Bogotá D.C., Noviembre 05 del 2013.

IngenieraORNELLA ALVARADOLaboratorio de operaciones de separación, reacción y controlUniversidad Nacional de Colombia

Saludo Cordial,

A continuación se hace entrega de los resultados de la experimentación de Adsorción del colorante Naranja de Metilo con carbón activado granular realizada durante la práctica que se llevó a cabo el día 29 de Octubre del 2013. Nos hacemos responsables ante usted de la veracidad de la información entregada.

Durante esta práctica se realiza una curva de calibración de absorbancia vs. Concentración del colorante mediante el espectrofotómetro. Posteriormente se realiza la adsorción de 4 muestras de solución de 50 mL de concentración constante de colorante mediante 4 cantidades variables de carbón activadocon agitación magnética a una temperatura constante de 20°C. La práctica tiene lugar enen el laboratorio de Catálisis ubicado en el LIQ.

En este informe se obtiene la isoterma de adsorción a 20°C. De igual manera se determina la cantidad de colorante adsorbida en el tiempo, de lo cual se construyen las gráficas de perfil de concentración del colorante para cada una de las cantidades de carbón activado utilizadas. Dicha concentración se determinó a partir de la curva de Calibración vs. Absorbancia construida a partir de las soluciones patrón de colorante. Finalmente se presentan las conclusiones y las recomendaciones frente al proceso de adsorción.

__________________________ANDREA GÓMEZ RIAÑO

__________________________DIANA LORENA GUEVARA GARCÍA

__________________________JORGE VILLAMIZAR VILLAMIZAR

__________________________LAURA LISETH CUBILLOS

ADSORCIÓN DEL COLORANTE NARANJA DE METILO CON CARBÓN ACTIVADO GRANULAR

Laboratorio de operaciones de separación, reacciones y control.Noviembre 05 de 2013

Andrea Gómez Riaño 2446301, Diana Lorena Guevara Garcia2446361, Laura Liseth Cubillos Ordoñez 2446141Jorge Eduardo Villamizar Villamizar 2448611

1 Estudiantes Departamento de Ingeniería Química y Ambiental. Facultad de Ingeniería.

Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá.

La adsorción es el proceso en el cual átomos, iones o moléculas se retienen en la superficie de un sólido y de esta manera una sustancia que es soluble en la otra se puede separar. El uso de carbón activado como agente de adsorción es muy frecuente ya que tiene una gran superficie interna (500 - 1500 m2/g) y esto hace que tenga una adsorción ideal. La adsorción se utiliza en procesos importantes como purificación de productos, blanqueamiento de sustancias, tratamiento de aguas residuales, entre otros.

A continuación se analizan los resultados obtenidos al realizar la adsorción de 4 soluciones de concentración constante de Naranja de metilo con 4 cantidades diferentes de carbón activado en el laboratorio de Catálisis que se encuentra en el LIQ. Para lo cual se realiza una curva de calibración de Absorbancia vs. Concentración y se determina la concentración de cada una de las alícuotas extraídas a través del tiempo (cada 2 minutos) durante 20 minutos. Finalmente se determina el % de decoloración de cada una de las muestras luego de transcurridos 20 minutos.

OBJETIVOS

GENERAL

Comprobar experimentalmente la capacidad de adsorción que posee el carbón activado y el comportamiento adsorbente que presenta en diferentes cantidades para una solución de concentración constante de Naranja de Metilo.

ESPECÍFICOS

Construir una curva patrón de absorbancia en función de la concentración en solución acuosa del Naranja de Metilo.

Determinar la concentración de una muestra dada utilizando la curva patrón y la adsorción determinada.

Determinar el porcentaje de decoloración que presentan diferentes muestras de masa variable de carbón activado sobre soluciones de concentración constante de Naranja de Metilo.

Determinar los parámetros de la ecuación de Freundlich y hacer un análisis de la curva obtenida a partir de tales constantes.

DATOSEXPERIMENTALES

Tabla 1. Características del Colorante.

Colorante Naranja de MetiloLongitud de Onda (nm) 460

Marca Brixco

Tabla 2. Solución Madre.

Volumen (mL) 100,0Peso Colorante (mg) 10,1

Tabla 3. Soluciones para la curva de calibración.

N° de Solución Preparación Absorbancia1ra Solución 20 mL de la solución madre + 80 mL de agua 1,7212da Solución 10 mL de la 1ra Solución + 15 mL de agua 0,6533ra Solución 10 mL de la 2da Solución + 15 mL de agua 0,2474ta Solución 10 mL de la 3ra Solución + 15 mL de agua 0,0845ta Solución 10 mL de la 4ta Solución + 15 mL de agua 0,0366ta Solución 10 mL de la 5ta Solución + 15 mL de agua No hay lectura

Tabla 4. Análisis de Muestras - Absorbancia en el tiempo.

Muestra Tiempo (min)

AbsorbanciaCarbón 1 Carbón 2 Carbón 3 Carbón 4(0,6006 g) (0,2010 g) (0,4083 g) (0,8012 g)

Inicial 0 1,721 1,721 1,721 1,7211 2 1,221 1,379 1,317 0,9852 4 1,013 1,310 1,186 0,6713 6 0,823 1,280 0,943 0,4774 8 0,643 1,224 0,912 0,3045 10 0,515 1,196 0,810 0,2046 12 0,401 1,135 0,623 0,1577 14 0,267 1,038 0,558 0,1078 16 0,201 0,983 0,520 0,081

Final 20 0,094 0,809 0,350 0,056

RESULTADOS

Se trabaja a una longitud de onda de 460 nm en el espectrofotómetro.

En primer lugar, la concentración de la solución madre es:

C soluciónmadre ppm=mg soluciónmadreLde solución

=10,01mg0,100 L

=101 ppm

Ahora bien, es necesario identificar la concentración en ppm de cada una de las soluciones de la curva de calibración. A continuación se ilustra este procedimiento para la primera solución y se registran los resultados en la tabla 5.

Teniendo en cuenta que para preparar la solución 1 se toma una alícuota de 20mL de la solución madre, para un volumen total de 100mL de solución, se tiene:

Solución1 ppm=101,0

mgL

∗20mL 1L1000mL

100mL∗1 L1000mL

=20,20 ppm

Tabla 5. Concentración en ppm de las soluciones.

N° de Solución Concentración (ppm) AbsorbanciaSolución Madre 101,00 No Aplica

1ra Solución 20,200 1,7212da Solución 8,0800 0,6533ra Solución 3,2320 0,2474ta Solución 1,2928 0,0845ta Solución 0,5171 0,0366ta Solución 0,2068 No hay lectura

A partir de los datos de la Tabla 5 de Concentración vs. Absorbancia, es posible construir la curva de calibración que se ilustra en la gráfica 1.

Gráfica 1. Absorbancia vs. Partes por millón en las soluciones de Naranja de Metilo.

De esta manera a partir de la función lineal obtenida, se puede determinar la concentración de cada una de las soluciones en el tiempo:

Absorbancia=0,0861Concentración−0,0256

Concentración ( ppm)= Absorbancia−0,02560,0861

De lo cual se obtiene la Tabla 6:

Tabla 6. Concentración de colorante en cada una de las muestras.

Muestra Tiempo

Carbón 1 Carbón 2 Carbón 3 Carbón 4Concentraci

ón (ppm)Concentraci

ón (ppm)Concentraci

ón (ppm)Concentraci

ón (ppm)Inicial 0 21,40 21,40 21,40 21,40

1 2 15,28 17,21 16,45 12,382 4 12,73 16,37 14,85 8,543 6 10,40 16,00 11,87 6,164 8 8,194 15,314 11,490 4,0395 10 6,625 14,971 10,240 2,8146 12 5,228 14,223 7,949 2,2387 14 3,586 13,034 7,152 1,6258 16 2,777 12,360 6,686 1,306

Final 20 1,466 10,228 4,603 1,000

Gráfica 2. Concentración del colorante Naranja de Metilo en el tiempo.

A partir de la concentración del colorante en el punto inicial y final para cada una de las cantidades de carbón activado es posible realizar un ajuste al modelo de Freundlich para ala temperatura de trabajo que correspondía a 20 °C.

q=K c1/n

De lo cual se obtienen los siguientes datos para cada una de las muestras de carbón.

Tabla 7. Parámetros del modelo de Freundlich.

Cantidad de carbón

(g)q (x/Wcarbón)

Concentración en el equilibrio(ppm)

0,2010 2,7802 11,1760,4083 4,1794 16,8010,6006 4,9598 19,9390,8012 5,0757 20,404

Y para obtener los parámetros linealizamos la ecuación:

log (q )=log (K )+ 1nlog (c)

Tabla 8. Parámetros del modelo linealizado de Freundlich.

Cantidad de carbón (g) Ln(q) Ln(C)0,2010 1,0225 2,41380,4083 1,4301 2,82140,6006 1,6013 2,99260,8012 1,6244 3,0157

A partir de la gráfica 3, se obtiene que la ecuación de la isoterma a 20 °C es:

q=4c

Dónde k= 4 y n=1.

Finalmente calculamos el porcentaje de decoloración de cada una de las muestras como una medida de la cantidad de soluto adsorbido en función de la cantidad de carbón activado presente en las muestras. Esta medida se realiza en función de la absorbancia de la muestra final e inicial:

%Decoloración=A inicial−A finalA inicial

×100

De lo cual se obtienen los datos registrados en la Tabla 9.

Gráfica 3. Isoterma de Freundlich a 20°C para el colorante Naranja de Metilo.

Tabla 9. % de decoloración de las muestras.

Cantidad de carbón (g)

% de decoloración

0,2010 530,4083 800,6006 950,8012 97

ANÁLISIS DE RESULTADOS

En cuanto a la curva de patrón realizada (gráfica 1.), esta concuerda por la teoría propuesta por Bourguer-Lambert-Beer1, la cual predice, para una longitud de onda constante y paso óptico fijo, una relación lineal entre absorbancia y concentración. Esta ley sólo se cumple estrictamente o está limitada para soluciones diluidas, generalmente concentraciones menores o iguales que 10-2M, caso que concuerda con la práctica realizada.

1 BRUNATTI, C. (s.f.). Recuperado el 4 de Noviembre de 2013, de http://materias.fi.uba.ar/6305/download/Espectrofotometria.pdf

Como se observa en la tabla 9. , se evidencia el comportamiento esperado de adsorción según la cantidad de carbón activado utilizada puesto que en la muestra en la cual se tenía mayor cantidad de carbón el porcentaje de decoloración fue a su vez mayor. Sin embargo se considera sería de gran interés estudiar la adsorción de cantidades de carbón activado superiores a los 0,8 gramos, puesto que la diferencia de porcentaje de decoloración entre 0,6g y 0,8 de carbón activado (2%) no es tan alta como la diferencia entre 0,2 y 0,4g (27%) o que 0,4 y 0,6g (15%). Lo anterior podría suponer que podría existir una cantidad límite de carbón activado para este sistema a partir del cual no se observe mayor diferencia al aumentar la cantidad de carbón activado utilizado.

En la gráfica 2. se observa también que la velocidad de adsorción tiende a aumentar conforme lo hace la cantidad de carbón utilizado. Esto se evidencia al observar todas las curvas en un mismo tiempo, por ejemplo a los 10 minutos, donde se observa que la concentración más baja de colorante está presente en la muestra de mayor contenido de carbón (curva azul).

Por otro lado, se observa una pendiente grande en todas las curvas de dicha gráfica en los momentos iniciales de la prueba. Lo anterior supone que en los minutos iniciales la adsorción del colorante es mucho más rápida y disminuye conforme el carbón se satura de este.

En cuanto a la isoterma Freundlich, se encontró que los parámetros correspondientes son k=4 y n=1. Estos resultados serían más confiables en el caso de haber tomado más puntos; sin embargo, por efectos de tiempo estos no se realizaron, por lo tanto no los resultados obtenidos aunque no se descartan, deben ser validados por el duplicado de la prueba realizada. Además, se debe esperar que al llevar a cabo una segunda prueba a distinta temperatura por encima de los 20°C estos parámetros deben disminuir.2

CONCLUSIONES

De manera global mediante la realización de la práctica se observó la capacidad de absorción del carbón activado granular puesto que la decoloración del agua teñida de amarillo era evidente independientemente de la cantidad de carbón activado introducido en cada solución.

Para la correcta realización de la práctica se realizó la curva patrón de absorbancia vs. concentraciones conocidas de Naranja de Metilo (gráfica 1.) con el fin de utilizar dicha curva para caracterizar las muestras a analizar en función del tiempo.

2 IZQUIERDO F. "Cinética de las reacciones químicas" 2004. U. Barcelona - España Pág 165

Para cada una de las muestras se calculó el porcentaje de decoloración. Para la primera, cuya cantidad de carbón activado era 0,2010g fue de 53%, para la segunda con 0,4083 g fue de 80%, para la tercera con 0,6006 g fue de 95%y para la cuarta con 0,8012 g de 97%.

Finalmente, los parámetros obtenidos para la ecuación de Freundlich fueron k=4 y n=1.

RECOMENDACIONES

Dado que mediante la experimentación realizada solo se logra obtener una isoterma, se sugiere realizar otras pruebas a diferentes temperaturas, para obtener un estudio más amplio de la capacidad de adsorción del carbón activado en soluciones de Naranja de Metilo.

Considerando que el carbón activado en las cantidades estudiadas presenta una eficiencia alta de remoción de colorante en las soluciones de concentración constante, resultaría interesante realizar la prueba de adsorción con soluciones de diferentes concentraciones de Naranja de Metilo.

ANEXOS

Ilustración 1. Soluciones patrón de colorante Naranja de Metilo para la construcción de la curva de calibración.

Ilustración 2. Montaje de adsorción de colorante Naranja de Metilo.

Ilustración 3. Alícuotas de colorante adsorbido tomadas a través del tiempo.