras
de fuller son utilizadas en las refinerías petroleras, y también se utilizan para
purificar aceites animales y vegetales. La Bauxita es un adsorbente utilizado para
deshidratar corrientes gaseosas.

• Ventajas:
• -El carbón activado es económico
• -Puede ser diseñado para aplicaciones
especificas
• -Es posible regenerarlo después de la
fisisorcion
• Desventajas:
• Componentes no deseados pueden ser
adsorbidos en la superficie del adsorbente en
el lugar del adsorbato deseado.
• La regeneración no es posible después de la
quimisorcion.

Equipo de adsorción
Columnas de contacto
• Los adsorbedores de columna de contacto se
utilizan en la purificación de soluciones.

• Los adsorbedores de columna de contacto pueden operar en
dos modos: como lechos empacados arreglados fijos, o lechos
empacados en movimiento o de pulso.
• La operación del lecho de empaque fijo que se muestra en la
imagen es la forma mas antigua de adsorcion por columna de
contacto. El adsorbente de empaque se coloca dentro de la
columna y la solucion que se va a tratar fluye por encima, a
traves, y alrededor de el. El lecho empacado debe de ser
sacado para reemplazarlo o regenerarlo al utilizarse.

• En un adsorbedor de lecho de empaque en
movimiento o de pulso la solución no tratada entra
al adsorbedor por el fondo y fluye hacia arriba de la
columna. Al mismo tiempo adsorbente fresco entra
al adsorbedor desde arriba de la columna y sale por
el fondo. El adsorbente utilizado es continuamente
removido mientras que el adsorbente fresco es
continuamente agregado, permitiendo una
operación mas eficiente.

• En la operación de adsorción de arreglo de columnas de empaque de lecho fijo,
estas pueden ser arregladas en serie o paralelo, y pueden funcionar en modalidad
de flujo hacia arriba o hacia abajo.
• En las columnas de contacto en modo de serie el efluente de el primer empaque
pasa a un segundo empaque. Si es necesario, lechos adicionales se pueden colocar
en serie. El primer lecho empacado se quita para reactivación cuando el
adsorbente se satura con adsorbato. El siguiente empaque en la secuencia asume
el rol principal y un empaque fresco se adiciona a la posición final

• En las operaciones de empaque en paralelo el
efluente de todas las columnas es tratado
antes de descargarse. Los lechos de empaques
en paralelo son removidos de la operación por
etapas para que el sistema siga funcionando y
también para poder variar parámetros de
descarga.

• Las operaciones de lecho empacado de pulso
están restringidas a la operación de flujo hacia
arriba. Equipo adicional es requerido para
reciclar el adsorbente, el cual permite una
operación mas eficiente.

• Se desea utilizar un adsorbente tan pequeño como sea
posible. A tamaños pequeños el área de superficie, y por lo
tanto el radio del área de contacto del empacamiento de
adsorbato, es mayor. Esto aumenta la tasa de adsorción. Sin
embargo, las partículas de adsorbente no deben ser muy
pequeñas por que obstruirán el flujo correcto de la solución a
través de la columna.

• Ventajas:
• Series de lechos fijos tienen mayor eficiencia que una sola
columna de lecho fijo
• Los lechos fijos en paralelo aseguran que la corriente cuente
con la concentración de contaminantes requeridos
• En los empaques de lechos de pulso o dinámicos no se
requiere apagar el equipo para reponer o regenerar el
adsorbente.
• Desventajas:
• Se requiere equipo adicional para los lechos de pulso
• La operación en lechos en paralelo es ineficiente
• Los lechos fijos requieren que se pause el proceso para
reemplazar el empaque

Adsorbedores de lechada de
contacto
• Los adsorbedores de lechada de contacto utilizan una lechada
adsorbente en polvo para adsorber el material deseado.
Debajo se muestran unos adsorbedores de lechada de
contacto que se utilizan en la producción de acido clorhídrico.

• En los adsorbedores de lechada de contacto el polvo de
adsorbente se mezcla con la solución que será tratada y la
mezcla es luego agitada. La agitación distribuye al adsorbente
a través de la solución . El adsorbente es después removido
de la solución purificada por filtración.
• La adsorción de lechado de contacto puede ser llevada a cabo
de varias formas : en una sola etapa (batch), múltiples etapas
(múltiple batch), múltiples etapas a contracorriente y de
forma continua

• En el tratamiento batch de una sola etapa el
adsorbente fresco se pone en contacto con el fluido
en un contenedor completamente mezclado.
Después del tiempo de contacto requerido, el
adsorbente es separado del fluido por filtración. En
este punto, el fluido purificado es de la calidad
deseada y el adsorbente utilizado es desechado o
regenerado.

• En un batch de tratamiento de etapas múltiples la solución
pasa por muchas etapas individuales. El efluente de una etapa
entra mientras la solución es tratada en la siguiente etapa. En
este tipo de tratamiento, También conocido como
tratamiento dividido, cada etapa implica una parte de la
separación total.

• En las etapas múltiples a contracorriente la separación por
adsorción es un sistema de dos pasos. Involucra el contacto
entre la solución sin tratar con un adsorbente utilizado una
única vez el cual, después de este segundo uso, es desechado
o regenerado.
• El fluido parcialmente tratado es entonces puesto en
contacto con el adsorbedor fresco el cual, después de la
separación, se convierte en el adsorbente que va a tratar una
nueva solución de alimentación en el batch.

• En un adsorbedor de lechada de contacto continuo una serie
de tanques agitados son utilizados para alcanzar un flujo
uniforme. La adsorción toma lugar mientras que el
adsorbente y solución viajan a través de una serie de
tanques . Cuando la concentración deseada a sido alcanzada,
el adsorbente es filtrado de la solución purificada.

• Algunas aplicaciones comunes de la adsorción
por lechada de contacto se incluyen en la
purificación del agua, aplicaciones
farmacéuticas, y en decoloración. Debajo se
muestra un sistema de carbón activado para
recuperación de COV`S

• Ventajas:
• El contacto contracorriente puede bajar los costos de
operación
• No es necesario apagar el equipo para mantener el
catalizador fresco
• Desventajas:
• Los procesos de etapas multiples son mas caros que
etapas individuales
• Se requiere equipo de filtracion adicional
• Sin regeneracion, el uso de adsorbedores de polvo
de lechada de contacto pueden resultar caros

Referencias
http://es.wikipedia.org/wiki/Adsorci%C3%B3n
Introducción a la ciencia de materiales:
http://books.google.com.mx/books?
id=LQdvFXZ6ndUC&pg=PA205&lpg=PA205&dq=materiales+d
e+adsorcion&source=bl&ots=1A85J-
OhTM&sig=_zDIMSTAQxM3RIDKQVcTNswrP
http://html.rincondelvago.com/adsorcion.html
CD de libro Principios Elementales de los Procesos Químicos
Felder Rosseau

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