Generalidades del proceso de adsorción

Generalidades del proceso 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; por ello se considera como un fenómeno superficial. Cabe distinguir tres tipos de adsorción; 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 de la superficie. (http://www.agua.uji.es/2007/pdf/leccionHQ17.pdf). La adsorción que tiene lugar debido a las fuerzas de Van del Waals se llama generalmente adsorción física. En este caso, la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, sino más bien está libre de trasladarse dentro de la interface. Esta adsorción, en general, predomina a temperaturas bajas. El equilibrio es reversible. 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 (Vicente 2009).

2.6.2 Adsorbentes

La mayor parte de los adsorbentes son materiales altamente porosos y la adsorción tiene lugar fundamentalmente en el interior de las partículas sobre las paredes de los poros en puntos específicos; puede regenerarse con el fin de obtener el adsorbato en forma concentrada o prácticamente pura.

Puesto que los poros son generalmente muy pequeños, el área de la superficie interna es varios órdenes de magnitud superior al área externa y puede alcanzar valores tan elevados como 2000 m2/g. La separación se produce debido a que diferencias de masa molar o de polaridad dan lugar a que algunas moléculas se adhieren más fuertemente a la superficie que otras. En muchos casos el componente que se adsorbe (adsorbato) se fija tan fuertemente que permite una separación completa de dicho componente desde un fluido sin apenas adsorción de otros componentes (McCabe 1998).

2.6.3 Equilibrio de adsorción

El fenómeno de adsorción es un proceso que tiende al equilibrio y según sea su diagrama, el adsorbente tendrá mayor o menor capacidad para adsorber un compuesto determinado. Hay diversos tipos de comportamientos representados por las líneas de equilibrio.

Para estudiar la adsorción en un sistema  pueden ser usadas dos técnicas: experiencias por lote y experiencias con columnas.

La adsorción en tanque agitado o procedimiento por lote es cuando el adsorbente es añadido al crudo de alimentación. La ventaja es la captura directa del producto de un medio de alimentación sin clarificar; la desventaja del método es que el tanque agitado se comporta como un simple plato teórico necesitando de un gran tiempo de procesamiento y resultando de una eficiencia de contacto pobre. Además, requiere de más adsorbente que el necesitado para el mismo grado de adsorción que en un proceso de cama empacada (Levenspiel 1999).

El problema principal que tiene la adsorción en una cama empacada es que el adsorbente se va “gastando”, dado que se satura del soluto, y es por este motivo que resulta importante predecir el tiempo en que tarda en saturarse para poder acabar el ciclo de adsorción y empezar el ciclo de regeneración  del sólido (Persson 2005). El tiempo que se requiere para saturar la cama es una función de:

1. La capacidad adsorbente.

2. El flujo del fluido.

3. La concentración del adsorbato en el fluido.

2.6.3.1 Isotermas de adsorción

Cuando el adsorbente se pone en contacto con el adsorbato, éste comienza a concentrarse en la interfase, disminuyendo su concentración en el seno de la solución, hasta que se alcanza el equilibrio. El equilibrio se alcanzará cuando se igualen las velocidades de adsorción y desorción. El número de moles de adsorbato adsorbido por unidad de masa de adsorbente (q*) alcanza la condición de equilibrio a temperatura constante según:

q*= V/m (co – c*)        (2.1)                                                         

 Donde:

 V: volumen inicial de solución

 m: masa de adsorbente

 co: concentración inicial de soluto

 c*: concentración de equilibrio del soluto.  

La expresión que relaciona q*=f (c*) a temperatura constante se conoce como isoterma de adsorción. En la figura 2.3 se muestran los tipos de isotermas más comunes.

Lo importante de dichas isotermas radica en lo siguiente: (1) ayudan a describir su equilibrio y (2) se pueden conocer parámetros físicos del adsorbente como el área específica y la capacidad de adsorción de los mismos. Hay que tener en cuenta que cada adsorbente depende mucho del proceso de manufactura seguido, y aun así sea el mismo proceso, la cantidad de poros en el mismo, es decir la cantidad de “centros activos”, resulta ser diferente. Además, la misma regeneración del sólido hace que cambie sus propiedades adsorbentes.

[pic 1]

Figura 2.3 Isotermas de adsorción más común (a) Lineal, (b) Langmuir, (c) Freundlich

La isoterma lineal puede ser descrita por la ecuación de una línea recta que pasa por el origen, de la forma:

[pic 2]    (2.2)

donde:

q :  Cantidad de soluto adsorbido por cantidad de absorbente

c :  Concentración de soluto en solución

K : Constante de equilibrio

La isoterma de Freundlich se describe por medio de una ecuación fundamentalmente empírica, de la forma:

[pic 3]   (2.3)

donde:

n : Constante adimensional

K: Constante de equilibrio cuyas unidades dependen de n

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