37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

41
1 OPERACIÓN UNITARIA: ADSORCIÓN ADSORCIÓN FISICA Y QUIMICA 1.- INTRODUCCIÓN La adsorción es un fenómeno fisicoquímico de gran importancia, debido a sus aplicaciones múltiples en la industria química y en el laboratorio. En particular, resulta fundamental en procesos químicos que son acelerados por la presencia de catalizadores cuyo estado de agregación es distinto al de los reactivos. Este tipo de catálisis heterogénea se utiliza en procesos como la pirólisis del petróleo, el proceso Haber para la síntesis de amoniaco (catalizador de Fe), la fabricación de ácido sulfúrico (con V O ) y nítrico (con Pt/Rh), la 25hidrogenación catalítica de aceites y grasas (con Pt/Pd), y muchos más. Otro ejemplo lo encontramos en los convertidores catalíticos de los automóviles, donde los contaminantes se adsorben sobre catalizadores de Pt/Pd. Incluso a nivel biológico, el primer paso en el proceso de catálisis enzimática es la adsorción del sustrato sobre la superficie de la enzima que se encuentra en suspensión coloidal (Atkins,1991; Greenwood, 1984; Snyder, 1995; West, 1956). La adsorción es un proceso de separación y concentración de uno o más componentes de un sistema sobre una superficie sólida o líquida. Los distintos sistemas heterogéneos en los que puede tener lugar la adsorción son: sólido-liquido, sólido-gas y líquido-gas. Como en otros procesos de este tipo, los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases. La adsorción constituye uno de los procesos más utilizados dentro de los sistemas de tratamiento terciario de las aguas residuales. Se emplea, fundamentalmente, para retener contaminantes de naturaleza orgánica, presentes, en general, en concentraciones bajas, lo que dificulta su eliminación por otros procedimientos. Cabe citar la eliminación dc compuestos fenólicos, hidrocarburos aromáticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloreadas, así como otras que comunican olor y sabor a las aguas. La operación es menos efectiva para sustancias de pequeño tamaño molecular y estructura sencilla, que suelen ser fácilmente biodegradables y, por ello, susceptibles de tratamiento biológico El tratamiento de aguas es vital, en estos tiempos donde la contaminación de los cuerpos de agua produce muchas enfermedades, que atacan a la población más desprotegida, es por esto que se estudian procesos de tratamiento de aguas para lograr el objetivo de agua potable para el consumo humano.

Transcript of 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

Page 1: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

1

OPERACIÓN UNITARIA: ADSORCIÓN

ADSORCIÓN FISICA Y QUIMICA 1.- INTRODUCCIÓN La adsorción es un fenómeno fisicoquímico de gran importancia, debido a sus aplicaciones múltiples en la industria química y en el laboratorio. En particular, resulta fundamental en procesos químicos que son acelerados por la presencia de catalizadores cuyo estado de agregación es distinto al de los reactivos. Este tipo de catálisis heterogénea se utiliza en procesos como la pirólisis del petróleo, el proceso Haber para la síntesis de amoniaco (catalizador de Fe), la fabricación de ácido sulfúrico (con V O ) y nítrico (con Pt/Rh), la 25hidrogenación catalítica de aceites y grasas (con Pt/Pd), y muchos más. Otro ejemplo lo encontramos en los convertidores catalíticos de los automóviles, donde los contaminantes se adsorben sobre catalizadores de Pt/Pd. Incluso a nivel biológico, el primer paso en el proceso de catálisis enzimática es la adsorción del sustrato sobre la superficie de la enzima que se encuentra en suspensión coloidal (Atkins,1991; Greenwood, 1984; Snyder, 1995; West, 1956).

La adsorción es un proceso de separación y concentración de uno o más componentes de un sistema sobre una superficie sólida o líquida. Los distintos sistemas heterogéneos en los que puede tener lugar la adsorción son: sólido-liquido, sólido-gas y líquido-gas. Como en otros procesos de este tipo, los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases.

La adsorción constituye uno de los procesos más utilizados dentro de los sistemas de tratamiento terciario de las aguas residuales. Se emplea, fundamentalmente, para retener contaminantes de naturaleza orgánica, presentes, en general, en concentraciones bajas, lo que dificulta su eliminación por otros procedimientos. Cabe citar la eliminación dc compuestos fenólicos, hidrocarburos aromáticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloreadas, así como otras que comunican olor y sabor a las aguas. La operación es menos efectiva para sustancias de pequeño tamaño molecular y estructura sencilla, que suelen ser fácilmente biodegradables y, por ello, susceptibles de tratamiento biológico El tratamiento de aguas es vital, en estos tiempos donde la contaminación de los cuerpos de agua produce muchas enfermedades, que atacan a la población más desprotegida, es por esto que se estudian procesos de tratamiento de aguas para lograr el objetivo de agua potable para el consumo humano.

Page 2: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

2

2- OBJETIVO GENERAL

El objetivo general de este trabajo es el de Conocer y entender el fenómeno de la adsorción, así como su aplicación en el tratamiento de aguas.

2.1-OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Conocer los aspectos teóricos de la Adsorción. Estudio de la metodología y del mecanismo de la adsorción. Revisión de un caso de estudio. Carbón activado Conocer la aplicación del proceso de adsorción en el tratamiento de aguas

3.-MARCO TEÓRICO 3.1- ASPECTO CONCEPTUAL DE ADSORCIÓN La adsorción es la transferencia de un soluto en un gas o líquido (adsorbato) hacia la superficie de un sólido (adsorbente) en donde el soluto es retenido como resultado de atracciones intermoleculares con las moléculas sólidas. Este proceso es muy semejante al de absorción, con la diferencia de que en lugar de mezclarse completamente en la otra fase para estar en forma homogénea en su nuevo estado, simplemente se adhiere a la superficie del sólido adsorbente. Como regla general, los solutos más fáciles para adherirse son los compuestos más complejos, molecularmente hablando, y los sólidos más usados son el carbón activado, alúmina activada, gel de sílice, algunas tierras o arcillas especialmente activadas, entre otras. El proceso de intercambio iónico cae dentro del proceso de adsorción, pero con fuerzas intermoleculares más fuertes al trabajar resinas iónicas para suavizar agua. Las aplicaciones en las que se emplea éste proceso como separación son: purificar 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. Dada la naturaleza de la operación de manejar sólidos, es muy normal que se le empaque, generando un proceso por lotes para el sólido, 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 función de adsorción mientras que las otras estén regenerándose. Sistemas de flujo continuo, tanto para el sólido como para el fluido, existen, pero para un análisis en el laboratorio, es completamente un proceso semicontinuo, con excepción de las plantas a nivel piloto que buscan describir a un proceso continuo industrial. Es difícil limitar el fenómeno de la adsorción. En algunos casos la adsorción es muy semejante a la reacción química, pero en casos extremos es muy diferente de ésta. A veces tiene lugar la adsorción cuando no se espera una reacción química.

Page 3: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

3

Las fuerzas que intervienen en los fenómenos de adsorción son distintas de las que se encuentran en las reacciones químicas y en los compuestos químicos ordinarios Si agitamos un sólido dividido finamente en una solución diluida de un colorante, observamos que disminuye la intensidad del color en la solución. Si ponemos un sólido dividido finamente, en contacto con un gas a baja presión, la presión 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 subdivisión del adsorbente( el sólido dividido finamente) y la concentración del colorante o la presión del gas. El proceso de adsorción se representa por medio de una ecuación química. 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 molécula de A adsorbida o un sitio ocupado sobre la superficie. La isoterma de Freundlich fue una primera ecuación 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 = fracción molar de sitios ocupados en la superficie XS = fracción molar de sitios libres en la superficie P = presión del gas La isoterma de Langmuir en la forma de la ecuación :

θ = Κ P/ (1+KP)

Es generalmente más útil en la interpretación de los datos, si solo se forma una capa. A presiones altas la superficie la superficie está casi totalmente cubierta con una capa monomolecular; esto significa que los cambios en la presión producen poca variación en la cantidad adsorbida.

Page 4: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

4

3.2.- ADSORCIÓN QUÍMICA Y FÍSICA.- 3.2.1- ADSORCIÓN FÍSICA Si el adsorbato y la superficie del adsorbente interactúan sólo por medio de fuerzas de Van der Waals, se trata de Adsorción Física. Las moléculas adsorbidas están ligadas débilmente a la superficie y los calores de adsorción son bajos, apenas unas cuantas Kilocalorías, comparables al calor de vaporización del adsorbato. El aumento de la temperatura disminuye considerablemente la adsorción . Como las fuerzas de Van der Waals son las que producen la licuación, no se produce adsorción a temperaturas superiores a la temperatura crítica del adsorbato gaseoso; si la presión del gas tiene valores cercanos a presión de vapor de equilibrio para el adsorbato líquido, se producirá una adsorción más extensa en capas múltiples. 3.2.2- ADSORCIÓN QUÍMICA Se da cuando las moléculas adsorbidas reaccionan químicamente con la superficie, en este caso se forman y se rompen enlaces, el calor de adsorción tiene intervalos de valores análogos a los de una reacción química hasta unas 100 Kcal. La adsorción química no va más allá de una monocapa en la superficie, por lo tanto la isoterma de Langmuir predice el calor de adsorción independiente de �. La fracción de superficie cubierta en el equilibrio.

3.3.-FACTORES CARACTERÍSTICOS DE LOS PROCESOS DE ADSORCIÓN

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

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

a. Superficie específica y porosidad del sólido. b. Tamaño de partícula. c. Tamaño, estructura y distribución de los poros.

Estas características son muy importantes en las etapas de transferencia de masa por adsorción:

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

• Difusión de las moléculas de adsorbato hasta el interior de los poros para alcanzar la superficie libre de los mismos.

• Adsorción de las moléculas de soluto sobre la superficie del sólido, por fuerzas de tipo físico o químico.

En general, la etapa de adsorción es muy rápida en relación con los procesos de difusión. En sistemas hidrodinámicos bien agitados (elevada velocidad relativa entre fases) la difusión externa es muy rápida y resulta cinéticamente controlante el proceso de difusión

Page 5: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

5

interna, siendo determinante al respecto, el tamaño de las partículas del adsorbente y el diámetro de poro del mismo.

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

e. Presión parcial o concentración 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 límite, se establece un equilibrio entre la concentración del adsorbato en disolución y la masa del mismo adsorbida por unidad de masa (o de superficie) del adsorbente; en muchos casos esta relación de equilibrio se puede formular mediante ecuaciones relativamente sencillas, como la debida a Freundlich. Es importante el carácter más o menos polar de las moléculas de adsorbato, así como el tamaño de las mismas. Se puede decir que el soluto se adsorberá más fácilmente cuando la afinidad de aquél por la superficie sea superior a su afinidad por el disolvente. Por tanto, la energía de unión entre la superficie y la sustancia considerada depende de la naturaleza de los solutos que han de adsorberse.

Por ello, hay que conocer los aspectos cinéticos y termodinámicos del proceso, con los mecanismos y las resistencias que los regulan, pues éstas determinan el tiempo de contacto necesario y, así, el tamaño de las instalaciones.

3.4.- LOS MATERIALES ADSORBENTES

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.

Otras características importantes que debe reunir un buen adsorbente son las siguientes:

• Alta capacidad de adsorción. La relación dé equilibrio entre las fases influye en la eficacia con que se alcanza la capacidad final y, en muchos casos, controla la capacidad real del soluto.

Como quiera que los mecanismos de unión son muy complejos y no se han determinado con precisión aún, no se dispone de una norma satisfactoria mediante la cual puedan preverse, a priori las afinidades relativas entre un material poroso y una sustancia.

• Propiedades físicas y tamaño de partícula adecuados para garantizar la necesaria resistencia mecánica y facilidad de manejo, produciendo la menor pérdida de carga posible tanto en lechos fijos como en los móviles o fluidizados.

• Coste bajo, tanto de la materia prima como del proceso de fabricación.

Page 6: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

6

• Fácil regeneración; por desorción, especialmente en el caso de los procesos continuos.

La adsorción es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra sobre la superficie de otra fase (generalmente 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". Por contra, 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. El proceso de adsorción incluye tres pasos necesarios: Paso 1.- En primer lugar el fluido debe entran en contacto con el adsorbente (donde se establece un equilibrio entre el fluido adsorbido y el fluido que permanece en la fase fluida) para que el compuesto para adsorber que adsorba en forma preferencial o selectiva sobre la adsorbente. Paso 2.- El fluido no adsorbido debe separarse de la mezcla adsorbente – adsorbato. Paso 3. El adsorbente debe regenerarse, mediante la eliminación del adsorbato, o bien, desecharse el advente utilizado y reemplazarse por material nuevo.

Page 7: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

7

El término adsorción incluye la adsorción y la absorción conjuntamente, siendo una expresión general para un proceso en el cual un componente se mueve desde una fase para acumularse en otra, principalmente en los casos en que la segunda fase es sólida. La principal distinción entre sorción (adsorción y absorción) y cambio iónico es que las ecuaciones que describen la sorción consideran solamente una especie química, de manera que la distribución del soluto entre la disolución y el sólido responde a una relación simple, lineal o no. Las ecuaciones para el cambio iónico tienen en cuenta todos los iones que compiten por los lugares de intercambio. 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. La sorción y el cambio iónico son procesos de gran interés en hidrogeoquímica ya que regulan de manera notable el transporte de contaminantes químicos en acuíferos y suelos. 3.5.-TIPOS DE ADSORCIÓN Cabe distinguir tres tipos de adsorción según que la atracción entre el soluto y el adsorbente sea de tipo eléctrico, de Van der Waals o de naturaleza química. La adsorción del primer tipo cae de lleno dentro del intercambio iónico y a menudo se le llama adsorción por intercambio, que es un proceso mediante el cual los iones de una sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados

Page 8: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

8

de la superficie. Para dos absorbatos iónicos posibles, a igualdad de otros factores, la carga del ión es el factor determinante en la adsorción de intercambio. Para iones de igual carga, el tamaño molecular (radio de solvatación) determina el orden de preferencia para la adsorción. Este tipo de adsorción se comenta con detalle más adelante. La adsorción que tiene lugar debido a las fuerzas de Van del Waals se llama generalmente adsorción física. En estos caso, la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, sino más bien está libre de trasladarse dentro de la interfase. Esta adsorción, en general, predomina a temperaturas bajas. La adsorción de la mayoría de las sustancias orgánicas en el agua con carbón activado se considera de naturaleza física. Si el adsorbato sufre una interacción química con el adsorbente, el fenómeno se llama adsorción química, adsorción activa o quimisorción. Las energías de adsorción son elevadas, del orden de las de un enlace químico, debido a que el adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del adsorbente. Esta adsorción suele estar favorecida a una temperatura elevada. La mayor parte de los fenómenos de adsorción son combinaciones de las tres formas de adsorción y, de hecho, no es fácil distinguir entre adsorción física y química. 3.6.-EQUILIBRIO DE ADSORCIÓN E ISOTERMAS DE ADSORCIÓN La adsorción de una especie química presente en la solución del suelo (adsorbato) por los constituyentes de la fase sólida del suelo (adsorbente) ocurre debido a la interacciones entre la superficie activa de las partículas sólidas y el adsorbato. La cantidad adsorbida de una determinada especie depende no sólo de la composición del suelo sino también de la especie química de la que se trata y de su concentración en la solución. Para estudiar la adsorción de un compuesto químico sobre un suelo pueden ser usadas dos técnicas de laboratorio : experiencias en batch y experiencias con columnas. Las experiencias en batch consisten en mezclar y agitar una cantidad determinada de suelo con disoluciones de diferentes concentraciones del soluto estudiado, por ejemplo, un metal pesado. Previamente, se tiene que determinar la concentración de este metal en el suelo. La gráfica que representa el metal adsorbido, Cs, en función de la concentración de la disolución, Cm, es la isoterma de adsorción, cuya expresión general es :

Cs = Kd Cm donde Kd se llama constante de adsorción, coeficiente de distribución o coeficiente de partición. Cuando la isoterma no es lineal, hay otras aproximaciones para describir la distribución entre el suelo y la disolución. Las más utilizadas son las de Freundlich y Langmuir.

Page 9: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

9

La ecuación general de la isoterma de Freundlich es :

donde K es la constante de adsorción y n una constante cuyo valor varía entre 0 y 1. La forma lineal es :

La isoterma de Langmuir tiene la forma :

donde a y b son constantes que dependen del tipo de suelo y del tipo de especie química. La forma lineal es :

Page 10: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

10

La constante a es Km, que representa la máxima capacidad de adsorción. b/a es una nueva constante, A, relacionada con la energía de adsorción. La ecuación final es :

Las experiencias en batch no son totalmente representativas de las condiciones naturales, ya que ofrecen una gran superficie específica y, por tanto, la máxima posibilidad de adsorción. Además, se puede considerar que el flujo es nulo. Las experiencias en columnas reflejan mejor las condiciones de campo, ya que permiten controlar la velocidad de flujo y obtener de este modo coeficientes de distribución más realistas. 3.7.-COEFICIENTES DE DISTRIBUCIÓN PARA CONTAMINANTES ORGÁNICOS Muchos contaminantes orgánicos son hidrofóbicos, lo que significa que tienen baja afinidad para solubilizarse en agua, que es un líquido polar, y mayor para hacerlo en líquidos apolares. Estos contaminantes son fácilmente absorbidos en la materia orgánica de los sedimentos. El coeficiente de distribución de estos compuestos químicos está relacionado con el coeficiente de distribución del compuesto entre el agua y un líquido apolar, como el octanol. Este último es llamado también constante de partición o coeficiente de extracción, que puede ser calculado en un embudo separador, con agua y octanol, en el que introduce el compuesto; después de agitar se toman separadas las fases y se analiza la concentración en cada una de ellas, Cw y Co, obteniéndose el coeficiente de distribución Kow = Co / Cw. Este coeficiente está relacionado con el coeficiente de distribución entre el carbono orgánico y el agua, Koc, según la ecuación (Karickhoff, 1981):

log Koc = a log Kow + b Tipo de sustancia a b sustancias para agricultura 0.544 1.337 Hidrocarburos policíclicos aromáticos 1.00 -0.21 Triacinas, nitroanilinas 0.937 -0.006 Herbicidas, insecticidas 1.029 -0.18 Compuestos heterocíclicos aromáticos 1.00 -0.317 Hidrocraburos cloruados alquibencenicos 0.72 0.49 Fenilureas sustituidas y alquil-N fenilcarbamatos 0.52 0.64 Dado que puede variar la naturaleza de la materia orgánica presente en el agua y en el sedimento, es preferible utilizar el Kow como primera aproximación al Koc, excepto que se tenga datos experimentales del Koc.

Page 11: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

11

El log Koc se refiere a la partición entre el agua y una fase 100% de carbono orgánico; el coeficiente de distribución real para el sedimento se obtiene como K'd = Koc foc donde foc es la fracción de carbono orgánico. Esta relación es válida para foc mayor de 0.001, ya que de lo contrario la adsorción sobre compuestos no orgánicos puede ser relativamente importante. 4.0.- ASPECTO CONTEXTUAL 4.1-DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Las moléculas a partir de la fase gas o del líquido serán unidas de una manera física a una superficie, en este caso esa superficie es el carbón activado. El proceso de la adsorción ocurre en tres pasos:

Macro – transporte :El movimiento del material orgánico a través del sistema del macro-poros del carbón activado( macro-poros > 50 nm)

Micro-transporte: El movimiento del material orgánico a través del sistema del microporos del carbón activado(microporo < 2nm; meso-poro los 2-50 nm)

Adsorción: El accesorio físico del material orgánico en la superficie del carbón activado en los meso-poros y micro-poros del carbón activo.

4.2- METODOLOGÍA DEL PROCESO DE ADSORCIÓN

Page 12: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

12

Isotermas de adsorción a diferentes temperaturas. T1 es la temperatura

más baja, q representa el grado de adsorción.

Resultados experimentales. C0, concentración inicial; C, concentración al equilibrio; mc, masa de carbón activado; N, cantidad de ácido acético

adsorbido por gramo de carbón.

Co (mol/L) C (mol/L) mC (g) N (mmol/g) 0.1523 0.1417 1.004 1.05 0.1211 0.1105 1.014 1.04 0.0914 0.0823 1.078 0.85 0.0605 0.0538 1.024 0.66 0.0311 0.0254 1.000 0.58 0.0160 0.0131 0.998 0.29

4.3.- SELECCIÓN DEL ADSORBENTE Por lo general los adsorbente industriales pueden adsorber tanto gases como vapores orgánicos e inorgánicos. Sin embargo, sus características de absorción preferencial y otras propiedades físicas hacen que los adsorbentes sean más o menos específicos para una aplicación particular. La experiencia general ha demostrado que para la adsorción para materias orgánicos el carbón activado tiene propiedades superiores. Los adsorbentes inorgánicos como por

Page 13: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

13

ejemplo la alumina activada y del de sílice, también se pueden utilizar para adsorber materias orgánicas, como también vapor de agua con materias orgánicos. Ninguno de los adsorbentes tiene una capacidad suficiente de retención para un contaminante en particular en estas aplicación un adsorbente con un área superficialmente grande se impregna con un compuesto inorgánico, o en raras ocasiones con un compuesto orgánico con de alto peso molecular que puede reaccionar químicamente con el contaminante especifico. Ya que la adsorción se efectúa en el límite de interfase el área superficial de adsorbente es una consideración importante. Por lo general cuando mas grande el área superficial mayor será la capacidad de adsorción. 4.4.- PARÁMETROS DE DISEÑO.- Una vez seleccionado el adsorbente, el siguiente paso consiste en calcular la cantidad de adsorbente requerido y, en ocasiones se deben considerar otras factores como el incremento de la temperatura de la corriente gaseoso debido a la adsorción y la vida útil de adsorbente en las condiciones de operación. El calculo de las dimensiones y diseño global del sistema de adsorción depende de las propiedades y características tanto del gas alimentado para su eliminación como del adsorbente. Parta propósito de diseño deben disponerse de la siguiente información.

I. Para la corriente de gas: • La concentración del compuesto por adsorber (adsorbato) • La temperatura • El incremento de la temperatura durante la adsorción • La presión • La velocidad de flujo • La presencia de material contaminante para el adsorbente

II. Para el adsorbente

• La capacidad de adsorción, al utilizarlos sobre la corriente • El incremento de la temperatura durante la adsorción • Operación isotérmica • La posibilidad de efectos catalíticos que causen una reacción química

adversa en la corriente de gas • La densidad de masa • El tamaño de partícula

III. Los dimensiones del poro

• Información necesaria para la regeneración

IV. Fenómenos de adsorción

Page 14: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

14

4.5.- EL CARBÓN ACTIVADO Y SU APLICACIÓN.- A continuación se estudia, tanto la naturaleza del carbón activado como las aplicaciones del carbón granular y en polvo en el campo del tratamiento de las aguas residuales, así como la regeneración del carbón.

4.5.1.- EL CARBÓN ACTIVO COMO ADSORBENTE

Los adsorbentes más empleados son el gel de sílice, la alúmina y, sobre todo, el carbón activo y determinadas resinas sintéticas. Estas últimas son particularmente interesantes para la eliminación de compuestos polares. Además, son fácilmente regenerables, lo que las hace competitivas frente al carbón activo en muchos casos. El adsorbente más ampliamente utilizado para el tratamiento de aguas residuales es, no obstante, el carbón activo. Los primeros estudios sobre la aplicación de este adsorbente al tratamiento de aguas residuales se remontan a 1935; en la década de los años 50 ya se utilizaba para el tratamiento de efluentes industriales procedentes de la fabricación de pesticidas y, hacia 1960, comienza a considerarse de interés su posible aplicación al tratamiento de aguas residuales urbanas.

Entre los aspectos positivos de la adsorción como método de tratamiento de aguas residuales cabe señalar: su capacidad para trabajar eficazmente a concentraciones bajas de contaminante, su flexibilidad frente a las variaciones de caudal y concentración, sus moderadas necesidades de espacio, la facilidad de automatización, la posibilidad de regenerar el adsorbente y la posibilidad de recuperar sustancias retenidas cuando ello resulte de interés económico.

Entre los aspectos negativos hay que señalar que el coste de operación suele ser comparativamente alto y, por esta razón, su empleo queda restringido, en general, a los casos de necesidad o a otros en que convenga reutilizar las aguas tratadas o, como se ha indicado, recuperar algún producto de las mismas.

4.5.1.1.-TIPOS DE CARBÓN. Los diferentes tipos de carbón están de acuerdo al siguiente cuadro: Propiedad Coco Carbón mineral Lignito Madera Microporo Alto Alto Mediano Bajo Macroporo Bajo Mediano Alto Alto Dureza Alta Alta Baja Mediana Cenizas 5% 10% 20% 5% C. sol. en agua Alta Baja Alta Mediana Polvo Bajo Mediano Alto Mediano Regeneración Buena Buena Pobre Regular Densidad aparente

0,42 g/cc 0,48 g/cc 0,3 g/cc 0,35 g/cc

Indice de Yodo 1100 1000 600 100

Page 15: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

15

4.5.2.- LAS CONDICIONES DEL MEDIO

a) El pH que afecta al grado de ionización de los compuestos ácidos o básicos. Es frecuente que un pH ácido facilite la adsorción sobre carbón activo.

b) La temperatura, que influye sobre la velocidad del proceso y el estado final de equilibrio.

4.5.3.- LOS FACTORES ECONÓMICOS.

Desde el punto de vista industrial, las consideraciones económicas del proceso han de tener en cuenta tanto la inversión necesaria, incluida la planta de regeneración del adsorbente si la hubiese, como los costes de operación. Cabe destacar el precio del adsorbente, la capacidad del mismo que determina Tipos de poros dentro de una partícula de carbón.

El carbón activado tiene una gran variedad de tamaños de poro los cuales pueden clasificarse de acuerdo a su función, en poros de adsorción y poros de transporte.

Los primeros consisten en espacios entre placas grafíticas con una separación de entre una y cinco veces el diámetro de la molécula que va a retenerse. En éstos ambas placas de carbón están lo suficientemente cerca como para ejercer atracción sobre el adsorbato y retenerlo con mayor fuerza.

Los poros mayores que los de adsorción son los de transporte, y tienen un rango muy amplio de tamaños, que van hasta el de las grietas que están en el límite detectable por la vista, y que corresponde a 0.1 mm. En esta clase de poros, sólo una placa ejerce atracción sobre el adsorbato y entonces lo hace con una fuerza menor, o incluso insuficiente para retenerlo. Actúan como caminos de difusión por los que circula la molécula hacia los poros de adsorción en los que hay una atracción mayor. Por lo tanto, aunque tienen poca influencia en la capacidad del carbón activado, afectan a la cinética o velocidad con la que se lleva a cabo la adsorción.

Otra clasificación de los poros, es la de la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemists), que se basa en el diámetro de los mismos, de acuerdo a lo siguiente:

• microporos: menores a 2 nm • mesoporos: entre 2 y 50 nm • macroporos: mayores de 50 nm (típicamente 200 a 2000 nm)

Los microporos tienen un tamaño adecuado para retener moléculas pequeñas, que aproximadamente corresponden a compuestos más volátiles que el agua, tales como olores, sabores y muchos solventes. Los macroporos atrapan moléculas grandes, tales como las que son coloreadas o las substancias húmicas -ácidos húmicos y fúlvicos- que se generan al descomponerse la materia orgánica. Los mesoporos son los apropiados para moléculas intermedias entre las anteriores

Page 16: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

16

Por lo tanto, la capacidad de un carbón activado para retener una sustancia determinada, no sólo está dada por su área superficial, sino por la proporción de poros cuyo tamaño es el adecuado: una a cinco veces el diámetro de la molécula de dicha sustancia.

4.5.4.-PROPIEDADES Y CONDICIONES QUE AFECTAN LA ADSORCIÓN EN CARBÓN ACTIVADO

La adsorción en carbón activado se ve afectada por diversas propiedades tanto del carbón como del adsorbato, así como por condiciones del gas o el líquido en el que se lleva a cabo este fenómeno. Algunas de éstas ya se describieron en la sección anterior, pero a continuación se listarán de una manera organizada, junto con otras que aún no se han mencionado.

Propiedades relacionadas con el tipo de carbón activado

• La adsorción aumenta cuando el diámetro de los poros predominantes esta entre una y cinco veces el diámetro del adsorbato.

• Diferencias en la química superficial y en los constituyentes de las cenizas pueden afectar la adsorción, especialmente en fase líquida. Sin embargo, estas propiedades tienen una influencia pequeña respecto a cualquier otra de las que se están listando.

Propiedades relacionadas con el adsorbato

Antes de listarlas, hay que mencionar que todo tipo de moléculas orgánicas se adsorben bien en el carbón activado. No así la inorgánicas, excepto en algunos casos como los molibdatos, los cianuros de oro, el dicianuro de cobre, el cloruro de mercurio, el yodo y las sales de plata, entre otros.

• La adsorción de orgánicos es más fuerte al aumentar su peso molecular, mientras el tamaño de la molécula no rebase al del poro.

• Las moléculas orgánicas no polares se adsorben con mayor fuerza que las polares. • Las moléculas orgánicas ramificadas se adsorben con mayor fuerza que las lineales. • La mayoría de las moléculas orgánicas que tienen ligados átomos de cloro, bromo o

yodo, se adsorben con mayor fuerza. • Para el caso de adsorción en fase líquida, ésta aumenta al disminuir la solubilidad

del adsorbato

NOTA: Las moléculas orgánicas de más de tres carbonos generalmente se adsorben, a menos que sean extremadamente solubles.

Propiedades relacionadas con el gas o el fluido que rodea al carbón activado

En fase líquida, generalmente aumenta la adsorción al disminuir el pH. Para el caso de adsorción en fase líquida, la teoría dice que ésta no se ve afectado por la temperatura. Sin

Page 17: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

17

embargo, a mayor temperatura, aumenta la solubilidad del adsorbato , y se adsorbe en menor proporción. Por otro lado, 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.

4.6.- APLICACIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO EN TRATAMIENTO DE AGUA.

4.6.1.-EL CARBÓN ACTIVO COMO ADSORBENTE

La adsorción constituye uno de los procesos más utilizados dentro de los sistemas de tratamiento terciario de las aguas residuales. Se emplea, fundamentalmente, para retener contaminantes de naturaleza orgánica, presentes, en general, en concentraciones bajas, lo que dificulta su eliminación por otros procedimientos. Cabe citar la eliminación de compuestos fenólicos, hidrocarburos aromáticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloreadas, así como otras que comunican olor y sabor a las aguas. La operación es menos efectiva para sustancias de pequeño tamaño molecular y estructura sencilla, que suelen ser fácilmente biodegradables y, por ello, susceptibles de tratamiento biológico.

Los adsorbentes más empleados son el gel de sílice, la alúmina y, sobre todo, el carbón activo y determinadas resinas sintéticas. Estas últimas son particularmente interesantes para la eliminación de compuestos polares. Además, son fácilmente regenerables, lo que las hace competitivas frente al carbón activo en muchos casos. El adsorbente más ampliamente utilizado para el tratamiento de aguas residuales es, no obstante, el carbón activo. Los primeros estudios sobre la aplicación de este adsorbente al tratamiento de aguas residuales se remontan a 1935; en la década de los años 50 ya se utilizaba para el tratamiento de efluentes industriales procedentes de la fabricación de pesticidas y, hacia 1960, comienza a considerarse de interés su posible aplicación al tratamiento de aguas residuales urbanas.

Entre los aspectos positivos de la adsorción como método de tratamiento de aguas residuales cabe señalar: su capacidad para trabajar eficazmente a concentraciones bajas de contaminante, su flexibilidad frente a las variaciones de caudal y concentración, sus moderadas necesidades de espacio, la facilidad de automatización, la posibilidad de regenerar el adsorbente y la posibilidad de recuperar sustancias retenidas cuando ello resulte de interés económico.

Entre los aspectos negativos hay que señalar que el coste de operación suele ser comparativamente alto y, por esta razón, su empleo queda restringido, en general, a los casos de necesidad o a otros en que convenga reutilizar las aguas tratadas o, como se ha indicado, recuperar algún producto de las mismas.

la dosis necesaria y las posibilidades técnico-económicas de su regeneración.

Page 18: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

18

4.7.-LA ADSORCIÓN COMO TRATAMIENTO PARA LAS AGUAS

La adsorción en disoluciones fue observada por primera vez por Lowitz en 1785 y pronto se aprovechó para la decoloración del azúcar en su etapa de refino. En la segunda mitad del siglo XIX ya se utilizaban en América filtros de carbón vegetal en las plantas de tratamiento de aguas.

Durante la Primera Guerra Mundial se fabricaron grandes volúmenes de carbón activo granular (GAC) para emplearse en las máscaras de gas. Las primeras unidades con carbón activo granular usadas para el tratamiento de aguas de abastecimiento público fueron construidas en Hamm (Alemania) en 1929.

El carbón activo en polvo (PAC) se utilizó por primera vez para aguas públicas en New Milford (Nueva Jersey, EE.UU.), en 1930.

Durante las siguientes décadas, el interés de la adsorción como proceso para eliminar compuestos orgánicos presentes en las aguas potables aumentó progresivamente junto a la creciente preocupación sobre la contaminación de los recursos hídricos debida a los residuos industriales, productos químicos usados en la agricultura y a las descargas de las alcantarillas. Una preocupación observada desde los años 70 se refiere al hecho comprobado de la formación de trihalometanos (THMs) y otros agentes sospechosos de ser cancerígenos durante la cloración del agua que contenga sus precursores orgánicos. Actualmente, en los Estados Unidos se aplica la adsorción en el tratamiento de aguas potables, especialmente, con el objeto de controlar su color, sabor y olor. También se considera este proceso para la eliminación de compuestos químicos orgánicos, compuestos clorados, así como de los coproductos de la desinfección. Por otro lado, algunos compuestos inorgánicos perjudiciales para la salud, como algunos metales pesados, se pueden separar por adsorción.

En Europa hay larga experiencia con carbón activo granular para el tratamiento de aguas procedentes de ríos contaminados. Se espera que en el futuro las aplicaciones de la adsorción para el control de la contaminación de las aguas potables debida a compuestos tóxicos o cancerígenos en pequeñas concentraciones, aumenten progresivamente.

4.8.- PRODUCCIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO.- El proceso del carbón activado se basa en de un carbón a partir de materiales tales como las cortezas de almendros, nogales o palmeras, otras maderas, y carbón mineral. Este carbón se obtiene calentando el material de que se trate al tojo vivo para expulsar los hidrocarburos, pero sin aire suficiente para mantener la combustión. A continuación, para activar el carbón, se expone la partícula a un gas oxidante a altas temperaturas. Este gas desarrolla una estructura porosa en el carbón natural favoreciendo a la aparición de grandes superficiales internas. El tipo de material base con el que se produce el carbón activado también puede afectar al tamaño de los poros y a las características de regeneración del

Page 19: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

19

carbón activado. Los dos tipos de clasificación son: carbón activado en polvo, con diámetro menor que el tamiz 200, y granular, con diámetro superior a los 0.10 mm.

Esquema del carbón antes (a) y después (b) de la activación

Columna de adsorción de carbón activado típica

Page 20: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

20

4.9.-LA ADSORCIÓN COMO TRATAMIENTO PARA LAS AGUAS

4.9.1.-UTILIZACIÓN DE LOS CARBONES ACTIVOS

En relación con el tratamiento de las aguas, el carbón activo se utiliza:

En tratamiento de afino de aguas potables o de aguas industriales de gran pureza, especialmente cuando se obtienen partiendo de aguas superficiales. El carbón activo retiene los compuestos orgánicos disueltos no eliminados por la degradación biológica natural, microcontaminantes y ciertos metales pesados a nivel de trazas.

En el tratamiento terciario de aguas residuales o industriales. El carbón retiene los compuestos orgánicos disueltos, resistentes al tratamiento biológico, con lo que se elimina una cierta proporción de la DQO residual.

En el tratamiento de aguas residuales industriales, cuando el efluente no es biodegradable o contiene elementos tóxicos orgánicos que impiden la puesta en práctica de técnicas biológicas.

En resumen, debe preverse el empleo de carbón activo cuando se deseen eliminar contaminantes orgánicos disueltos, tales como:

• Detergentes. • Colorantes de síntesis solubles. • Disolventes clorados. • Fenoles y derivados hidroxilados. • Derivados aromáticos, sustituidos o no, especialmente derivados clorados o

nitrados. • Sabores y olores.

4.9.2.-CARBÓN EN POLVO

El carbón en polvo generalmente se utiliza en combinación con los tratamientos de clarificación. Inyectado de forma continua en el agua con reactivos de floculación, se introduce en los flóculos y seguidamente se extrae del agua con ellos. Para esta extracción, se recomienda a veces recurrir a una filtración directa, si bien es preferible utilizar un decantador de recirculación de fangos o, mejor aún, de lecho de fangos. Con estos aparatos se aumenta notablemente el tiempo de contacto entre el agua y el carbón y, por lo tanto, se consigue una mejor aproximación al equilibrio. Otra forma de aplicación es añadir carbón activo en polvo al efluente del tratamiento biológico. El carbón, en este caso, es añadido al efluente en un tanque de contacto. Una vez transcurrido el tiempo deseado se deja que el carbón sedimente en el fondo del tanque y seguidamente se extrae del mismo el agua tratada. Puesto que el carbón está pulverizado, puede necesitarse un coagulante para facilitar la eliminación de las partículas de carbón, o bien requerirse una filtración a través de filtros rápidos de arena.

Page 21: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

21

Como se ha indicado, el carbón activo puede utilizarse igualmente para afino de aguas industriales de elevada pureza (tratamiento de condensados, agua de aclarado en la industria electrónica, etc.).

Ventajas:

• Los carbones activos en polvo son, aproximadamente, de dos a tres veces más baratos que los carbones en grano.

• Pueden dosificarse en exceso, en caso de puntas de contaminación. • Precisan inversiones reducidas. Cuando el tratamiento consiste sólo en una etapa de

floculación-decantación basta prever un simple equipo de dosificación de carbón activo.

• Su cinética de adsorción es rápida, puesto que su superficie es fácilmente accesible. • El carbón activo favorece la decantación, al espesar el flóculo.

Inconvenientes:

• El carbón activo no puede regenerarse cuando se recupera en mezcla con fangos de hidróxidos, por lo que debe preverse la pérdida de este material después de su utilización. Cuando se utiliza carbón activo sólo (en ausencia de coagulantes minerales) puede recurrirse a la técnica de regeneración en lecho fluidizado que, sin embargo, conlleva pérdidas muy elevadas.

• Es difícil eliminar las últimas trazas de impurezas, sin añadir un exceso de carbón activo.

El carbón activo en polvo se utiliza esencialmente en dosificaciones discontinuas o de pequeña importancia (inferiores a 25 - 50 g/ m3, según los casos).

4.9.3.-CARBÓN EN GRANO

El carbón en grano se utiliza en forma de lecho filtrante atravesado por el agua a tratar, cuyas impurezas se someten así a una extracción metódica. En efecto, el agua, progresivamente liberada de sus contaminantes, encuentra fracciones de carbón activo cada vez menos saturadas y, por lo tanto, cada vez más activas.

4.9.4.-ASOCIACIÓN POLVO-GRANO

En algunos casos de tratamiento de aguas de superficie, de contaminación muy variable, puede ser interesante combinar el empleo de carbón en polvo, en la clarificación, para hacer frente a puntas de contaminación, con el tratamiento posterior con carbón en grano, para alcanzar el nivel de descontaminación final deseado.

4.10.-CAPACIDAD ÚTIL DE UN CARBÓN

La experiencia demuestra que rara vez pueden sobrepasarse tres volúmenes de agua por volumen de carbón y por hora, en casos de contaminación elevada. En el caso de

Page 22: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

22

tratamiento de aguas para el consumo humano, en el que los contenidos de productos adsorbibles son muy pequeños, deben preverse, en el estudio económico, unos elevados gastos de inversión, por lo que generalmente debe aceptarse una menor saturación del carbón, utilizando velocidades mayores: 5 a 10 vol. agua/(vol. carbón. h). Puesto que la teoría da únicamente el sentido de variación de estas leyes, es indispensable recurrir a la experiencia del especialista y realizar ensayos dinámicos a través de columnas de tamaño suficiente para poder efectuar una extrapolación

4.11.-EL LECHO DE ADSORCIÓN

En la práctica, como se ha indicado, la adsorción -sobre carbón activo- se lleva a cabo en forma continua o en forma discontinua. En la operación discontinua, el carbón activo -en polvo- se mezcla con el agua residual y se deja decantar. La operación continua se lleva a cabo en columnas conteniendo carbón granulado (de 40 a 80 mallas); es más económica que la operación discontinua y ha encontrado más aplicaciones.

La eliminación de contaminantes en las columnas de carbón activo se lleva a cabo mediante tres mecanismos:

1. Adsorción. 2. Retención de las partículas grandes. 3. Deposición de materia coloidal.

El grado de eliminación depende básicamente del tiempo de contacto entre el agua a tratar y el carbón activo.

Un lecho compacto cumple cuatro funciones:

4.12.-FILTRACIÓN

Normalmente, esta función debe reducirse al mínimo, para evitar el atascamiento del filtro, que se produce irremisiblemente en ausencia de sistemas de lavado eficaces, que provocan en cada ciclo una importante perturbación de las capas. Por otra parte, el carbón tiende a extraer de los flóculos con los que se ponen en contacto productos adsorbibles que contribuyen a su prematura saturación. Frecuentemente se recomienda, por estos motivos, efectuar una filtración previa del agua a través de arena.

4.13.-SOPORTE BACTERIANO

La superficie del carbón ofrece condiciones ideales para la colonización bacteriana. Este fenómeno puede contribuir a la depuración, pero si no se realiza de forma perfecta, puede resultar peligroso (fermentación anaerobia causante de olores, atascamiento del lecho, etc.).

Page 23: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

23

4.14.-ACCIÓN CATALÍTICA

Una propiedad muy utilizada de los carbones activos -de interés en no pocos casos- es su acción catalítica y, más concretamente, la que ejercen sobre la reacción de oxidación del agua con cloro libre:

Cl2 + H2O → 2 HCl + ½ O2

Se realiza así la eliminación de cloro de un agua que haya sufrido un tratamiento de cloración en exceso. Esta acción eliminadora de cloro se caracteriza por la longitud de semi-decloración, que es la altura de lecho filtrante que, a una velocidad dada, provoca una reducción a la mitad de la dosis de cloro en el agua. El pH tiene una gran influencia en esta longitud. En la práctica, se utilizan, según la temperatura, el contenido de cloro libre y la tolerancia admitida sobre el cloro residual, cargas volúmicas que van de 5 a 15 volúmenes de agua por volumen de carbón activo y hora.

Se produce una acción catalítica del mismo tipo frente a las cloraminas, que se descomponen en nitrógeno y ácido clorhídrico. Sin embargo, su cinética es más lenta que en el caso del cloro libre (longitud de semidecloración mucho más elevada); por lo tanto, si se desea obtener resultados comparables, es preciso disminuir notablemente las cargas volúmicas.

El poder de eliminación de cloro de un carbón se ve afectado por todo lo que se opone al contacto entre el carbón y el agua a tratar: sedimentos de carbonato cálcico, saturación de la superficie por adsorción de contaminantes diversos, etc.

4.15.-ADSORCIÓN

Esta es la principal misión del carbón; por lo tanto, debe prestarse especial atención al contacto agua-carbón y, en todos aquellos casos en que la capacidad del carbón desempeñe un papel fundamental en la economía del proceso, se considerará un sistema de contracorriente

4.16.-ADSORBEDORES DE CARBÓN ACTIVADO GRANULAR

4.16.1.-MODOS DE OPERACIÓN Y CONFIGURACIÓN

El carbón activado (CA) es un sólido que tiene dos propiedades que lo han hecho muy útil en el tratamiento de aguas. La primera consiste en que atrapa todo tipo de contaminantes orgánicos en sus paredes, con una avidez tal que puede dejar un agua prácticamente libre de estos compuestos. La segunda, en que destruye el cloro libre residual que no ha reaccionado después de que dicho compuesto realizó una acción desinfectante.

Page 24: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

24

En estas funciones se ha considerado desde hace muchos años la tecnología más rentable. Debido a ello, prácticamente todas las industrias que requieren agua potable utilizan CA como uno de los procesos básicos de purificación.

En cuanto a las plantas potabilizadoras municipales, existen dos realidades: la de los países desarrollados y las de países en desarrollo. En los primeros, el carbón activado se aplica en casi todas las plantas. En los segundos, se aplica más bien cuando existen problemas de olor y sabor.

Los primeros potabilizan el agua con carbón activado debido a que en los últimos años se ha encontrado que prácticamente ya no existe río, lago ni pozo cuyo agua se encuentre libre de contaminantes orgánicos sintéticos. Por otro lado, han surgido evidencias de que estos compuestos, aunque están presentes en muy bajas concentraciones, a largo plazo, causan graves trastornos a la salud -entre ellos algunos tipos de cáncer-.

De todo lo anterior puede decirse que, por un lado, la purificación de agua con carbón activado es muy común desde hace tiempo, especialmente en el sector industrial. Por otro, que también lo es, aunque de manera más reciente, en las plantas municipales de países desarrollados. Y finalmente, que se utilizará cada vez más en el área municipal de países en desarrollo.

5.0.-EL CARBÓN ACTIVADO EN LA POTABILIZACIÓN DE AGUA

El carbón activado tiene capacidad para lograr estados de equilibrio tales, que la concentración de los compuestos adsorbibles en el agua llega a niveles indetectables por los métodos de análisis comunes. Todo esto, aunado al hecho de que las fuentes de abastecimiento de agua potable normalmente tienen cantidades relativamente pequeñas de materia orgánica, hacen del carbón activado la mejor alternativa técnica y económica para su control.

En relación al control de microorganismos, existen diversos métodos, como la cloración, la ultrafiltración, la ozonización, el calor y la radiación ultravioleta. Los más utilizados son la cloración y la radiación ultravioleta. En el caso de la cloración se utiliza carbón activado granular para eliminar el cloro residual.

La mayoría de las industrias que producen bebidas o alimentos en general, obtienen el agua de pozos, y la someten a un tratamiento igual o similar al que se muestra en la figura 1.

Por otro lado, los municipios en muchas ocasiones se abastecen de cuerpos de agua superficiales. Las características más comunes de esta agua hacen necesario otro tipo de tratamiento. Aunque muchas plantas municipales de potabilización aún no utilizan carbón activado -la mayoría de las veces debido a razones económicas.

Page 25: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

25

5.1.-ADSORBATOS

Históricamente, la adsorción en el tratamiento de aguas se ha aplicado a la eliminación del olor y el sabor. Actualmente, se dirige más hacia la eliminación de compuestos orgánicos naturales o sintéticos.

La experiencia demuestra que los carbones activos son buenos adsorbatos, ya que son adsorbentes de amplio espectro. La mayoría de las moléculas orgánicas se fijan en su superficie, siendo las que peor se fijan las moléculas más cortas y las más polares (alcoholes y ácidos de menos de tres átomos de carbono). Las moléculas más pesadas se adsorben con mayor facilidad. Como los compuestos más fácilmente biodegradables son los que peor se adsorben, el tratamiento de adsorción adquiere un carácter complementario muy apreciado, en relación con el tratamiento biológico.

Compuestos orgánicos

En general, cuanto menos soluble en el agua es un compuesto orgánico, mejor se adsorbe a partir de su En general, cuanto menos soluble en el agua es un compuesto orgánico, mejor se adsorbe a partir de su disolución. Esta es la regla de Lundelius. Análogamente, el compuesto menos polar es el mejor adsorbido a partir de sus soluciones acuosas polares, sobre carbón poco o nada polar. Ambas reglas cualitativas surgen de la necesidad que tiene una molécula orgánica de romper las uniones disolvente- adsorbato para poder adsorberse. Estos enlaces son generalmente más fuertes cuando el adsorbato es muy soluble en el agua o presenta con este disolvente una interacción dipolo-dipolo. Las moléculas orgánicas son, en general, las menos solubles, y tienden a difundirse más lentamente a través de los poros, adsorbiéndose con mayor dificultad cuanto más grandes sean, al no poder penetrar fácilmente en los poros más pequeños.

5.2.- TIPOS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS SEGÚN SU CAPACIDAD DE ADSORCIÓN SOBRE CARBÓN ACTIVO

5.2.1.-Compuestos orgánicos fácilmente adsorbibles

Disolventes aromáticos: Benceno, tolueno, nitrobencenos, etc.

Aromáticos clorados: PCBs, clorobencenos, cloronaftaleno.

Fenol y Clorofenoles. Aromáticos policíclicos: Benzopirenos, etc.

Page 26: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

26

Pesticidas y herbicidas: DDT, aldrin, clordane, .BHCs, heptaclor, etc.

Clorados no aromáticos: Tectracloruro de carbono, ésteres cloroalquílicos, hexaclorobutadieno, etc.

Hidrocarburos de alto peso molecular Tintes, gasolina, aminas, compuestos húmicos.

5.2.2.-Compuestos orgánicos poco adsorbibles

Alcoholes Cetonas de bajo peso molecular ácidos, aldehidos Azúcares y almidones Coloides orgánicos de peso molecular muy alto Alifáticos de bajo peso molecular

Otros factores relacionados con la adsorción de compuestos orgánicos tienen que ver con las afinidades químicas específicas entre los grupos funcionales de] adsorbente y el adsorbato. La Tabla II presenta una relación de compuestos orgánicos según su mayor o menor capacidad para ser adsorbidos por carbón activo. Los fenoles sustituidos, por ejemplo, se adsorben mejor que los halometanos o el etileno. Estos compuestos orgánicos volátiles son disolventes industriales, a menudo presentes en altas concentraciones. Su eliminación es difícil o requiere frecuentes regeneraciones de los lechos. Los hidrocarburos policíclicos aromáticos y las nitrosaminas se adsorben rápidamente. Como quiera que no suele haber mucha información disponible sobre la adsorción de las especies orgánicas con carbón activo granular, es con frecuencia necesario realizar ensayos en tanque o en columna en laboratorio, antes de pasar a predecir la eficacia en la eliminación de tales compuestos en un lecho a gran escala. La mayoría de los compuestos poco adsorbibles son muy solubles y de peso molecular bajo; pero también hay otros de peso molecular muy elevado. En el caso de los ácidos orgánicos y de las bases, la adsorción depende mucho del pH, eliminándose preferentemente las moléculas de tipo neutro.

5.3.-COMPUESTOS INORGÁNICOS

Algunos compuestos inorgánicos pueden eliminarse por adsorción sobre carbón activo. Metales a nivel de trazas, como el mercurio, el arsénico y el plomo pueden ser eliminados con carbón activo granular. La Tabla III presenta una lista de metales según su grado de adsorción. La mayoría de los cationes y aniones presente en las aguas naturales no se adsorben, como es el caso del calcio, sodio, ortofosfatos, nitratos y haluros. Una excepción es el fluoruro, que es eliminado, tanto por alúmina activada como con carbón.

Page 27: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

27

5.3.1.- METALES Y COMPUESTOS INORGÁNICOS CLASIFICADOS POR SU POTENCIAL ADSORCIÓN SOBRE CARBÓN ACTIVADO

Metales fácilmente adsorbibles:

Antimonio, arsénico, bismutom cromo, estaño.

Metales de potencial de adsorción medio:

Plata, mercurio, cobalto, zirconio

Metales de potencial de adsorción menos bueno:

Plomo, níquel, titanio, vanadio, hierro

Metales con bajo potencial de adsorción:

Cobre, cadmio, zinc, bario, selenio, molibdeno, manganeso, wolframio, radio

Otros compuestos inorgánicos Adsorción potencial Nitrato Baja Fosfato Baja Cloro Alta Bromo Alta Yodo Alta Cloruro Baja Bromuro Baja Ioduro Baja Fluoruro Alta

Los metales pueden reaccionar en los grupos funcionales oxigenados del carbón, desplazando a los iones de hidrógeno por intercambio iónico. Las superficies del carbón también pueden dar lugar a precipitados de sales metálicas por nucleación o coagulación. Los metales reducidos en la estructura original del carbón también pueden reaccionar con los metales en estado iónico en solución, para reducirlos hasta una forma depositable.

Análogamente, los metales pueden ser oxidados catalíticamente.

Page 28: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

28

5.4.-VIRUS

La adsorción de virus sobre carbón activo ha sido estudiada como un proceso para el tratamiento avanzado de aguas residuales y su posible reutilización. Los grupos funcionales específicos del carbón, como el carboxilo y el lactona, se cree que actúan como "sitios" para la adsorción de virus. El grado de adsorción depende en gran medida del pH; por tanto, la atracción electrostática entre los grupos cargados negativamente sobre el carbón y los grupos cargados positivamente sobre los virus es importante. Los estudios en laboratorio y planta piloto no son aún bastante consistentes y han demostrado que la eliminación de los virus con carbón activo es difícil de controlar.

5.5.-OTROS ADSORBENTES

En el tratamiento de aguas por adsorción, es el carbón activo el adsorbente utilizado a gran escala. Otros adsorbentes naturales pueden ser empleados en procesos especiales. Los aluminosilicatos sintéticos se comportan como tamices moleculares, adsorbiendo selectivamente en función del tamaño molecular y la forma, aprovechando su alta porosidad y gran uniformidad en el tamaño de sus poros. En general, la alúmina y otros óxidos minerales pueden presentar una gran superficie específica, pero únicamente a algunas sustancias tienen buen a afinidad hacia ellos; por lo tanto son adsorbentes muy específicos.

5.6.-GEL DE SÍLICE

Se produce normalmente por neutralización de una disolución de silicato sódico mediante un ácido mineral diluido. El material obtenido se calienta a unos 350ºC y resulta un producto duro y vidrioso, muy poroso, se utiliza para secar líquidos y gases, así como para la recuperación de hidrocarburos. Las superficies específicas que se dan para este adsorbente son superiores a 350 m2/g.

5.7.-Alúmina activada

Es un adsorbente con buena resistencia mecánica y, por ello, muy adecuado para su utilización en lechos móviles. Se fabrica calentando los distintos hidratos de alúmina a velocidad controlada. La alúmina activada en la variedad de -y-alúmina se obtiene entre 500º y 800ºC, transformándose por encima de este punto en especies alotrópicas de menor superficie. El producto, amorfo y muy poroso, se utiliza para el secado de gases y líquidos, para eliminar el fluoruro y para la neutralización de aceites lubricantes.

5.8.-Tamices moleculares

Proceden de productos naturales como las zeolitas, en las que los poros originan al formarse huecos en la red del cristal cuando se eliminan por calefacción las moléculas de agua. Están formados por estructuras tetraédricas de aluminosilicatos (Si02- Al04). El entramado es muy regular, de forma tal que sólo pueden adsorberse aquellas moléculas con un tamaño suficientemente pequeño como para atravesar las "ventanas" de acceso al

Page 29: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

29

interior de la estructura. Aunque esta capacidad de adsorción no puede relacionarse de forma significativa con un área, la comparación con otros adsorbentes puede establecerse tomando un área equivalente del orden de 800 m2/g. La ventaja de los tamices moleculares es que pueden fabricarse a la medida de las aplicaciones deseadas.

5.9.-Polímeros adsorbentes sintéticos

Desde hace unos años, determinados polímeros adsorbentes sintéticos se presentan como una alternativa al carbón activo en el tratamiento de aguas residuales. Dichos adsorbentes se producen por polimerización en suspensión entre uno o varios monómeros, en presencia de un agente reticulante. La variedad de monómeros que pueden ser polimerizados y la posibilidad de obtener las propiedades deseadas variando las condiciones de la polimerización, da una idea de la multiplicidad de productos posibles.

Existen en el mercado diversos polímeros adsorbentes macrorreticulares que pertenecen al grupo antes mencionado, y que ofrecen algunas ventajas frente al carbón activo:

• Matriz de estructura estable y duradera. • Mayor facilidad de regeneración mediante disolventes apropiados, posteriormente

recuperables. • Posibilidad de disponer de productos de distinta polaridad, lo que se traduce en

mayor selectividad en sus aplicaciones.

En los polímeros adsorbentes sintéticos, cada partícula de resina está formada por un aglomerado de microesferas, cuyos intersticios originan los poros interconectados. Por consiguiente, presentan una superficie interior muy uniforme y actúan principalmente por interacciones de] tipo de las fuerzas de dispersión y solvofóbicas.

Esencialmente, las propiedades adsorbentes de los polímeros sintéticos pueden predecirse a partir de su estructura química y del parámetro de solubilidad teórico del adsorbente, así como de la solubilidad del adsorbato en un disolvente determinado.

Entre las aplicaciones industriales de estos adsorbentes cabe citar las de eliminación, con o sin recuperación, de distintas sustancias orgánicas presentes en las aguas residuales, como los fenoles o los pesticidas, o la eliminación del color de los efluentes de fábricas de pasta al sulfato blanqueada. Son numerosos, asimismo, los trabajos desarrollados a escala de laboratorio para el mejor conocimiento de estos procesos.

5.10.- REGENERACIÓN DEL CARBÓN La vialidad económica de la aplicación del carbón activado depende de la existencia de un medio eficaz para su regeneración y recuperación, una vez agotada su capacidad de adsorción. El carbón activado granular se regenera fácilmente por oxidación de la materia orgánica y su posterior eliminación de la superficie del carbón en un hormo. En este

Page 30: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

30

proceso se destruye parte del carbón, entre 5 y un 10 por 100, y es necesario reemplazarlo por el carbón nuevo o virgen.

6.0.-CASOS DE APLICACIÓN Y DISEÑO

Eliminación de substancias inorgánicas por reacción química y catalítica en la superficie del carbón activado

Como se mencionó en las secciones anteriores, aunque en la mayoría de sus aplicaciones el carbón activado actúa como un adsorbente físico, también ocurren reacciones de substancias inorgánicas en la superficie del mismo. Algunas de éstas reacciones han permitido aplicaciones de mucha utilidad, como es la eliminación de cloro, que se describe en el siguiente apartado. Esta reacción, junto con otras, como las que se llevan a cabo con cloraminas, oxigeno, ozono, permanganato, peróxido de hidrógeno y cromato, disminuyen la capacidad del carbón activado para adsorber moléculas orgánicas.

Eliminación de cloro libre

Una de las principales aplicaciones del carbón activado es la decloración o la eliminación de cloro libre del agua. Dicho compuesto no proviene de las fuentes naturales de abastecimiento, tales como pozos, ríos o lagos. Tampoco es contaminante, sino que es un reactivo químico que se le agrega al agua, principalmente como desinfectante. y en ocasiones para controlar olor y sabor, y controlar el crecimiento biológico o eliminar amoniaco.

La decloración consiste en un mecanismo complicado que puede seguir distintos caminos de reacción en los que el carbón activado puede intervenir como reactivo o como catalizador.

El cloro libre puede adicionarse al agua en forma de cloro líquido, solución de hipoclorito de sodio, o tabletas - gránulos - de hipoclorito de calcio. En cualquiera de estos casos, el resultado es el mismo, quedando el cloro disuelto en forma de ácido hipocloroso (HOCI), un ácido débil que tiende a disociarse parcialmente.

HOCl ↔ H+ + OCL-

La distribución entre ácido hipocloroso e ión hipoclorito depende del pH y de la concentración de estas especies. A ambas formas moleculares se las define como cloro libre. Las dos son fuentes oxidantes que al ser adicionados al agua empiezan por reaccionar de manera casi inmediata con impurezas orgánicas e inorgánicas y susceptibles de oxidarse. El cloro que reacciona en esta etapa deja de ser libre y pasa a ser combinado. El restante requiere de algún tiempo que puede ir de unos cuantos segundos a varías decenas de minutos, según su concentración, para ejercer un efecto biocida en los microorganismos. Se cree que la toxicidad del cloro libre radica en la reacción de éste con el sistema enzimático de las células.

Page 31: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

31

El cloro que interviene en esta etapa de desinfección, también se combina y deja de ser libre. Una vez terminada esta etapa, es necesario eliminar el cloro libre residual, no sólo porque es tóxico para el ser humano, sino porque imparte un mal olor y sabor al agua, interfiere con procesos industriales, daña a la mayoría de las resinas de intercambio iónico utilizadas en los suavizadores y en los desmineralizadores, y afecta a las membranas de ósmosis inversa.

Aunque se han desarrollados varios procesos para disminuir los niveles de cloro libre en agua, la decloración en un lecho fijo de carbón activo granular (carbón activado granular) ha sido el más rentable, y por lo tanto el más común. Se trata de un tanque cilíndrico vertical con una cama de carbón activado granular por la que se hace circular el agua. Cuando el carbón se expone al cloro libre, se llevan a cabo reacciones en las que el ácido HOCI o el OCl- se reducen a ión cloruro. Dicha reducción es el resultado de distintos caminos de reacción posibles. En dos de los más comunes, el carbón activado granular actúa como agente reductor, de acuerdo con las siguientes reacciones:

HOCI + C* → C*O + H+ + CI-

2HOCl+C* → C*O2+2H+ +2Cl-

donde C* representa al carbón activo. C*O y C*O2 son óxidos superficiales, que poco a poco van ocupando espacios, que al quedar bloqueados, ya no participan en la reacción algunos de estos óxidos se liberan hacia la solución como CO y C02. Esto vuelve a dejar espacios disponibles que por lo tanto aumentan la capacidad del carbón activado granular para esta reacción de reducción. En cuanto al cloruro, también se acumula en la superficie del carbón durante los primeros momentos de operación. Al seguir llegando HOCl o OCl- a la superficie del carbón, la reacción se hace un poco más lenta, y entonces se empieza a liberar el cloruro. Esta disminución de velocidad se debe al envenenamiento del carbón con los óxidos superficiales. Dicho envenenamiento continúa de manera gradual, mientras disminuye la capacidad, tanto de adsorción como de decloración del carbón activado.

En las reacciones anteriormente expuestas, puede intervenir el OCl-, en lugar del HOCl, con la diferencia de que no se produce H+. Puede observarse que el carbón activo reacciona y por lo tanto desaparece. Si no hubiera acumulación de óxidos superficiales, la reacción continuaría hasta la desaparición completa del carbón.

Otro camino de reacción, en el que el carbón actúa solamente como catalizador, es el siguiente:

3HOCl HClO3 +2H+ +Cl-

Este se favorece cuando un importante porcentaje de la superficie del carbón activado granular ya está saturada. Por otro lado, existen muchas otras posibles reacciones, algunas de las cuales se llevan a cabo entre el cloro libre y los óxidos superficiales que estaban presentes en el carbón desde antes de su aplicación. Cada una de ellas puede formar otros grupos más complejos, con la subsecuente liberación de H+ y Cl-. Un ejemplo de éstas es:

Page 32: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

32

C*OH + OCl- → C*OO- +H+ +Cl-

Con todo lo anterior se observa que la decloración es una operación compleja, en la que el carbón activado granular actúa como quimiadsorbente. Se han desarrollado varias expresiones matemáticas que intentan describir la decloración en lechos de carbón, pero ninguna de ellas ha sido suficientemente precisa.

Hay que aclarar que al mismo tiempo que el carbón activado granular actúa como declorador, adsorbe la materia orgánica presente en el agua. Por lo tanto, a mayor contaminación orgánica, disminuye su tiempo de vida como declorador, y viceversa. También hay que mencionar que aún cuando el carbón siga eliminando todo el cloro libre, puede ya no estar reteniendo materia orgánica. Es decir, termina antes su capacidad de adsorción física -de moléculas orgánicas - que su capacidad de declorar. Muchas empresas potabilizadoras cuya agua contiene algunos contaminantes orgánicos, erróneamente deciden cambiar el carbón en el momento que encuentran trazas de cloro libre en el efluente del declorador.

6.1.-CONDICIONES QUE AFECTAN LA DECLORACIÓN

1. Al disminuir el tamaño de partícula del carbón activado granular, aumenta considerablemente la velocidad de difusión, y por lo tanto la velocidad de decloración. Como consecuencia aumenta el tiempo de vida útil. El uso del menor tamaño de partícula posible, es la manera más sencilla y eficaz de lograr el mayor aprovechamiento del carbón activado granular.

2. El pH del efluente controla la forma del cloro libre en el agua. Cuando su valor es de 7,6 la mitad del cloro libre está presente como HOCl y la otra mitad como OCl-. La reacción del HOCl con el carbón activo es mucho más rápida que la del OCl-. A un pH de 4,0 casi todo es HOCI y a un pH de 10,0 casi todo es OCl-. Por lo tanto, mientras menor es el pH, la reacción es más rápida, y el resultado es un mayor tiempo de operación antes de detectar cloro libre en el efluente.

3. La velocidad de decloración aumenta al aumentar la temperatura, debido a que la viscosidad del agua disminuye, haciendo más rápida la difusión del cloro libre hacia la superficie del carbón activado granular. Como resultado, también se alarga la vida útil del carbón.

4. Al aumentar la concentración de cloro libre en el efluente, se satura el carbón activado granular en menor tiempo. Independientemente del valor que puedan tener las distintas condiciones anteriores, el carbón activado granular tiene una alta capacidad de decloración en relación con la de adsorción de contaminantes orgánicos

Page 33: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

33

6.2.-MAS APLICACIONES DEL CARBÓN.- CONFIGURACIÓN DE ADSORBEDORES DE CARBÓN ACTIVADO GRANULAR

El carbón activado granular puede aplicarse en sistemas:

• De una sola columna. • De múltiples columnas (Fig. 3): • En paralelo. • En Serie. • Combinadas en serie-paralelo.

La operación en una sola columna o en un sistema de múltiples columnas en paralelo es la más conveniente cuando:

1. La zona de transferencia de masas (ZTM) es muy corta. Es decir, la altura de la cama de carbón necesaria para eliminar totalmente el contaminante, es pequeña en proporción a la altura total de la cama.

2. El tiempo de vida útil del carbón activado granular es relativamente alto y, por lo tanto, el coste de reemplazo o de regeneración es mínimo respecto al de toda la operación.

3. No se justifica una segunda o tercera columna, debido a que la disminución en el coste del carbón activado granular, a causa de su mejor aprovechamiento, no cubre la inversión en equipo adicional.

De otro modo, debe diseñarse un sistema en serie de dos o más columnas. Además, existe una situación particular en la que lo más probable es que se requiera el sistema en serie. Se trata de aquella en la que la altura de una sola columna es mayor que la del lugar en el que ésta se requiere instalar.

Los sistemas en paralelo se aplican en el caso de que el flujo que requiera tratarse sea muy considerable, o en aquel en el que la caída de presión en un solo equipo, fuera a ser muy grande. Con un sistema en paralelo, la potencia de bombeo, compresión o ventilación es menor, y en el caso de líquidos, particularmente de los que son viscosos, los materiales de las columnas y de las tuberías requieren de un menor espesor.

Page 34: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

34

Sistemas de múltiples columnas

Las columnas son iguales entre sí, se distribuyen con una separación uniforme, reciben la misma alimentación y descargan en un cabezal común. Estos sistemas también se utilizan cuando resulta más práctico o económico el uso de dos o más columnas de menor diámetro que el de una sola.

En sistemas de una sola columna o en sistemas en paralelo, el carbón que se descarga para su regeneración o disposición final, normalmente no está totalmente agotado. Ello se debe a que la ZTM aún está dentro de la columna cuando se re-quiere la reposición.

En los sistemas en serie, el efluente de una columna es el influente de la siguiente. Su operación permite una alta pureza en el efluente y el aprovechamiento de toda la capacidad del carbón utilizado. Cuando se ha saturado el carbón de la primera columna en la serie, se descarga para regenerarse o descartarse, y se conecta otra columna con carbón fresco al final de la serie. El carbón removido está totalmente agotado o más agotado que el de las siguientes columnas en la serie, debido a que la ZTM ya terminó de pasar por ahí. Por lo tanto, los costes de operación de estos sistemas suelen ser menores que para los sistemas de una sola columna o los sistemas en paralelo que traten el mismo fluido.

Un sistema combinado en serie- paralelo tiene, tanto las ventajas de mayor eficiencia de los sistemas en serie como las de baja caída de presión y practicidad de los sistemas en paralelo.

Todo lo anterior se aplica a sistemas de lecho fijo, en los que el carbón permanece estático y el fluido circula en sentido ascendente o descendente. Es decir, incluye los sistemas en cama expandida. Sin embargo, no incluye a los sistemas de cama pulsante que se describen a continuación.

Page 35: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

35

Cama pulsante

La cama pulsante es aquella en la que el carbón se mueve en sentido opuesto al del flujo. El líquido fluye hacia arriba mientras una porción del carbón agotado se desaloja por el fondo y un volumen igual de carbón virgen o regenerado se agrega por la parte superior. La cama pulsante se comporta como los sistemas de cama fija en serie. La remoción de un volumen de carbón por el fondo de la columna pulsante equivale a la remoción del carbón en la primera columna del sistema en serie.

Los sistemas de cama pulsante pueden operar en forma continua o semicontinua. En la primera, constantemente se está removiendo el carbón agotado del fondo, mientras se está agregando carbón virgen o regenerado por la parte superior. En la operación semicontinua, que es la más común, un cierto volumen de carbón agotado se remueve del fondo a ciertos intervalos, por ejemplo de una vez cada 8 h, y un volumen equivalente de carbón fresco se agrega por la parte superior.

Entre el sistema de camas múltiples en serie y el de cama pulsante, se recomienda el primero cuando el líquido contiene sólidos suspendidos, cuando el líquido es biológicamente activo o cuando el consumo de carbón es relativamente bajo. Las dos primeras razones se deben a que el lavado de los sistemas de cama pulsante resulta complicado.

7.0.- PROCESOS EN LAS PLANTAS DE TRATAMIENTO

7.1.-SISTEMAS PARA TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR ADSORCIÓN

Como se ha dicho, la adsorción puede llevarse a cabo a escala industrial integrándose en distintas etapas, según los modelos esquematizados en la figura 2, utilizando dos procedimientos básicos:

Contacto en tanque agitado

El adsorbente, en estado pulvurulento, se añade al agua a tratar y la mezcla se mantiene agitada el tiempo necesario para alcanzar la concentración final deseada en la fase líquida, o en último término, la concentración de equilibrio. Después de separar las dos fases por sedimentación y/o filtración, se regenera el adsorbente si da lugar. Este procedimiento puede operar en varias etapas o en continuo.

Contacto en columna

El agua a tratar se hace pasar a través de un lecho de material adsorbente en estado granular, a la velocidad adecuada para asegurar el tiempo de contacto necesario. El lecho opera en continuo y en condiciones de anegamiento. El adsorbente saturado se sustituye o

Page 36: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

36

se regenera, lo que puede hacerse dentro o fuera de la propia columna. Se requiere el empleo de una o más columnas de funcionamiento intermitente para que el sistema opere en continuo. Son posibles dos alternativas: lechos fijos y lechos móviles. Los tres sistemas básicos de trabajo son los de flujo descendente en lecho fijo (en serie o en paralelo) (Figs. 3 y 4), flujo ascendente (Fig. 5) en lecho compacto o expandido y flujo a través de lecho móvil expandido o fluidizado ( (Fig. 6) en contracorriente (agua ascendente- carbón descendente). La elección de uno otro tipo d pende de factores de orden funcional y técnico-económico pero, en general, la segunda de las formas de trabajo indicadas resulta la preferida.

Situaciones posibles de la etapa de adsorción en un sistema integral

Page 37: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

37

Lechos fijos en serie. Flujo descendente

Lechos fijos en paralelo. Flujo descendente

Page 38: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

38

Lechos compactos o expandidos en serie. Flujo ascendente

En la tecnología con lechos fijos se emplean normalmente dos o más columnas en serie o en paralelo, lo que permite lavar bien la primera columna, y también regenerar únicamente la fracción más saturada del carbón (primera columna). Se organiza así un sistema de contracorriente por permutación cíclica 1,2,3→2,3,1 regenerada, etc.

La tecnología utilizada se asemeja a la de los filtros de arena. Debe prestarse especial atención a los sistemas de lavado, debido al riesgo de pérdida de carbón por flotación. Como se ha dicho, según los medios con que el carbón activo se ponga en contacto con el agua, la materia en suspensión presente también puede ser eliminada. Una columna típica se esquematiza en la figura 7. El agua se introduce por la parte superior de la columna y sale por la inferior. El carbón se mantiene en su lugar por medio de una rejilla en el fondo de la columna. Es necesario prever las instalaciones de lavado en superficie y a contracorriente. El lavado a contracorriente es necesario para evi-tar las pérdidas de carga excesivas. Tales columnas pueden operar solas, o como se ha dicho, en serie y también en paralelo.

Page 39: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

39

Lecho móvil (expandido). Flujo en contracorriente

Las operaciones de paradas o interconexiones a la hora de la regeneración dependerán de la configuración del sistema de columnas.

El problema de la obstrucción de carbón puede reducirse si se utiliza un lecho expandido y flujo ascendente (Fig. 5). Durante la operación, el afluente se introduce por el fondo de la columna y se deja que se expanda el lecho, como si se tratase de un lecho filtrante durante un lavado a contracorriente. El carbón consumido se va sustituyendo en forma continua por nuevo carbón. En un sistema así la pérdida de carga no aumenta con el tiempo, una vez que se ha alcanzado el régimen de funcionamiento normal.

Page 40: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

40

Columna de adsorción. Lecho fijo. Flujo descendente

El lecho móvil (Fig. 6) funciona a contracorriente agua-carbón activo. Otra disposición es aquélla en que la base del lecho es un lecho fluidizado, lo que facilita la extracción del carbón.

8.0.-CONCLUSIONES. El trabajo satisface los objetivos planteados, cuyo fin, fue describir ampliamente el fenómeno de la adsorción, desde el punto de vista fisicoquímico y su aplicación en diferentes campos: la industria, en tratamientos de diversos tipos de aguas y otros. Se ha podido conocer la amplia gama de aplicación del carbón activado como uno de los adsorbentes con mayor rendimiento y su importancia por el bajo costo con relación a otros adsorbentes. Particularmente la aplicación del carbón activado en el tratamiento de aguas residuales es más relevante como una alternativa y así obtener un tipo de agua en condiciones aplicables para la alimentación de equipos y sus accesorios con características no nocivas, vale decir, productos corroyentes e indeseables para su aplicación. 9.0.-BIBLIOGRAFIA

1) “Manual del ingeniero Químico”. PERRY. TomoVI. Sexta edición. 2) “Ingeniería de aguas Residuales”. 3) “Fisicoquímica”.GILBERT W. CASTELLAN.

Page 41: 37259939 Adsorcion Quimica y Fisica

41

4) Información extractada de la Internet. 5) Material proporcionado en Pre-grado. 6) Operaciones Unitarias ALAN FAUST