ADSORCIÓN

Definición

El proceso de adsorción es una operación de separación la cual es ampliamente aplicado en la industria química, es un proceso en el cual átomos, iones o moléculas llevados en un fluido son retenidos en la superficie de un compuesto (adsorbente) con el que se encuentra en contacto.

Existen dos tipos de adsorción, la adsorción gas/sólido y líquido/sólido.  Ambos tipos se pueden clasificar según el tipo de interacción que produce la separación y si el proceso ocurre en fase dinámica o estática. Los principales factores que influyen en la adsorción son:

• El relleno utilizado.
• La naturaleza del adsorbido y del adsorbente
• Temperatura y presión de operación.
• Concentración.

La cantidad de material que se acumula depende del equilibrio dinámico que se alcanza entre la tasa a la cual el material se adsorbe a la superficie y la tasa a la cual se evapora, y que normalmente dependen de forma importante de la temperatura. Cuanto mayor sea la tasa de adsorción y menor la de desorción, mayor será la fracción de la superficie disponible que será cubierta por material adsorbido en el equilibrio.

Cuando las moléculas, los átomos o los iones se unen a la superficie de los poros de un sólido, lo hacen mediante fuerzas de Van der Waals o enlaces químicos verdaderos. Esta ocurrencia se conoce como adsorción. (Mieles, 2020)

Principios  de la adsorción.

1. La selectividad común de un adsorbente entre el soluto y el fluido portador o entre varios solutos, hace posible la separación de ciertos componentes presentes en el fluido.
2. El proceso de adsorción global consta de una serie de etapas. Cuando el fluido pasa alrededor de la partícula en un lecho fijo, el soluto primero se difunde desde el volumen del fluido hacia toda la superficie exterior de la partícula. Luego, el soluto se difunde desde el interior del poro hasta la superficie del mismo. Por último, el soluto se adsorbe sobre la superficie.
3. La acumulación por unidad de área es pequeña; por consiguiente se prefieren los sólidos altamente porosos con áreas internas muy grandes por unidad de volumen. Generalmente las superficies son irregulares y las energías de enlace son debidas básicamente a las fuerzas de van der Waals.
4. El nivel de actividad de la adsorción se basa en la concentración de la sustancia en el agua, la temperatura y la polaridad de la sustancia. Una sustancia polar (sustancia que es soluble en agua) no puede ser adsorbida por el adsorbente, por el contrario, una sustancia no polar es posible ser adsorbida por el adsorbente. (Chavez, 2011)

Fundamentos de la adsorción

Difusión: Transferencia de masa que sigue un principio basado en gradiente impulsor y una propiedad de transporte denominada difusividad (Dab).

Difusión molecular: 

La difusión molecular, a menudo llamada simplemente difusión, es el movimiento térmico de todas las partículas a temperaturas por encima del cero absoluto. La velocidad de este movimiento es una función de la temperatura, la viscosidad del fluido y el tamaño de las partículas.

Relaciones de equilibrio (solubilidad): 

La transferencia de un componente de una fase gaseosa a una fase líquida se da cuando existe una diferencia de concentración. El equilibrio se alcanza cuando la presión ejercida por el componente en la fase gaseosa se iguala a la presión parcial del componente en la fase líquida.

Solubilidad de un gas en un líquido. 

La solubilidad de un gas en un líquido es función de:

1. Naturaleza de las sustancias y de su desviación del equilibrio. 
2. Temperatura: La solubilidad es inversamente proporcional a la temperatura.
3. Presión: La solubilidad es directamente proporcional a la presión. (Ortiz, 2016)

Tipos de adsorbentes.

Son sustancias naturales o sintéticas con formas amorfas y microcristalinas constituyen los materiales adsorbentes. Hay varios adsorbentes diferentes que se han creado para una variedad de separaciones dentro de las industrias. Los adsorbentes tienen superficies internas altas, son sólidos y porosos. Suelen presentarse en forma de gránulos con una superficie específica de 150 a 1000 m2/g y tamaños que van desde 1 centímetro hasta 50 micras. La composición química, el método de producción y el pasado del adsorbente tendrán un mayor impacto en su selectividad. Solamente los sólidos que posean una superficie especifica elevada serán adsorbentes de interés. 

Los adsorbentes utilizados en gran escala incluyen al carbón activado, sílica gel, alúmina activada, zeolitas sintéticas, tierra de fuller y otras arcillas. La más importante característica de los adsorbentes sólidos son sus grandes superficies, volumen y su afinidad para componentes individuales. (Morales, 2008)

Carbón activado.

El carbón activado es un adsorbente que presenta un elevado y variado grado de porosidad, una considerable superficie interna y un cierto contenido de grupos químicos superficiales; estas características son las responsables de sus propiedades adsorbentes, utilizadas en aplicaciones tanto en fase gaseosa como en fase líquida. 

El carbón activado es un adsorbente muy versátil, porque el tamaño y distribución de sus poros en la estructura carbonosa pueden ser controlados para satisfacer las necesidades de purificación en fase gaseosa y líquida, este es un material microcristalino que proviene de la descomposición térmica de madera, cortezas vegetales, carbón, etc., y tiene áreas superficiales de 300 a 1200 m2/g con un promedio de diámetro de poro de 10 a 60°A. las sustancias orgánicas generalmente se adsorben en carbón activado. (Moreno, 2007)

Sílica gel.

Un producto adsorbente, catalogado como el de mayor capacidad de adsorción de los que se conocen actualmente. Es una sustancia química de aspecto cristalino, porosa, inerte, no tóxica e inodora que tiene un área superficial de 600 a 800 m2/g y un promedio de diámetro de poro de 20 a 50 °A, el gel de sílice/silicagel también puede diferenciar la absorción de diferentes moléculas actuando como un absorbente selectivo. (Rivera, 2018)

Alúmina activada.

La alúmina activada se fabrica a partir de hidróxido de aluminio deshidroxilándolo de una manera que produce un material altamente poroso. El compuesto se usa como desecante, ádemas, se usa ante todo para secar gases y líquidos. Las áreas superficiales fluctúan entre 200 y 500 m2/g con un promedio de diámetro de poro de 20 a 140 °A. (Alava, 2020)

Zeolitas.

La zeolita Sintética es un tamiz molecular en polvo o pasta. Normalmente se utiliza en sistemas de poliuretano de 2 componentes, se utiliza cuando es necesaria una adsorción selectiva de moléculas pequeñas y polares. Las diversas zeolitas tienen tamaños de poro que van de cerca de 3 a 10 °A. Las zeolitas se usan para secado, separación de hidrocarburos y de mezclas y muchas otras aplicaciones.

Las Tierras Fuller.

Las Tierras Fuller son arcillas altamente adsorbentes de silicato de aluminio. Es de un alto poder blanqueador y decolorante en aceites, grasas y ceras de origen animal, vegetal, mineral o sintético.

Polímetros o resinas sintéticas.

Se fabrican polimerizando dos tipos principales de monómeros. Los que se generan a partir de compuestos aromáticos como el estireno y el divinilbenceno se usan para adsorber compuestos orgánicos no polares de soluciones acuosas. Los que provienen de ésteres acrílicos se utilizan para solutos más polares en soluciones acuosas. (Alava, 2020)

Tabla de las propiedades físicas de los absorbentes. 

Tipos de adsorción. 

La cantidad de material adsorbido depende de las tasas de adsorción y desorción de la sustancia, y del punto en el cual se alcance el equilibrio entre ambas. Cuanto mayor sea la adsorción y menor se la desorción, hallaremos mayor cantidad de material adsorbido en equilibrio.

Podemos diferenciar tres tipos de adsorción, estas fuerzas pueden ser de tipo eléctrico, de fuerzas de Van der Waals o de tipo químico.

Adsorción por intercambio: 

En este proceso el soluto y el adsorbente se atraen por fuerzas electrostáticas. Dicho de otra manera, los iones del soluto se concentran en la superficie del solvente, que se halla cargada eléctricamente con signo contrario a los iones del soluto. Si tenemos dos adsorbatos iónicos iguales en varios factores, pero uno con mayor carga que otro, el de mayor carga será el que se adsorbido. Para adsorbatos con igual carga, el tamaño molecular es el que determina cuál será adsorbido.

Adsorción por fuerzas de Van der Waals:

También llamada adsorción física o fisisorción. En este tipo de adsorción, el adsorbato no está fijo en la superficie del adsorbente, sino que tiene movilidad en la interfase. Ejemplo de este tipo de adsorción es el de la mayoría de las sustancias orgánicas en agua con carbón activado. En este tipo de adsorción el adsorbato conserva su naturaleza química.

Adsorción química: 

Sucede cuando hay interacción química entre adsorbato y adsorbente. También llamada Quimi sorción. La fuerza de la interacción entre adsorbato y adsorbente es fuerte, casi como un enlace químico. En este tipo de adsorción el adsorbato sufre una transformación, más o menos intensa, de su naturaleza química naturaleza química. (Valdez, Hernández, & Navarrete, 2015)

Equilibrio de adsorción

Una de las formas más habituales de representación del equilibrio de adsorción es mediante la relación entre la cantidad adsorbida y la presión, en el caso de gases o vapores, o la concentración en la fase líquida, en el caso de adsorción de líquidos, para una temperatura determinada. Esta relación se conoce como isoterma de adsorción para un determinado sistema adsorbato adsorbente. Las isotermas de adsorción, se pueden clasificar atendiendo a seis tipos mencionadas a continuación:

• La isoterma de tipo I es cóncava hacia el eje de abscisas, en el que se representa la presión relativa, y la cantidad adsorbida se aproxima a un valor constante al aumentar la presión relativa. Las isotermas de este tipo corresponden a solidos micro porosos. El límite de adsorción está determinado, en mayor extensión, por el volumen accesible frente al tamaño de poro.
• La isoterma de tipo II es la forma normal de isoterma que se obtiene con un sólido no poroso o macro poroso. Representa una adsorción en monocapa y multicapa sin restricciones. Se admite frecuentemente que el punto B, señalado en la Figura, indica el valor de presión relativa para el cual el recubrimiento de la monocapa se ha completado, indicando así el principio de adsorción por multicapa. 
• La isoterma de tipo III es convexa hacia el eje de abscisas para todo el intervalo de presión relativa. Este tipo de isoterma se presenta en materiales macro porosos o no porosos cuando existe poca afinidad entre el adsorbato y el adsorbente. Por tanto, al ser las interacciones adsorbato-adsorbente menores, no se observa el efecto de un campo de fuerzas a bajas presiones relativas.
• La isoterma de tipo IV presenta un ciclo de histéresis, el cual se asocia con la condensación capilar propia de la adsorción/desorción en mesoporos, y un valor límite en la cantidad adsorbida para el intervalo superior de presión relativa. La parte inicial de la isoterma se atribuye a la adsorción en monocapa, puesto que coincide con la primera región de la isoterma de tipo II. Este tipo de isoterma se presenta en los materiales adsorbentes mesoporos os. 
• La isoterma de tipo V se obtiene para materiales mesoporos os, pues presenta un ciclo de histéresis, cuando existe poca afinidad entre el adsorbato y el adsorbente. Es muy poco frecuente.
• La isoterma de tipo VI representa la adsorción escalonada en multicapa sobre una superficie uniforme no porosa. Cada uno de los escalones que presenta corresponde a una capa adsorbida. Suele presentarse, por ejemplo, en la adsorción de argón a la temperatura del nitrógeno líquido (77 K) sobre negro de humo grafitizado. (Capitulo 2 Adsorcion, s.f.)

Esquema

La adsorción es una de las técnicas más empleadas para la remoción de contaminantes dada la simplicidad del diseño y la facilidad de operación.

Para el estudio vamos a tomar en cuenta la columna de lecho fijo, cuando hablamos de columna de lecho fijo debemos coincidir en que son aquellas que contiene una sección formada por partículas sólidas dispuestas de tal forma que permiten el paso de un fluido sin separarse unas de otras, manteniendo su posición dentro del sistema. 

Por la parte de la alimentación va a entra la sustancia con agente que se desea retirar, y va a pasar por un material absorbente que para este caso es carbón activado, en el cual se va a quedar el agente contaminante de la sustancia y luego por la salida ya fluirá la sustancia con el agente eliminado. Hay que tener en cuenta que a medida que se da el proceso de adsorción el adsorbente de va saturando por lo que debe ser sustituido cada cierto tiempo.  

A continuación un video de un equipo de adsorción de una columna empacada con carbón activado para una mezcla de gases.

Clasificación de los equipos

El sistema se basa en un ciclo de adsorción - desorción con un adsorbente (carbón activo normalmente), de forma que los compuestos del gas a tratar quedan retenidos en el adsorbente, siendo posteriormente de sorbidos por una corriente de vapor, nitrógeno, aire caliente, o por reducción de presión.

Adsorbedor rotatorio

Sistema rotativo que permite realizar en continuo el ciclo de adsorción-desorción-enfriamiento.

Adsorbedor de lecho fijo.

Ciclo de adsorción - desorción discontinuo. Necesidad de dos lechos gemelos.

La adsorción. En la adsorción se tratan los gases emitidos y es donde se adsorben los disolventes. La desorción es la etapa de regeneración del carbón activo saturado y distinguiremos entre desorción con vapor, nitrógeno y por reducción de presión. La desorción con vapor es la más eficaz, pero tiene como principales inconvenientes la oxidación de algunos compuestos (en la desorción con nitrógeno no se produce), la posible contaminación de aguas y su coste de energía.

Absorbedor de lecho fluidizado.

Los lechos fluidos eliminan la necesidad de duplicar el equipo, ya que los procesos de adsorción y regeneración pueden ser llevados a cabo continuamente en el mismo lecho.

Aplicación de la adsorción en la industrial

Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción en el mundo industrial, es la extracción de humedad del aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a través de un lecho de alumina activa u otros materiales con efecto de adsorción a la molécula de agua. La saturación del lecho se consigue sometiendo a presión el gas o aire, así la molécula de aire es adsorbida por la molécula del lecho, hasta su saturación. La regeneración del lecho se consigue soltando al exterior este aire comprimido y haciendo pasar una corriente de aire presecado a través del lecho.

Lo habitual es encontrar secadores de adsorción en forma de dos columnas y mientras una adsorbe, la otra es regenerada por el mismo aire seco de la columna anterior. Este sistema se conoce como "pressure spring" o PSA. (Ramirez, 2013)

También se aplica en la industria alimentaria:

Los isotermas de adsorción se obtienen colocando un alimento cuyo contenido en agua se conoce, bajo vacío, en un recipiente cerrado y midiendo, después del establecimiento del equilibrio a una temperatura determinada, la presión de vapor de agua, con la ayuda de un manómetro o de un higrómetro (o incluso por cromatografía en fase gaseosa); también se puede obtener colocando muestras de un mismo alimento (seco o húmedo) en una serie de recipientes cerrados, en los cuales se mantienen.

• Decoloración en la industria azucarera.
• Decoloración de aceites en la refinación.

En la industria ambiental:

1. Desulfuración del gas natural (eliminación del H2S)
2. Eliminación de agua de efluentes gaseosos (secado)
3. Eliminación de olores e impurezas desagradables de gases industriales como el dióxido de carbono o del aire.
4. Recuperación de compuestos orgánicos volátiles (acetona) de corrientes gaseosas.
5. Procesos de potabilización de aguas.
6. Control de sabor y olor.
7. Eliminación de micro contaminantes.
8. Eliminación de exceso de desinfectante (cloro, ozono)
9. Depuración de aguas residuales: tratamiento terciario. (Chikizurita, 2015)

Otras aplicaciones en las que se emplea este proceso de adsorción como separación son: purificación de agua, tratamiento de 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.

Conclusión

La adsorción es el proceso por el cual los átomos, iones o moléculas quedan atrapados o retenidos en la superficie de un material. En química, la adsorción de una sustancia es su acumulación en una interfaz entre dos fases. Como resultado, se forma una película de líquido o gas sobre una superficie sólida o líquida.

Al usar el proceso de adsorción nos dan ciertas ventajas ya que es un proceso simple y tiene buena estabilidad, genera una cantidad pequeña de gases, las temperaturas son relativamente bajas.

Esta permite la posibilidad de recuperación de los compuestos orgánicos como los fenoles mediante el proceso de desorción con un solvente especifico dando una ventaja adicional con respecto a otros procesos de tratamiento.

La adsorción es muy importante debido a sus diversas aplicaciones en la industria y los laboratorios. Especialmente en los procesos químicos, los procesos químicos acelerados debido a la presencia de catalizadores cuyo estado de agregación difiere del estado de agregación de los reactivos son esenciales. Se tienen 3 tipos de materiales absorbentes que son el carbón activado, materiales polímeros sintéticos y materiales carboneos que son fundamentales para purificar el agua, quitar olores, sabores o colores no deseados y tratamiento del agua entre otras.

LINK DEL VIDEO DE EXPOSICIÓN

 

Bibliografía

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Morales, V. (18 de Agosto de 2008). Acrobat Distiller 5.0. Recuperado el 29 de Diciembre de 2022, de Acrobat Distiller 5.0: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/18832/Capitulo2.pdf

Moreno, J. C. (22 de Mayo de 2007). Acrobat Distiller 7.0. Recuperado el 29 de Diciembre de 2022, de Acrobat Distiller 7.0: https://scielo.conicyt.cl/pdf/infotec/v18n3/art09.pdf

Rivera, E. (13 de Octubre de 2018). A. Doctips. Obtenido de A. Doctips: https://www.geldesilice.com/index.php

Capitulo 2 Adsorcion. (s.f.). Obtenido de https://biblus.us.es/bibing/proyectos/abreproy/70358/fichero/CAPITULO2.pdf

Valdez, C. C., Hernández, A. d., & Navarrete, R. A. (mayo de 2015). Adsorción. Obtenido de wordpress: https://fisicoquimica1.wordpress.com/

 Moron, E. (2017, Julio). Steetmit. Retrieved from https://steemit.com/stem-espanol/@emiliomoron/dinamica-de-la-adsorcion-en-columnas-de-lecho-fijo

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 Chikizurita. (Mayo de 2015). Aplicaciones de la adsorcion. Obtenido de Fsicoquimica: https://fisicoquimica1.wordpress.com/pestana-3/

Ramirez, N. (Mayo de 2013). Adsorcion. Obtenido de Proindustriales: http://proindusitriales.blogspot.com/2013/05/adsorcion-un-proceso-por-el-cual-atomos.html