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La adsorción es una operación unitaria de transferencia de masa; un proceso por el cual los átomos o moléculas de una sustancia que se encuentra en una fase determinada, son retenidas en la superficie de otra sustancia, que se encuentra en una fase distinta
(generalmente sólida). Como resultado de este proceso, se forma una capa de líquido o gas en la superficie de una sustancia sólida o líquida (Pauline.M.Doran.1998).

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" (el proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción).
.
Por el contrario, 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


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La adsorción se utiliza para eliminar d individual los componentes de una mezcla gaseosa o líquida. El componente a separar se liga de forma física o química a una superficie sólida.

Un proceso de adsorción involucra la separación de una substancia en una fase fluida acumulando la sustancia en la superficie del adsorbente sólido.

El proceso de cambio iónico supone un intercambio de una sustancia o ión por otra sobre la superficie del sólido. 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.

Los procesos de adsorción son empleados para purificar y separar substancias.

Pueden distinguirse cuatro tipos de adsorción:
  • de intercambio,
  • física,
  • química y
  • no específica.

La adsorción es utilizada para eliminar de forma individual los componentes de una mezcla gaseosa o líquida. El componente a separar se une de forma física o química a una superficie sólida.

El componente eliminado por adsorción de una mezcla gaseosa o líquida puede ser el producto deseado, pero también una impureza.
a. Este último es el caso, por ejemplo, de la depuración de gases residuales

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".
Los procesos de adsorción son ampliamente usados en muchas aplicaciones industriales y en la purificación de agua potable o tratamiento de agua residual.


Requisitos del adsorbente:

Un adsorbente deberá tener una gran capacidad de adsorción y rápida velocidad de adsorción.

  • Debe tener una gran superficie específica (gran porosidad) o volumen de microporos
  • Tener una buena capacidad de regeneración.
  • Estructura porosa para que las moléculas del adsorbato se transporten a los sitios activos

-Microporos d < 2 nm
-Mesoporos 2 < d < 50 nm
-Macroporos d > 50 nm

Dado que la adsorción se favorece por temperaturas bajas y presiones altas, para la regeneración, es decir, para la desorción, se emplean temperaturas altas y presiones bajas.
De este modo, para la regeneración del adsorbente se puede utilizar, por ejemplo, vapor de agua o un gas inerte caliente.

ADSORBENTES COMERCIALES
  • Carbón Activado
  • Zeolitas Tamices Moleculares
  • Gel de Sílice
  • Alúmina Activada

CARBÓN ACTIVADO

El carbón activado se prepara a partir de materiales que contienen carbón, tales como carbón mineral (antracita, bituminoso, lignito), madera, cáscara de coco, residuos agricolas, etc …

Fabricación de carbón activado:
  • Pirolisis o carbonización
  • Activación con gases oxidantes
Aplicaciones del carbón activado:

Fase Liquida
  • Tratamiento de agua potable y residual
  • Alimentos y bebidas carbonatadas
  • Hidrometalurgia
  • Productos químicos y farmacéuticos
Fase Gaseosa
  • Purificación de gases
  • Purificación de aire
  • Recuperación de solventes
  • Catalizadores
  • Producción de gases
  • Tratamiento de gases de combustión
  • Celdas combustibles


Operación de Adsorción

Una operación típica de adsorción consta de las siguientes etapas:
  • Una etapa de adsorción o de contacto en la que el soluto se une a la resina de adsorción,
  • Una etapa de lavado para eliminar el material residual que no se ha adsorbido,
  • La etapa de desorción o elución de adsorbato con un disolvente apropiado,
  • La etapa de lavado para eliminar el eluyente residual
  • La etapa de regeneración de la resina de adsorción para retornarla a su condición original (Pauline.M.Doran.1995).

ALIMENTO
AGENTE DE SEPARACIÓN

PRODUCTO

PRINCIPIOS DE SEPARACIÓN
EJEMPLO

gas o líquido

sólido adsorbente

líquido

+

sólido

diferencia de potenciales de

adsorción

secado de gases por adsorción


En los procesos de adsorción, al soluto retenido se le denomida adsorbato y el sólido sobre el que se retiene es el adsorbente o simplemente sorbente. Como adsorbentes se utilizan sólidos que presentan una gran superficie de contacto, y por lo general son porosos. Uno de los más utilizados es el carbón activo, aunque existen polímeros sintéticos que también se utilizan en adsorción y son los denominados tamices moleculares (Ibarz, A. 2005).
Cuando las fuerzas son de Van der Waals, la adsorción se denomina física, y puede ser reversible. Sin embargo, la adsorción puede deberse a una reacción química entre el soluto y el adsorbente, denominándose quimisorción. Mientras que en la adsorción física el soluto puede ser retinido en cualquier punto de la superficie del sorbente, en la quimisorción el adsorbente presenta puntos activos sobre los cuales es retenido el adsorbato (Ibarz, A. 2005).


































































Según transcurre el tiempo, disminuye la capacidad de adsorción en la zona inferior del lecho fijo. El adsorbato se va ligando al adsorbente en zonas cada vez más altas. Esto equivale a la migración de la zona de transferencia de materia (Mass Transfer Zone, MTZ) con el tiempo
Una vez la MTZ ha migrado completamente a través del lecho fijo (ruptura). El adsorbente ya no puede ligar más adsorbato a lo largo del lecho fijo. La concentración del adsorbato en la salida del adsorbedor equivale entonces a la concentración en la entrada.

Si se tiene una superficie sólida con nanoporos, dichos poros van a ser capaces de retener gas de la atmósfera que lo rodea, gracias al fenómeno de adsorción. Los nanoporos son los llamados centros activos del adsorbente, que tienen fuerzas de enlace entre sus átomos que no están saturadas, de manera que admiten la adsorción de átomos o moléculas del gas que lo rodea. 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.

Las curvas de ruptura se emplean para diseñar adsorbedores de lecho fijo. Su forma es característica, según el comportamiento de la adsorción




Al proceso inverso de la absorción se le llama empobrecimiento o desabsorción.
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 (Agua, 2011).
Para describir el equilibrio existente entre la adsorción de un material en una supercie a temperatura constante, se utiliza una isoterma de adsorción o isoterma de sorción.Dicha isoterma nos representa la cantidad de material unido a la superficie (sorbato) como una función del material resente en la fase gas o en la disolución. Este tipo de isotermas se utilizan como modelos experimentales y se las obtiene de datos de medidapor medio de análisis de regresión.
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 procesos "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 determina la concentración de este metal en el suelo (Agua, 2011).
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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 es la 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(Agua, 2011).
Básicamente la adsorción es utlizada para eliminar de forma individual los componentes de una mezcla gaseosa o líquida.


Tipos de adsorción


Podemos diferenciar tres tipos de adsorción, dependiendo de qué tipos de fuerzas existan entre el soluto y el adsorbente. 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 sorbente, que se halla cargada eléctricamente con signo contrario a los iones del soluto. Para dos absorbatos iónicos posibles, a igualdad de otros factores, pero uno con mayor carga que otro, la carga del ión es el factor determinante en la adsorción de intercambio, el de mayor carga será el que sea adsorbido. Para adsorbatos con igual carga, el tamaño molecular (radio desolvatación) 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. 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.

Adsorción química. También llamado adsorción activa o quimisorción. Sucede cuando hay interacción química entre adsorbato y adsorbente. La fuerza de la interacción entre adsorbato y adsorbente es fuerte, casi como un enlace químico, debido a que el adsorbato formaunos enlaces fuertes localizados en los centros activos del adsorbente. En este tipo de adsorción el adsorbato sufre una transformación, más o menos intensa, de su naturaleza química. 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.

Función de Freundlich
Es una isoterma de adsorción, la cual relaciona la concentración de un soluto en la superficie de un adsorbente, con la concentración del soluto en el líquido con el que está en contacto.

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x/m = sustancia adsorbida por gramo de carbón activo

Ce = diferencia de concentración (entre antes y después)

Kf, n = constantes específicas para un adsorbato y adsrobente dados y para una temperatura particular

Función de Langmuir
La isoterma de adsorción de Langmuir nos permite describir cuantitativamente una gran capa de moléculas sobre una superficie adsorbente como una función de la concentración del material adsorbido en el líquido con el que está en contacto. La forma de la isoterma, es una curva gradual y positiva , hasta llegar a un valor constante.La funcion de Langmuir muchas veces, se representa como una adsorción en la superficie inicial seguida por un efecto condensación como resultado de una fuerte interacción soluto-soluto. Este tipo de función se la utiliza en la cromatografía.
Por lo cual se indicó que: "Los gases al ser absoribidos por la superficie del sólido, forman únicamente una capa de espesor monomolecular". Por otro lado el proceso de absorción está formado por dos acciones opuestas, una de condensación de las moléculas de la fase de gas sobre la superficie, y una de evaporación de las situadas en la superficie hacia el gas. Cuando domina la adsorción, cada molécula que colisiona con la superficie puede condensarse en ella, pero al seguir con esta acción, se espera que sean adsorbidas aquellas moléculas que inciden en alguna parte de la superficie no cubierta todavía. Además una molécula es capaz de librerarse por la agitación térmica escapándose hacia el gas. Cuando las velocidades de condensación y de liberación se hacen iguales entonces se establece el equilibrio.
La ecuación es la siguiente:
 theta =frac{alpha cdot P}{1+alpha cdot P}
theta =frac{alpha cdot P}{1+alpha cdot P}

donde :
θ = fracción de cobertura de la superficie
P =presión del gas o su concentración
α = es una constante.
α= es la constante de adsorción de Langmuir y es mayor cuanto mayor sea la energía de ligadura de la adsorción y cuanto menor sea la temperatura.
(Lenntech B.V., 2011)
En el siguiente esquema se puede observar como bajo determinadas condiciones las moléculas de un gas son adsorbidas en la superficie de un sólido poroso, siendo este proceso útil en la medición de superficies de área y tamaños de poro de ciertos sólidos:






















Equilibrio de adsorción e isotermas de adsorción


La Isoterma de Adsorción es la relación matemática entre la masa de soluto adsorbido y la concentración del soluto en la solución una vez que se ha alcanzado el equilibrio.
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La capacidad de adsorción está definida en base a las isotermas de adsorción en disolución. La isoterma de adsorción es la relación de dependencia, a una temperatura , de la cantidad de adsorbato adsorbido por peso unitario de adsorbente, con respecto a la concentración de adsorbato en equilibrio.

Para obtener la isoterma de un determinado adsorbato se realizan experimentos en los cuales una solución de concentración C0 conocida se hace pasar por un adsorbente de varios pesos. Después de la adsorción se mide la concentración de la solución filtrada Ce, y la diferencia de concentraciones es la cantidad de sustancia disuelta que ha sido adsorbida por el carbón. Esta diferencia se divide entre la cantidad de adsorbente utilizado y la relación obtenida representa la capacidad de intercambio en el equilibrio qe, la cual se grafica contra la concentración de equilibrio Ce, que es la concentración (ideal) del adsorbato en la cual se detiene el proceso de adsorción, como se ve en la Figura 4.1:




isoterma.jpg




La pendiente de la isoterma es la constante K de equilibrio de la reacción (que depende de la temperatura), y representa la adsorptividad, que es la facilidad con la cual el adsorbato es adsorbido. Cada adsorbato tiene una adsorptividad diferente, por lo cual es muy difícil hacer el
diseño de un filtro de carbón activado en base a esta consideración. Así surge el concepto de carbón orgánico total, que reúne las propiedades de muchos compuestos orgánicos en uno solo, con fines de diseño.

Existen muchos compuestos cuya adsorción podría continuar por años y no parar. Es entonces prácticamente imposible alcanzar el equilibrio para esos compuestos y, por lo tanto, Ce. Es por esto que no se suele buscar la isoterma de un compuesto con fines de diseño.

La adsorción se produce por las fuerzas de interacción entre el sólido y las moléculas del gas. Básicamente estas fuerzas son de dos clases: físicas y químicas, las que dan lugar a la fisiadsorción y a la quimisorción respectivamente. En la adsorción física las interacciones predominantes son de tipo van der Waals, mientras que en la adsorción química las interacciones semejan enlaces químicos. Esto da lugar a entalpías de adsorción muy diferentes: alrededor de -20 kJ/mol para la fisiadsorción y cerca de -200 kJ/mol para la quimiadsorción. En este trabajo, salvo aclaración en el sentido contrario nos referiremos a la adsorción física.
La cantidad de gas adsorbido por la muestra es proporcional a la masa m de la muestra, y depende de la temperatura T, la presión p del vapor y de la naturaleza del sólido y del gas. Con lo que si n es la cantidad de gas adsorbido, expresado en moles por gramo de sólido tenemos que:

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Para un gas adsorbido sobre un determinado sólido mantenido la temperatura constante, la anterior ecuación se simplifica.

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Si la temperatura es mantenida por debajo de la temperatura crítica de condensación del vapor podemos escribir la ecuación anterior como:

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En la literatura podemos encontrar miles de isotermas de adsorción medidas sobre una amplia variedad de sólidos porosos. A pesar de tal diversidad la mayoría de estas isotermas, las cuales son el resultados de una adsorción física, pueden ser agrupadas convenientemente en seis clases según la clasificación de la IUPAC. Los primeros cinco tipos de la clasificación (I a V) fueron propuesto originalmente por Brunauer S., Deming L. S., Deming W. S. y Teller E. y es conocida como la clasificación BDDT 3, también referenciada como clasificación de Brunauer. La isoterma del Tipo VI es más reciente y se la conoce como isoterma escalonada, es una clase poco común pero es interesante desde el punto de vista teórico.
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Fig: Clasificación de las isotermas de adsoción según la IUPAC


TIPOS DE ISOTERMAS DE ADSORCIÓN

Tipo I: La isoterma es cóncava respecto al eje de la presión relativa (p/p0), aumenta rápidamente a baja presión ( p/p0<1x10- 3) y posteriormente alcanza la saturación horizontal. Esta clase de isotermas es característica de materiales microporosos. La alta energía de adsorción de los microporos produce que el gas se adsorba a bajas presiones. Una vez que se ha completado todo el volumen de los microporos la isoterma permanece en un valor casi constante sobre un amplio rango de presiones, lo que produce el llamado plateau.

Tipo II: A bajas presiones es cóncava respecto al eje de la presión relativa (p/p0), luego aumenta linealmente y finalmente se vuelve convexa. Puede ser interpretada como la formación de una capa adsorbida cuyo espesor es incrementado progresivamente a medida que aumenta la presión. Si la rodilla de la isoterma es pronunciada, se asume que en el punto B (el punto donde comienza la sección cuasilineal de la isoterma) se ha completado la formación de la capa monomolecular (monocapa.) y empieza la formación de las capas multimoleculares (multicapas). La ordenada del punto B nos da una estimación de la cantidad de adsorbato requerido para cubrir por unidad de masa, la superficie del sólido con una capa monomolecular (capacidad de monocapa) . Esta clase de isoterma es característica de sólidos no-porosos o de adsorbentes macroporosos. La total reversibilidad de la isoterma de adsorción-desorción, es decir, la ausencia del lazo de histéresis, es una condición que se cumple en este tipo de sistemas.
Tipo III:
es convexa respecto al eje de la presión relativa (p/p0) en todo el rango de presión. Esta característica es indicativa de interacciones débiles entre el adsorbato y el adsorbente. En la práctica no es común encontrase con este tipo de isotermas.
Tipo IV:
a bajas presiones se comporta como la del Tipo II, siendo el rasgo distintivo de esta isoterma su lazo de histéresis. Es característica de los sólidos mesoporosos. Como veremos más adelante la aparición del ciclo de histéresis se debe a que el proceso de llenado de los mesoporos está gobernado por el fenómeno de condensación capilar y por las propiedades percolativas del sólido
Tipo V:
del mismo modo que las de Tipo III, esta clase de isotermas se obtiene cuando las interacciones entre el adsorbato y el adsorbente son débiles. La presencia del lazo de histéresis está asociada con el mecanismo de llenado y vaciado de los poros. En la práctica es poco usual encontrase con este tipo de isotermas.
Tipo VI:
o isoterma escalonada es la menos común de todas las isoterma. Se la asocia con la adsorción capa por capa sobre superficies que son altamente homogéneas respecto del adsorbato. La forma del escalón depende de la temperatura y de los detalles del sistema.



























Modelos matemáticos
Se ha intentado en muchas ocasiones desarrollar ecuaciones o modelos matemáticos que se ajusten a las distintas isotermas experimentales. Las ecuaciones que se más frecuentemente son las propuestas por Langmuir, Freundlich y Brunauer-Emmet y Teller.

Langmuir
Es una de las ecuaciones más conocidas y mejor fundamentadas. Se admite generalmente para la quimisorción y para la adsorción física a presiones bajas y temperaturas moderadamente altas. Su ecuación general es:
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donde Q es la constante relacionada con los lugares ocupados y libres en la superficie del adsorbente.


Freundlich
Se usa para presiones bajas. Expresa la relación entre la concentración en el carbón y la concentración en la solución. Su ecuación general viene dada por:
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donde n es una constante adimensional que depende de la temperatura.


Brunauer-Emmet y Teller (BET)
Su ecuación describe muy satisfactoriamente los distintos tipos de isotermas encontradas experimentalmente. La superficie que le corresponde a un gramo de adsorbente (superficie específica) puede encontrarse así:

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donde S = superficie específica (m2/gr)
am = capacidad de monocapa (mol/gr)
Wm = superficie que ocupa una molécula en la superficie (angstroms2)
NA = número de Avogadro = 6.023·1023 mol-1

Se puede usar la isoterma de cualquier sustancia para determinar la superficie específica si se conoce la superficie que ocupa la molécula del adsorbato en un adsorbente dado.


Adsorción de un compuesto químico sobre un suelo

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.

ecuaciones isoterma.jpg


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.

MECANISMO GENERAL DE LA ADSORCIÓN



La adsorción obedece a las leyes de equilibrio entre la concentración en fase líquida y la concentración en fase sólida, sobre la superficie del material adsorbente. La adsorción de un soluto se efectúa según una sucesión de cuatro etapas cinéticas:

  • a. Transferencias del soluto desde el seno de la fase líquida hacia la película líquida que rodea el adsorbente. Esta transferencia se hace por difusión y/o convección.

  • b. Transferencia del soluto a través de la película líquida hacia la superficie del adsorbente. Caracterizada por el coeficiente de transferencia de masa global externa (Kf), parámetro inversamente proporcional a la resistencia ejercida por la película externa a la transferencia de masa. El espesor de esta película externa, &delta, y Kf dependen de las turbulencias existentes en el interior de la fase líquida.

  • c. Difusión del soluto en el grano, bajo los efectos del gradiente de concentración. Esta difusión puede hacerse: en estado libre, en el líquido intraparticular (el coeficiente de difusión porosa, Dp, caracteriza esta migración); o en estado combinado, de un sitio de adsorción a otro adyacente (el coeficiente superficial, Ds, es especifico de esta etapa). Algunos autores (Noll,1992) no establecen una diferencia entre estos coeficientes y los agrupan en uno solo, Defc, Coeficiente de Difusión Efectiva.

  • d. Adsorción propiamente dicha. Este fenómeno corresponde al sistema de más baja energía y se caracteriza por las interacciones soluto–soporte, que pueden ser de dos tipos: la adsorción física (fisiosorpión) que se basa en las fuerzas intermoleculares débiles (Van der Waals o electrostática), cuyos efectos son reversibles, y la adsorción química (quimiosorción) que se basa en las fuerzas de naturaleza covalente, cuyos efectos son casi siempre irreversibles. La existencia de tales enlaces supone la presencia de sitios reactivos. Siempre intervienen simultáneamente los dos fenómenos, pero la fisiosorpción parece ser el mecanismo preponderante.

Estas etapas se efectúan en serie siendo la más lenta la que impone la cinética. Para la mayoría de los autores, las etapas 1 y 4 son rápidas; por lo tanto, es la transferencia de masa a través de la película y de difusión en el interior del grano (superficial y porosa) las que controlan la cinética de adsorción.

http://youtu.be/1rnz5BcsBho
Adsorción física.
http://youtu.be/i12rLwfNstE

FACTORES QUE AFECTAN LA ADSORCIÓN



El nivel de actividad de la adsorción depende de:

  • La temperatura
  • La polaridad de la sustancia. Una sustancia polar (= soluble en agua) no puede ser eliminada o es malamente eliminada por el carbón activo, una sustancia no polar puede ser totalmente eliminada por el carbón activo.
  • El tipo de compuesto que desee ser eliminado. Los compuestos con elevado peso molecular y baja solubilidad se absorben más fácilmente.
  • La concentración del compuesto que desea ser eliminado. Cuanto más alta sea la concentración, más carbón se necesitará.
  • Presencia de otros compuestos orgánicos que competirán con otros compuestos por los lugares de adsorción disponibles.
  • El pH del agua. Por ejemplo, los compuestos ácidos se eliminan más fácilmente a pHs bajos

La adsorción depende de las concentraciones respectivas del catión en el adsorbente y el líquido. La fuerza iónica de la solución determina la intensidad de la adsorción, pues la adsorción relativa es proporcionalmente más intensa en soluciones diluidas que concentradas. Cuando se incrementa la fuerza iónica de la solución en contacto con la arcilla, por ejemplo, la capa difusa se comprime y el potencial eléctrico decae más rápidamente con la distancia a la superficie. Por consiguiente, la superficie potencial variará en función de la concentración de electrolito y del tipo de carga de la superficie de las partículas (constante o dependiente del pH). Para una superficie pHdependiente, un incremento en la concentración de electrolito generará un descenso de potencial al producirse un aumento de la distancia a la partícula.

La capacidad de adsorción es muy dependiente del pH de la solución ya que afecta las características de la superficie, el tipo de especies del adsorbato que se encuentran en solución y las interacciones entre la superficie y el adsorbato en solución.

La temperatura influye en la medida que las reacciones de adsorción son normalmente exotérmicas y por tanto, el grado de adsorción será presumiblemente mayor, al disminuir la temperatura, aunque las variaciones normales de temperatura sólo tienen
pequeños efectos sobre el proceso de adsorción.

La fuerza de enlace con que los iones son retenidos o adsorbidos en los lugares de cambio depende, asimismo, de otros factores, entre los cuales cabe citar los siguientes:
- Valencia y tamaño del ión
- Densidad de carga, estructura y superficie específica del material de intercambio
- Concentración relativa de los cationes presentes
- Contenido de agua en el sistema (efecto dilución)

En general, la fuerza de enlace de los cationes depende de su valencia, tamaño efectivo e hidratación y de las características del adsorbente.


TIPOS DE ADSORCIÓN



Las fuerzas que gobiernan el fenómeno de adsorción son de tres tipos: tipo eléctrico, de fuerzas de Van der Waals o de tipo químico.

Dependiendo de qué tipos de fuerzas existan entre el soluto y el adsorbente, podemos diferenciar tres tipos de adsorción (González, 2010):


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  1. Adsorción por intercambio.- En este proceso el soluto y el adsorbente se atraen por fuerzas electrostáticas. Los iones del soluto se concentran en la superficie del sorbente, 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.
  2. 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.
  3. Adsorción química.- la adsorción de una especie química presente en la solución del suelo (adsorbato) por los constituyentes de la fase solida del suelo (adsorbente) ocurre debido a la interacciones entre la superficie activa de las partículas solidas y el adsorbato. La cantidad adsorbida de una determinada especie depende no solo de la composición del suelo sino también de la especie química de la que se trata y de su concentración en la solución.

  • RESUMIENDO:



















AdsorciónaContracorrienteenVariasEtapas





APLICACIONES

En particular, la adsorción 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
para la síntesis de amoniaco (catalizador de Fe), la fabricación de ácido sulfúrico (con V2O5) y nítrico (con Pt/Rh), la
hidrogenación 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).

En cromatografía de líquidos y gases la adsorción se utiliza para separar los componentes de una mezcla. Esta separación se basa en los diferentes grados de interacción de cada compuesto con el adsorbente. El mismo principio está detrás del funcionamiento de filtros de uso doméstico e industrial, desde el extractor de la cocina hasta las mascarillas antigases (Christian, 1994; Glasstone, 1968).

En el Bioprocesado se utilizan varias operaciones de adsorción, principalmente para la obtención de productos médicos y farmacéuticos.
La adsorción de Intercambio Iónico se utiliza para la recuperación aminoácidos, proteínas, antibióticos y vitaminas.
(Doran.1998)

















Torre de absorciòn de carbón activado.
http://youtu.be/XRUyVAnDnrE


La mayoría de adsorbentes disponibles comercialmente son resinas porosas granulares o en forma de gel con porosidades del 30 y 50% y diámetros de poro generalmente inferiores a 0.01mm. Por ejemplo, la superficie total en partículas de carbón activado varía entre 450 y 1800
m2g-1. Pero no toda el área es disponible para la adsorción si no que las moléculas de adsorbato únicamente tienen acceso a las superficies de un tamaño apropiado. (Doran.1998)



La adsorción se aplica industrialmente en muchos casos: para secar corrientes de gas por adsorción de su humedad sobrelecho de gel de sílice, para eliminar olores de una corrientepor adsorción sobre el carbón activo, para decolorar líquidos recuperar disolventes del aire ambiente evitando la contaminación por vapores orgánicos.

La adsorción se utiliza en muchos casos de purificación de fluidos, que contienen contaminantes que les confieren sabores y olores desagradables. Así, en los zumos de naranja, la limonina es un compuesto que le confiere un sabor amargo, y puede ser eliminada por adsorción sobre polímeros. De igual modo, las melaninas y melanoidinas, formadas por los pardeamientos enzimático y no enzimático, pueden ser eliminadas por adsorción sobre carbón activado (Ibarz, A. 2005).

Extracción de humedad del aire comprimido: En este proceso se hace pasar el aire comprimido por un lecho de alúmina u otro material activo, que retiene las moléculas de agua por adsorción (González, 2010).

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 alúmina 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 agua 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 swing adsorbtion" o PSA. Conocido también como cambio de presion por vaivén.


ADSORBENTES COMERCIALES:
  • Carbón activado
  • Zeolitas
  • Gel de sílice
  • Alúmina activada


CARBÓN ACTIVADO
El objetivo de la producción de carbón activo es alcanzar una superficie interna muy grande (entre 500 - 1500 m 2 /g). Esta superficie interna grande hace que el carbón tenga una adsorción ideal. El carbón activo viene en dos variaciones: Carbón activado en polvo (PAC) y carbón activado granular (GAC). La versión de GAC se utiliza sobre todo en el tratamiento de aguas, puede fijar las siguientes sustancias solubles por adsorción (Lenntech B.V.,2011):
  • Depuración de agua subterránea
  • Decloración del agua
  • Depuración de aguas para piscinas
  • Refinamiento de las aguas residuales tratadas

Pro ejemplo el carbón activo se usa en los siguientes procesos: Depuración de agua subterránea, decloración del agua, depuración de aguas para piscinas y refinamiento de las aguas residuales tratadas (Lenntech B.V.,2011).

carbon activado.jpg
Carbón Activado


El proceso de la adsorción ocurre en tres pasos (Lenntech B.V.,2011):
  1. Macro transporte: Movimiento del material orgánico a través del sistema de macro-poros del carbón activo (macro-poros > 50nm)
  2. Micro transporte: Movimiento del material orgánico a través del sistema de micro-poros del carbón activo (microporo < 2nm; meso-poro 2-50nm)
  3. Adsorción: Adhesión física del material orgánico a la superficie del carbón activo en los meso-poros y micro-poros del carbón activo.



AGOTAMIENTO DEL FILTRO
La curva del carbón activo muestra el agotamiento del filtro. En el punto C3 la columna empieza a romper en el punto mas bajo y cerca del punto C4 su columna ya no purifica. Entre el punto C3 y C4 se necesita regenerar la columna.

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Fuente: Lenntech B.V. (2011).
A continuación se presenta una simulación relacionada con la adsorción dentro de los poros de carbón activado:































Los siguientes proceso muestran el uso del carbón activado:































































































La adsorción sobre carbón activo es un método de gran eficiencia para la purificación de ácido cítrico, mientras que la adsorción de compuestos orgánicos en carbón o adsorbentes poliméricos porosos es muy utilizado en el tratamiento de aguas.(Doran, 1998)


ADSORCIÓN CELULAR
La adsorción celular es uno de los procesos más importantes en el organismo ya que puede actuar en procesos inmunológicos importantes.En los virus se produce el proceso de adsorción para su replicación en la célula huesped, de esta manera el virus mata a la célula huesped y se produce la enfermedad. Para que se de dicho proceso de adsorción, los virus tienen receptores moleculares que ayudan a identificar a la celula huesped y consecuentemente insertar su ADN para posteriormente matar a la células sanas. De igual manera ocurre en la inmunidad innnata, los antigenos que entran a nuestro organismos se adhieren a las células sanas; el sistema inmunologico actua en ese momento ya que se envia mensajes de que existen un cuerpo extraño en nuestro organismo y necesita ser combatido; para lo cual los macrofagos, que son nuestras celulas de defensa, se adhieren a estos antigenos y los eliminan evitando la producción de la enfermedad.

En conclusión la mayoría de las células primero realizan mecanismos de adsorción y luego de absorción.


ADSORCIÓN: SIMULACIÓN DE FLUIDOS MOLECULARES CONFINADOS

Arcillas PILCS
Investigadores del Instituto de Química-Física Rocasolano del CSIC estudian las propiedades de adsorción de las denominadas arcillas PILCS (Pillared clays) .Este tipo de arcillas asi como otros materiales porosos, tienen una gran importancia industrial como catalizadores, materiales para almacenar gases y materiales utilizados en procesos de separación. Se las emplea en procesos como la producción de biofuels a partir de grasas vegetales, el almacenamiento de gas natural a temperatura ambiente o el almacenamiento de gases de efecto invernadero que producen las industrias. Las arcillas PILCS están formadas por múltiples láminas separadas por una distancia fija. Entre las láminas se encuentran intercaladas de forma aleatoria unas moléculas denominadas pilares.


montaje_adsor_copia.jpg
Imagen 1: estructura cristalina de la zeolita ZSM-11 en la que pueden verse los 'huecos' por los que pueden pasar las moléculas de gas. Imagen 2: Otra vista de la estructura cristalina de la zeolita ZSM-11, en la que se pueden ver las galerías cilíndricas dentro del material. Imagen 3: Canales de una zeolita que se van llenando de las moléculas de gas representadas con esferas azules. Imagen 4: Red de canales tridimensional de una zeolita

SIMULACIÓN DE FLUIDOS EN TU ORDENADOR
Ibercivis es una Plataforma de Computación Ciudadana, que colabora con proyectos ciéntificos , cada trabajo de Adsorción que se envía a los ordenadores de los ciudadanos ejecuta la simulación de la adsorción de un fluido con unas determinadas condiciones ambientales en una configuración de pilares determinada.
La simulación, al utilizar leyes de la física y mediciones experimentales, permite realizar construcciones ideales que reproducen aspectos y comportamientos de sistemas físicos reales. Esas construcciones, se las denomina modelos físicos, los cuales nos permiten comprender los mecanismos por los que están gobernadas y nos permiten hacer predicciones sobre su comportamiento.
Gracias a estas simulaciones se obtiene información muy importante acerca del volumen accesible para las moléculas de los fluidos y las propiedades catalíticas de las arcillas en un tiempo muy inferior al que exigirían los cálculos si se realizaran en un único ordenado

imagen5.jpg
Imagen: representación bidimensional de una configuración de pilares (circunferencias azules) que ha sido teselada con triángulos de Delaunay. En rojo se representan las zonas por las que no pueden pasar las moléculas de metano.


PROCESO DE ADSORCIÓN EN EL SER HUMANO































Absorción y Distribución de los Fármacos
































A continuacion una presenacion sobre Adsorcion




















Adjunto, un archivo en formato pdf acerca del tratamiento por adsorción de lixiviados de un relleno sanitario:


Además, un archivo en formato pdf acerca de la adsorción en el tratamiento de efluentes conteniendo metales disueltos:


Y por último, un archivo en formato pdf acerca de la adsorción en sólidos mesoporosos:








Artículos






Fuente de consulta:
  • Agua. 2011. Procesos de adsorción. Consultado el 16 de Enero del 2012. Disponible en:http://www.agua.uji.es/pdf/leccionHQ17.pdf
  • González, M. 2010. Consultado el 16 de Enero del 2012. Disponible en: http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/adsorcion
  • Ibarz, A. Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos. Mundi-Prensa,2005. Pag. 815.
  • Ibercivis.2011.Plataforma de Computación Ciudadana. Extraído el7 de mayo del 2012 de: http://www.ibercivis.es/index.php?module=public§ion=channels&action=view&id_channel=3&id_subchannel=117
  • JULIE, F; BAUDU, M; MAZET M. “Relation ship between chemical and physical surface properties of activated carbon”. Wat. Res. Vol 32 N° 11 pp 3414 – 3424 begin_of_the_skype_highlighting external image numbers_button_skype_logo.pngFREE 3414 – 3424end_of_the_skype_highlighting begin_of_the_skype_highlighting external image numbers_button_skype_logo.pngFREE 3414 – 3424end_of_the_skype_highlighting begin_of_the_skype_highlighting 3414 – 3424 end_of_the_skype_highlighting begin_of_the_skype_highlighting 3414 – 3424 end_of_the_skype_highlighting begin_of_the_skype_highlighting 3414 – 3424 end_of_the_skype_highlighting begin_of_the_skype_highlighting 3414 – 3424 end_of_the_skype_highlighting, 1998.
  • Lenntech B.V. (2011).Adsorción con carbón activo. Consultado el 16 de Enero del 2012. Disponible en: http://www.lenntech.es/adsorcion.htm#ixzz1jdhmbeP7
  • Rodriguez, A. 2008. Consultado el 16 de enero del 2012.www.higiene.edu.uy/parasito/trabajos/elisa.pdf
  • Gunt Hamburg. Ingeniería de Procesos Térmicos. Sitio web: http://www.gunt.de/download/absorption_spanish.pdf



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