37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

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    OPERACIN UNITARIA: ADSORCIN

    ADSORCIN FISICA Y QUIMICA 1.- INTRODUCCIN La adsorcin es un fenmeno fisicoqumico de gran importancia, debido a sus aplicaciones mltiples en la industria qumica y en el laboratorio. En particular, resulta fundamental en procesos qumicos que son acelerados por la presencia de catalizadores cuyo estado de agregacin es distinto al de los reactivos. Este tipo de catlisis heterognea se utiliza en procesos como la pirlisis del petrleo, el proceso Haber para la sntesis de amoniaco (catalizador de Fe), la fabricacin de cido sulfrico (con V O ) y ntrico (con Pt/Rh), la 25hidrogenacin cataltica de aceites y grasas (con Pt/Pd), y muchos ms. Otro ejemplo lo encontramos en los convertidores catalticos de los automviles, donde los contaminantes se adsorben sobre catalizadores de Pt/Pd. Incluso a nivel biolgico, el primer paso en el proceso de catlisis enzimtica es la adsorcin del sustrato sobre la superficie de la enzima que se encuentra en suspensin coloidal (Atkins,1991; Greenwood, 1984; Snyder, 1995; West, 1956).

    La adsorcin es un proceso de separacin y concentracin de uno o ms componentes de un sistema sobre una superficie slida o lquida. Los distintos sistemas heterogneos en los que puede tener lugar la adsorcin son: slido-liquido, slido-gas y lquido-gas. Como en otros procesos de este tipo, los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases.

    La adsorcin constituye uno de los procesos ms utilizados dentro de los sistemas de tratamiento terciario de las aguas residuales. Se emplea, fundamentalmente, para retener contaminantes de naturaleza orgnica, presentes, en general, en concentraciones bajas, lo que dificulta su eliminacin por otros procedimientos. Cabe citar la eliminacin dc compuestos fenlicos, hidrocarburos aromticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloreadas, as como otras que comunican olor y sabor a las aguas. La operacin es menos efectiva para sustancias de pequeo tamao molecular y estructura sencilla, que suelen ser fcilmente biodegradables y, por ello, susceptibles de tratamiento biolgico El tratamiento de aguas es vital, en estos tiempos donde la contaminacin de los cuerpos de agua produce muchas enfermedades, que atacan a la poblacin ms desprotegida, es por esto que se estudian procesos de tratamiento de aguas para lograr el objetivo de agua potable para el consumo humano.

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    2- OBJETIVO GENERAL

    El objetivo general de este trabajo es el de Conocer y entender el fenmeno de la adsorcin, as como su aplicacin en el tratamiento de aguas.

    2.1-OBJETIVOS ESPECFICOS

    Conocer los aspectos tericos de la Adsorcin. Estudio de la metodologa y del mecanismo de la adsorcin. Revisin de un caso de estudio. Carbn activado Conocer la aplicacin del proceso de adsorcin en el tratamiento de aguas

    3.-MARCO TERICO 3.1- ASPECTO CONCEPTUAL DE ADSORCIN La adsorcin es la transferencia de un soluto en un gas o lquido (adsorbato) hacia la superficie de un slido (adsorbente) en donde el soluto es retenido como resultado de atracciones intermoleculares con las molculas slidas. Este proceso es muy semejante al de absorcin, con la diferencia de que en lugar de mezclarse completamente en la otra fase para estar en forma homognea en su nuevo estado, simplemente se adhiere a la superficie del slido adsorbente. Como regla general, los solutos ms fciles para adherirse son los compuestos ms complejos, molecularmente hablando, y los slidos ms usados son el carbn activado, almina activada, gel de slice, algunas tierras o arcillas especialmente activadas, entre otras. El proceso de intercambio inico cae dentro del proceso de adsorcin, pero con fuerzas intermoleculares ms fuertes al trabajar resinas inicas para suavizar agua. Las aplicaciones en las que se emplea ste proceso como separacin son: purificar aguas residuales, quitar olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites, jarabes de azcar, en la deshumidificacin de gasolinas, o en el secado de aire. Dada la naturaleza de la operacin de manejar slidos, es muy normal que se le empaque, generando un proceso por lotes para el slido, dado que se satura del soluto, y para volver a usarlo hay que regenerarlo. Lo anterior implica trabajar varios sistemas empacados en paralelo para que una de dichas unidades realice la funcin de adsorcin mientras que las otras estn regenerndose. Sistemas de flujo continuo, tanto para el slido como para el fluido, existen, pero para un anlisis en el laboratorio, es completamente un proceso semicontinuo, con excepcin de las plantas a nivel piloto que buscan describir a un proceso continuo industrial. Es difcil limitar el fenmeno de la adsorcin. En algunos casos la adsorcin es muy semejante a la reaccin qumica, pero en casos extremos es muy diferente de sta. A veces tiene lugar la adsorcin cuando no se espera una reaccin qumica.

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    Las fuerzas que intervienen en los fenmenos de adsorcin son distintas de las que se encuentran en las reacciones qumicas y en los compuestos qumicos ordinarios Si agitamos un slido dividido finamente en una solucin diluida de un colorante, observamos que disminuye la intensidad del color en la solucin. Si ponemos un slido dividido finamente, en contacto con un gas a baja presin, la presin disminuye considerablemente. En ambos casos el gas o el colorante son adsorbidos en la superficie. La magnitud del efecto depende de la temperatura, a naturaleza de la sustancia adsorbida ( EL ADSORBATO), la naturaleza y estado de subdivisin del adsorbente( el slido dividido finamente) y la concentracin del colorante o la presin del gas. El proceso de adsorcin se representa por medio de una ecuacin qumica. Si el adsorbato es un gas podemos escribir el siguiente equilibrio:

    A(g) + S ------- AS

    Donde: A es el adsorbato gaseoso, S es un sitio desocupado sobre la superficie y AS representa una molcula de A adsorbida o un sitio ocupado sobre la superficie. La isoterma de Freundlich fue una primera ecuacin para relacionar la cantidad adsorbida o un sitio ocupado sobre la superficie. La constante de equilibrio puede expresarse de la siguiente manera:

    K= X AS / XS P Donde: X AS = fraccin molar de sitios ocupados en la superficie XS = fraccin molar de sitios libres en la superficie P = presin del gas La isoterma de Langmuir en la forma de la ecuacin :

    = P/ (1+KP)

    Es generalmente ms til en la interpretacin de los datos, si solo se forma una capa. A presiones altas la superficie la superficie est casi totalmente cubierta con una capa monomolecular; esto significa que los cambios en la presin producen poca variacin en la cantidad adsorbida.

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    3.2.- ADSORCIN QUMICA Y FSICA.- 3.2.1- ADSORCIN FSICA Si el adsorbato y la superficie del adsorbente interactan slo por medio de fuerzas de Van der Waals, se trata de Adsorcin Fsica. Las molculas adsorbidas estn ligadas dbilmente a la superficie y los calores de adsorcin son bajos, apenas unas cuantas Kilocaloras, comparables al calor de vaporizacin del adsorbato. El aumento de la temperatura disminuye considerablemente la adsorcin . Como las fuerzas de Van der Waals son las que producen la licuacin, no se produce adsorcin a temperaturas superiores a la temperatura crtica del adsorbato gaseoso; si la presin del gas tiene valores cercanos a presin de vapor de equilibrio para el adsorbato lquido, se producir una adsorcin ms extensa en capas mltiples. 3.2.2- ADSORCIN QUMICA Se da cuando las molculas adsorbidas reaccionan qumicamente con la superficie, en este caso se forman y se rompen enlaces, el calor de adsorcin tiene intervalos de valores anlogos a los de una reaccin qumica hasta unas 100 Kcal. La adsorcin qumica no va ms all de una monocapa en la superficie, por lo tanto la isoterma de Langmuir predice el calor de adsorcin independiente de . La fraccin de superficie cubierta en el equilibrio.

    3.3.-FACTORES CARACTERSTICOS DE LOS PROCESOS DE ADSORCIN

    Los factores a considerar en un proceso de adsorcin son los siguientes:

    3.3.1- EL SISTEMA ADSORBENTE-ADSORBATO, EN LO RELATIVO A:

    a. Superficie especfica y porosidad del slido. b. Tamao de partcula. c. Tamao, estructura y distribucin de los poros.

    Estas caractersticas son muy importantes en las etapas de transferencia de masa por adsorcin:

    Difusin del soluto desde el seno de la fase fluida hasta superficie externa del adsorbente.

    Difusin de las molculas de adsorbato hasta el interior de los poros para alcanzar la superficie libre de los mismos.

    Adsorcin de las molculas de soluto sobre la superficie del slido, por fuerzas de tipo fsico o qumico.

    En general, la etapa de adsorcin es muy rpida en relacin con los procesos de difusin. En sistemas hidrodinmicos bien agitados (elevada velocidad relativa entre fases) la difusin externa es muy rpida y resulta cinticamente controlante el proceso de difusin

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    interna, siendo determinante al respecto, el tamao de las partculas del adsorbente y el dimetro de poro del mismo.

    d. Afinidad respecto del adsorbato, que depende de los grupos funcionales existentes en la superficie del adsorbente.

    e. Presin parcial o concentracin del adsorbato en la fase fluida.

    La capacidad final del adsorbente para un determinado soluto puede utilizarse o no plenamente en las condiciones del proceso real. En el lmite, se establece un equilibrio entre la concentracin del adsorbato en disolucin y la masa del mismo adsorbida por unidad de masa (o de superficie) del adsorbente; en muchos casos esta relacin de equilibrio se puede formular mediante ecuaciones relativamente sencillas, como la debida a Freundlich. Es importante el carcter ms o menos polar de las molculas de adsorbato, as como el tamao de las mismas. Se puede decir que