Adsorcion

ADSORCION

Introducción

Mediante la adsorción las moléculas de un soluto se concentran en una superficie solida por la acción de fuerzas intermoleculares entre el soluto y el sólido. Este fenómeno es fácilmente reversible. Primero la solución y el adsorbente se ponen en contacto. Al efectuarse la adsorción, el soluto se une perfectamente a la superficie del adsorbente respecto a otros solutos. Una vez concluida la adsorción es necesario lavar la columna con una solución que no provoque la separación del soluto de interés, finalmente se efectúa la recuperación del soluto utilizando un fluido que favorece la adsorción, operación conocida como elución.

En el análisis de la operación de adsorción se utilizan modelos para el diseño, análisis de alternativas, optimización o para la obtención de datos experimentales.

La formulación requiere:

El establecimiento de las relaciones de equilibrio y de la capacidad de adsorción de los sistemas.

El establecimiento de la rapidez de la adsorción con respecto a los fenómenos difusivos y cinéticos de superficie.

Los balances de masa y energía del sistema de adsorción especifico

Las condiciones iniciales y de frontera del sistema.

Fundamentos

Las operaciones de adsorción son utilizadas en la obtención de varios tipos de productos como aminoácidos, antibióticos, vitaminas y proteínas. De estos se destacan 4 aspectos fundamentales:

Los tipos de adsorción dependen del tipo de interacción soluto-adsorbente.

Los tipos de adsorbentes.

Las relaciones de equilibrio.

La cinética de adsorción.

Tipos de adsorción según el tipo de interacción soluto-adsorbente

De acuerdo al tipo de interacción del soluto con el adsorbente, se puede distinguir 4 tipos básicos:

-física -iónica -hidrofobia -por afinidad

Física: fuerzas de atracción entre soluto y adsorbente son de London-van der walls.

Iónica: la diferencia de cargas entre adsorbente y soluto genera atracciones electrostáticas.

Hidrofobia: se produce por interacciones entre regiones hidrofobias del soluto y el adsorbente

Por afinidad: se basa en interacciones altamente específicas entre el adsorbente y el soluto, lo que le caracteriza como altamente electiva.

TIPOS DE ADSORBENTES

En el proceso de selección del adsorbente los principales parámetros a considerar son las propiedades físicas del adsorbente, como: resistencia mecánica, área por unidad de volumen, porosidad interna y del lecho, forma y tamaño de la partícula. También es importante la capacidad de adsorción del sólido, la cual está influida por su carga y relativa hidrofobicidad.

En adsorción física el más utilizado es el carbón activado y en menor proporción la sílica gel. También son utilizadas resinas sintéticas.

En intercambio iónico son utilizados inorgánicos o sintéticos. Inorgánicos como las zeoliticas son poco utilizados. Iónicos sintéticos están formados por matrices de polímeros unidos lateralmente. A la matriz se le unen grupos funcionales que le dan la capacidad de intercambio iónico, las resinas de estireno divinil benceno catiónicas se producen en un paso por acción de un acido sobre el gripo benceno

En la adsorción por afinidad son fabricadas de: celulosa, celulosa modificada, poliacrilamida, dextrano y agarosa. Para poder inmovilizar el ligando en la matriz existen varios procedimientos que dependen del grupo funcional sobre la matriz, del ligando y la estabilidad.

Los ligandos son moléculas de alta afinidad por el soluto de interés y pueden ser de varios tipos

Bioespecíficos estrictos:

Sustratos para adsorción de enzimas

Antígenos para adsorción de anticuerpos

Sondas para obtención de ácidos nucleicos

Proteínas acarreadoras para obtención de hormonas

Bioespecíficos: cofactores y lectinas

Pseudoespecíficos biológicos: aminoácidos

Pseudoespecíficos no biológicos: colorantes y metales

RELACIONES DE EQUILIBRIO

Las isotermas son parte esencial para modelar la adsorción y para el diseño, calculo de eficiencias y costos de la adsorción. Estas nos permiten estimar el grado de purificación que puede ser alcanzado, la cantidad de adsorbente requerido y la sensibilidad del proceso respecto a la concentración del producto.

Existen 4 tipos básicos de isotermas:

La isoterma de Freundlich

Isoterma lineal

Isoterma de Langmuir

Isoterma irreversible

La isoterma de Freundlich se describe por medio de una ecuación exponencial:

q=K_(y^n )

Donde q es la cantidad de soluto adsorbida por cantidad de adsorbente, y es la concentración de soluto en la solución, n es una constante adimensional y K es una constante cuyas unidades dependen de n. las constantes de la isoterma de freundlich pueden ser obtenidas mediante una grafica log-log de los datos experimentales, determinándose K como la ordenada al origen y n de la pendiente de la recta. Cuando las isotermas de adsorción n < 1, se llama isoterma favorable, cuando las isotermas de adsorción n>1 se llaman desfavorables

Las isotermas lineales que pueden ser descritas por la ecuación de una recta que pasa por el origen de la forma:

q=Ky

Aquí los datos experimentales se grafican en coordenadas cartesianas para determinar K

Las isotermas de tipo Langmuir están dadas por expresiones como la siguiente:

q=(q_o y)/(K_d+ y)

Donde qo es la capacidad máxima del adsorbente y Ka es la constante de equilibrio de desorción. Deben de ser obtenidas experimentalmente

1/q=K_d/q_o 1/y+1/q_o

De tal manera que en una grafica cartesiana de 1/q vs 1/y, se puede obtener una recta de pendiente Kd/qo y ordenada al origen 1/qo. Las unidades en esta isoterma de qo y Kd son las mismas que q y y.

Un caso particular de la isoterma de langmuir se presenta cuando Kd es muy pequeña y la adsorción es irreversible. En este caso q= qo para cualquier valor de y.

Se propone que sobre la superficie del adsorbente existen sitios en los que las partículas se unen reversiblemente. La adsorción en el sentido directo es proporcional a la concentración de soluto y a la concentración de sitios activos vacios. En el sentido inverso la adsorción es proporcional a la concentración de sitios ocupados.

Por lo tanto la adsorción puede ser expresada de la siguiente forma:

Soluto + sitios vacios < ------- > sitios ocupados

En el equilibrio se puede definir una constante de equilibrio de desorción Kd:

...