Curso de Adsorción e Intercambio Ionico

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Espero les sirva, es un curso completo

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ADSORCION

ADSORCION

La adsorcin, se define como la acumulacin de material (denominado adsorbato) en una superficie, es muy diferente de la absorcin, que es un fenmeno de volumen. La adsorcin se utiliza para eliminar de forma individual los componentes de una mezcla gaseosa o lquida. El componente a separar se liga de forma fsica o qumica a una superficie slida.

Se cree que el trmino adsorcin fue introducido por primera vez por Kayser en 1881 para describir sus observaciones sobre la condensacin de gases sobre una superficie, fenmeno descubierto por Scheele en 1773 y Fontana en 1777 independientemente (Dabrowski, 2001; Tien, 1994).

Adsorbato y adsorbente

El slido recibe el nombre de adsorbente, y el componente que se adsorbe en l se denomina adsorbato. El adsorbente se debera unir, en lo posible, slo a un adsorbato, y no los dems componentes de la mezcla a separar.

Un adsorbente debe tener:

Una gran capacidad de adsorcin y rpida velocidad de adsorcin.

Gran rea superficial o volumen de: Microporos d < 2 nm Mesoporos 2 < d < 50 nm Macroporos d > 50 nm Su estructura debe ser porosa para que las molculas del adsorbato se transporten a los sitios activos.

Buena capacidad de regeneracin.

Figura 1. Concentracin de avance en el fluido a la salida del lecho.

MTZ ( Mass Transfer Zone): Zona de Migracin de Transferencia de Masa

Ruptura: Migracin ltima del AdsorbatoEQUILIBRIO DE ADSORCION

TIPOS DE ADSORBENTES

Existe una diversidad de adsorbentes entre los cuales se encuentran:

Carbn Activado Zeolitas Tamices Moleculares Gel de Slice Almina Activada CARBON ACTIVADO Figura 2. A) Carbn Activado. B) Granulo de Carbn Activado.

El carbn activado es carbn poroso que se produce artificialmente de manera que exhiba un elevado grado de porosidad y una alta superficie interna.

Es un material que se caracteriza por poseer una cantidad muy grande de micro poros (poros menores a 2 nanometros de radio). A causa de su alta micro porosidad, un solo gramo de carbn activado puede poseer reas superficiales de 500 m aunque algunos tipos de carbones activados llegan a 2500 m/g. A modo de comparacin, una cancha de tenis tiene cerca de 260 m.

Estas caractersticas, junto con la naturaleza qumica de los tomos de carbono que lo conforman, le dan la propiedad de atraer y atrapar de manera preferencial ciertas molculas del fluido que lo rodean.

Figura. Red cristalina (a) del diamante (cbica), (b) del grafito (hexagonal) y (c) del carbn activo (no cristlina).

Figuras. Carboneos y sus diferentes estructuras microscpicas.

Factores que Afectan la Adsorcin con Carbn Factor Efecto

Solubilidad Los compuestos menos solubles en el agua son adsorbidos ms fcilmente que los compuestos ms solubles.

Estructura Molecular Los compuestos orgnicos de cadena ramificada son adsorbidos ms fcilmente que los de cadena recta.

Peso Molecular Las molculas grandes son ms fcilmente adsorbidas que las molculas ms pequeas.

Polaridad Los compuestos orgnicos menos polares (o dbilmente ionizados) son adsorbidos ms fcilmente que los polares (o fuertemente ionizados).

Saturacin de enlaces Los compuestos orgnicos no saturados son adsorbidos ms fcilmente que los compuestos orgnicos saturados.Los compuestos organicos saturados son los que tiene enlace sencillo y los insaturados tienen enlace doble o triple. Saturados: metano, etano, propano, butano, pentano, etc Insaturados: eteno, etino, propeno, propino, buteno, butino, etc

Regeneracin (Reactivacin) Para hacer econmico el uso del carbn granular a altos flujos de consumo (mayor de 188 Kg/da). Se requiere la regeneracin o revivificacin del CARBN ya que pierde su poder retentivo convirtindose en un material de momento inservible.La reactivacin o regeneracin del carbn hay que tener en cuenta dos cosas distintas:

1. Debe purificarse el carbn de todas las sustancias extraas que le acompaan (lquidos que lo alcanzan, y grmenes que se depositan en sus poros) destruyen pronto su estructura porosa y determinan su inactividad.

2. Hay que procurar no perder carbono.

Existen varios mtodos para regenerar al carbn entre los cuales se encuentran: Trmico Qumico Con gas caliente Va solvente Biolgico (fermentacin).De estos sistemas la regeneracin trmica es la ms utilizada y consiste en pasar al carbn granulado a travs de un horno de temperatura controlada el cual puede ser del tipo fijo o rotatorio.

Regeneracin qumicaEste tipo de regeneracin del carbn activado deja subsistir del 75 al 90 por 100 del valor absorbente inicial. El mtodo biolgico deja de subsistir 50 al 60 por 100.

Esta regeneracin debe comprender las opciones siguientes:

a) Coccin del carbn activo, sumergido en agua, durante una hora.

b) Coccin de la suspensin del carbn activo a 15 a 20 B. en leja de sosa a 0.5 a 1 B. durante una hora.

c) Coccin de la suspensin del carbn activo a 15 a 20 B. en HCl a 1-1.5 B durante 1 hora.

d) Calcinacin e n horno a 600C.

Las cenizas deben eliminarse peridicamente, a medida que se acumulan, sumergiendo el carbn en una mezcla de sosa caustica y carbonato de sosa calcinado.

Una de las principales aplicaciones del carbn activado es la purificacin de lquidos y gases contaminados con alguna molcula orgnica.En resumen; todos los procedimientos de regeneracin se reducen sustancialmente a procesos de calefaccin (para desprender los gases que el carbn adsorbi), de lavado y digestin con cidos, alcalisis y agua a, fin de disolver las sales y los cidos orgnicos, los restos de azcar y de materias colorantes y mucilaginosas que los carbones han ido reteniendo durante su periodo de actividad. Por ltimo, los carbones regenerados, como queda dicho, se someten a calcinacin en hornos especiales, que se calientan a 400-500C, con objeto de carbonizar las impurezas orgnicas que todava retienen.

Lquidos Gases

Tratamiento de agua potable y residual. Alimentos y bebidas carbonatadas (descafeinado de caf, decoloracin de azcar, mieles, caramelos, licores, jugos, etc.). Hidrometalurgia (recuperacin de oro, plata y otros metales). Productos qumicos y farmacuticos (tratamiento contra intoxicaciones agudas) Tratamiento de llagas, quemaduras o heridas. Recuperacin de disolventes Purificacin de aire y gases industriales. Recuperacin de solventes Catalizadores Produccin de gases (aire comprimido). Tratamiento de gases de combustin. Celdas combustibles. Desulfuracin de gases Mascarillas de gas

Se utiliza en la Industria farmacutica como:

Vehculo excipiente en frmacos

Tratamientos contra intoxicaciones

Adsorbente de uso general

ZEOLITAS NATURALES Y SINTETICASLas zeolitas son aluminosilicatos hidratados y slidos micro-porosos con una estructura cristalina caracterizadas bien definida por un alto poder de adsorcin y de intercambio catinico. La Zeolita es una roca compuesta de aluminio, silicio, y oxgeno. Se halla en una variedad de regiones del mundo donde la actividad volcnica prehistrica ocurri cerca del agua, o donde el agua ha estado presente por milenios desde las erupciones.

La unidades bsicas a partir de las cuales se forman las zeolitas son los tetraedros [SiO4]4- y [AlO4]5- cuya unin tridimensional es travs de los tomos de oxgeno que da lugar a la estructura polidrica tpica de las zeolitas. La formula general de las zeolitas se escribe como:

Ejemplo:Nan (AlnSi 96-nO92) . 16H2O Zeolita ZMS-5 y 11K6Na3(Al9Si27O72). 21H2O Zeolita LNombre EstructuraRelacin Si/AlNmero de tetraedros por celda

Grupo de las faujasitas

Zeolita XNa86[(AlO2)86(SiO2)106](264H2O1 1.5192

Zeolita YNa56[(AlO2)56(SiO2)136](250H2O1.5 - 3192

Zeolita ANa12(Al12Si12O48) (27H2O(0.71.2192

Zeolita ZK-5Na30(Al30Si66O192) (98H2O1.75-2.5596

Nombre EstructuraRelacin Si/AlNumero de tetraedros por celda

AnalcimaNa16(Al16Si32O96) 16H2O1-348

Chabazita(Na2Ca)6(Al12Si24O72) 40 H2O2.5-436

Clinoptilolita(Na4K4)(Al8Si40O96) 24 H2O4-748

Erionita(NaCa0.5K)9(Al6Si30O72) 27 H2O2.5-436

Ferrierita(Na2Mg2)(Al6Si30O72) 18 H2O4-736

Phillipsita(NaK)10(Al10Si22O62) 20 H2O1-316

Las zeolitas naturales tienen ventanas de tamao limitado (tamao de poro) y todas son hidroflicas (tienen afinidad por el agua). Algunas zeolitas sintticas se parecen al carbn adsorbente, dado que ambas pueden considerarse hidrofbicas y pueden adsorber vapores orgnicos con molculas de tamao ms pequeo que el de sus poros.Aplicaciones

Lquidos Gases

Ablandar el agua mediante el intercambio de iones que tiene lugar en sus cavidades. Control de los contaminantes del aire - particularmente el control de los Compuestos Orgnicos Voltiles (COV) s

Otras Aplicaciones:

En agricultura se utilizan como fertilizantes

En la ganadera son usadas como suplemento alimenticio: aumentan la eficiencia de adsorcin de los alimentos.

En la industria petroqumica como catalizadores y adsorbentes.Las zeolitas naturales la hacen superior a cualquier otro producto natural similar utilizado, como suplemento en la alimentacin animal, debido a lo anterior su uso est autorizado internacionalmente, tanto en la produccin vegetal ecolgica como en la produccin animal ecolgica.

Las zeolitas naturales pueden utilizarse en el control de malos olores generados en granjas de cultivo intensivo. Si se utiliza como aditivo en el pienso, disminuye notablemente el contenido en amoniaco en los purinos, tambin puede utilizarse directamente en el pozo de los purinos. Tienen una gran absorcin de amonaco y de H2S que provocan malos olores, ayudando en el proceso de digestinanaerbica de los purinos.

La capacidad de