Química - procesos químicos

La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material en contraposición a la absorción, que es un fenómeno de volumen. Es decir, es un proceso en el cual por ejemplo un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua mediante el contacto con una superficie sólida (adsorbente). El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción.

En química, la adsorción de una sustancia es la acumulación de una sustancia en una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido o líquido.

Considérese una superficie limpia expuesta a una atmósfera gaseosa. En el interior del material, todos los enlaces químicos (ya sean iónicos, covalentes o metálicos) de los átomos constituyentes están satisfechos. En cambio, por definición la superficie representa una discontinuidad de esos enlaces. Para esos enlaces incompletos, es energéticamente favorable el reaccionar con lo que se encuentre disponible, y por ello se produce de forma espontánea.

La naturaleza exacta del enlace depende de las particularidades de los especímenes implicados, pero el material adsorbido es generalmente clasificado como fisisorbidoo quimisorbido

La cantidad de material que se acumula depende del equilibrio dinámico que se alcanza entre la tasa a la cual el material se adsorbe a la superficie y la tasa a la cual se evapora, y que normalmente dependen de forma importante de la temperatura. Cuanto mayor sea la tasa de adsorción y menor la de desorción, mayor será la fracción de la superficie disponible que será cubierta por material adsorbido en el equilibrio.

Para estos procesos, resultan interesantes materiales con una gran superficie interna, (y por lo tanto poco volumen) ya sea en polvo o granular, como el carbón activo, y llevan asociados otros fenómenos de transporte de material, como el macro transporte y micro transporte de los reactivos.

La adsorción por carbón activado es una tecnología bien desarrollada capaz de eliminar eficazmente un amplio rango de compuestos tóxicos. Produciendo un efluente de muy alta calidad.

Adsorción

Tipos de adsorción según la atracción entre soluto y adsorbente

• Adsorción por intercambio: Ocurre cuando los iones de la sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie (p. ej. en las cercanías de un electrodo cargado).
• Adsorción física: Se debe a las fuerzas de Van der Waals y la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, y por ello está libre de trasladarse en la interfase.
• Adsorción química: Ocurre cuando el adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del adsorbente.

Termodinámica de la adsorción¹

La adsorción es el proceso mediante el cual un sólido poroso (a nivel microscópico) es capaz de retener partículas de un fluido en su superficie tras entrar en contacto con éste.

El adsorbente dispone de nanoporos, lo que se conoce como centros activos, en los que las fuerzas de enlace entre los átomos no están saturadas. Estos centros activos admiten que se instalen moléculas de naturaleza distinta a la suya, procedentes de un gas en contacto con su superficie. La adsorción es un proceso exotérmico y se produce por tanto de manera espontánea si el adsorbente no se encuentra saturado.

La aplicación más importante de la termodinámica de la adsorción es la de calcular los equilibrios de fase entre un sólido adsorbente y una mezcla gaseosa. En este desarrollo, por simplicidad, solo tomaremos en consideración gases puros (monocomponentes).

La base de todo este cálculo son las isotermas de adsorción, las cuales dan la cantidad de gas adsorbido en los nanoporos como una función de la presión externa (del gas). La termodinámica solo puede aplicarse a las isotermas de adsorción en el equilibrio. Esto significa que se debe poder llegar a cualquier punto de la curva elevando o disminuyendo la presión; en otras palabras, las curvas de adsorción y desorción tienen que coincidir. Esto ocurre solo si no existe histéresis. La histéresis no se da en poros menores de 2 nm, sin embargo, se observa en poros lo suficientemente grandes como para que en su interior se condense gas para formar líquido.

La isoterma de adsorción para un gas puro es la relación entre la cantidad adsorbida específica n (moles de gas por kilogramo de sólido) y P, la presión exterior de la fase gaseosa. La mayor parte de isotermas se pueden ajustar mediante una ecuación del virial modificada:

donde K es la constante de Henry (el valor de la isoterma de adsorción dn/dP cuando la presión tiende a cero), m la capacidad de saturación del medio sólido (mol kg^-1) y C_i son los coeficientes del virial. Normalmente tres coeficientes bastan para ajustar la curva a los datos experimentales.

Isotermas de adsorción del C₂H₄ en NaX. Ecuación (1) frente a datos experimentales.

Nótese que las isotermas han de obtenerse a partir de la interpolación de datos experimentales, aunque existen también modelos moleculares, al margen de la termodinámica, de los que se pueden obtener teóricamente las propiedades del sistema. La interpolación de las isotermas de adsorción respecto de la temperatura se basa en la ecuación

donde  es la entalpía de adsorción diferencial, negativa porque la adsorción es un proceso exotérmico, como ya hemos comentado. El valor absoluto de  se denomina "calor isostérico".

Normalmente la entalpía diferencial se calcula a partir de la ecuación (2) haciendo uso de dos o más isotermas de adsorción. El gran potencial desempeña un papel fundamental en la termodinámica de la adsorción. Se define como

donde F es la energía libre de Helmholtz. Las variables independientes son temperatura, volumen y potencial químico. Para adsorción en un gas puro, el gran potencial se obtiene a partir de la integración de una isoterma:

Ω se expresa en J kg^-1 de adsorbente sólido. El significado físico del gran potencial es la variación de energía libre asociada a la inmersión isotérmica del adsorbente 'virgen' en el volumen del gas.

La entalpía de inmersión H es la integral de la entalpía diferencial:

Al igual que Ω, tiene unidades de J kg^-1.

Una vez obtenidas la energía de inmersión (Ω) y la entalpía de inmersión (H), la entropía de inmersión es:

A partir de estas ecuaciones se puede hacer todo el análisis termodinámico en un sistema formado por un adsorbente y un gas. No debemos dejar de tener en cuenta que la determinación de la ecuación (1), de donde hemos derivado todas las demás, se hace a partir de mediciones experimentales.

Fisisorción

La fisisorción es la forma más simple de adsorción, y es debida a débiles fuerzas atractivas, generalmente fuerzas de Van der Waals (véase fuerzas dispersivas). Dado que estas fuerzas son omnipresentes, resulta que rápidamente cualquier superficie limpia expuesta al ambiente acumula una capa de material fisisorbido.

Quimisorción

La quimisorción ocurre cuando un enlace químico se forma, definido en este caso como un intercambio de electrones. El grado de intercambio y lo simétrico que sea dependen de los materiales involucrados. A menudo hay un paralelismo con las situaciones encontradas en química de coordinación. La quimisorción es particularmente importante en la catálisis heterogénea, la forma más común en la industria, donde un catalizador sólido interacciona con un flujo gaseoso, el reactivo o los reactivos, en lo que se denomina reacción en lecho fluido. La adsorción del reactivo por la superficie del catalizador crea un enlace químico, alterando la densidad electrónica alrededor de la molécula reactivo y permitiendo reacciones que normalmente no se producirían en otras circunstancias. No confundir quimisorcion con ataque superficial , la corrosion no es una quimisorcion pero si un ataque superficial.

Aplicaciones

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 presión por vaivén.

Otras aplicaciones en las que se emplea éste proceso de adsorción como separación son: purificación de agua, tratamiento de aguas residuales, quitar olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites, jarabes de azúcar, en la deshumidificación de gasolinas, o en el secado de aire.

La otra aplicación más extendida es la obtención de nitrógeno, haciendo pasar un caudal de aire comprimido por el lecho adsorbente, compuesto por carbón molecular, especialmente manufacturado para ese propósito.

Usa el mismo sistema ya mencionado de pressure swing, de los secadores de adsorción. Una cámara llena de carbón es sometida a presión con aire comprimido, la molécula de oxígeno, es retenida por el nanoporo del carbón, mientras que la molécula de nitrógeno, de más tamaño, no consigue entrar en el nanoporo del adsorbente. Se consigue así disponer de gran cantidad de nitrógeno después del lecho adsorbente y el oxígeno queda retenido. En la segunda parte del ciclo, con la despresurización, el oxígeno se libera del nanoporo y se evacua a la atmósfera.

Los generadores de nitrógeno usan este sistema y sus aplicaciones se han generalizado en la industria, en usos como la inertización de depósitos, de envases deproductos alimenticios o farmacéuticos y en laboratorios, donde se usa el nitrógeno como gas portador o inertización de cámaras.

Adsorción con carbón activo La adsorción es un proceso donde un sólido se utiliza para eliminar una sustancia soluble del agua. En este proceso el carbón activo es el sólido. El carbón activo se produce específicamente para 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:

Adsorción de sustancias no polares como: Aceite mineral BTEX Poli-hidrocarburos aromáticos (PACs) (Cloruro) Fenol Adsorción de sustancias halogenadas: I, Br, Cl, H y F Olor Sabor Levaduras Varios productos de fermentación Sustancias no polares (no solubles en agua)

El carbón activo se usa por ejemplo en los siguientes procesos: Depuración de agua subterránea Decloración del agua Depuración de aguas para piscinas Refinamiento de las aguas residuales tratadas Descripción del proceso: El agua es bombeada dentro de una columna que contiene el carbón activo, este agua deja la columna a través de un sistema de drenaje. La actividad del carbón activo de la columna depende de la temperatura y de la naturaleza de las sustancias. El agua pasa a través de la columna constantemente, con lo que produce una acumulación de sustancias en el filtro. Por esa razón el filtro necesita ser sustituído periódicamente. Un filtro usado se puede regenerar de diversas maneras, el carbón granular puede ser regenerado fácilmente oxidando la materia orgánica. La eficacia del carbón activo disminuye en un 5-10% tras cada regeneración (1). Una parte pequeña del carbón activo se destruye durante el proceso de la regeneración y debe ser sustituída. Si usted trabaja con diversas columnas en serie, puede estar seguro de que no tendrá un agotamiento total de su sistema de purificación. Descripción de la adsorción: Las moléculas en fase de gas o de líquido serán unidas físicamente a una superficie, en este caso la superficie es de carbón activo. El proceso de la adsorción ocurre en tres pasos: Macro transporte: Movimiento del material orgánico a través del sistema de macro-poros del carbón activo (macro-poros > 50nm) Micro transporte: Movimiento del material orgánico a través del sistema de micro-poros del carbón activo (microporo < 2nm; meso-poro 2-50nm) Absorción: Adhesión física del material orgánico a la superficie del carbón activo en los meso-poros y micro-poros del carbón activo El nivel de actividad de la adsorción depende de la concentración de la sustancia en el agua, la temperatura y 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. Cada clase de carbón tiene su propia isoterma de adsorción (véase la figura 1) y en el campo del tratamiento de aguas esta isoterma viene definida por la función de Freundlich. Función de Freundlich:  x/m = sustancia adsorbida por gramo de carbón activo Ce = diferencia de concentración (entre antes y después) Kf, n = constantes específicas La segunda curva del carbón activo (figura 2) muestra el agotamiento del filtro. Normalmente nosotros colocamos las unidades depuradoras-UV después de la columna de carbón activo. ¿Cuál es la diferencia entre adsorción y absorción? Cuando una sustancia se adhiere a una superficie se habla de adsorción, es este caso, la sustancia se adhiere a la superficie interna del carbón activo. Cuando la sustancia es absorvida en un medio diferente esto es llamado absorción. Cuando un gas es atraído dentro de una solución se habla de absorción.

	Figura 1 :se ve la adsorción isotérmica específica para el carbón activo. En el eje horizontal se encuentra la concentración, y en el eje vertical la cantidad necesaria de carbón. Usted puede utilizar este tipo de gráficos para optimizar su columna. Fuente figura 1: http://www.aapspharmscitech.org/scientificjournals/ pharmscitech/volume2issue1/056/manuscript.htm
	Figura 2: nos muestra el agotamiento durante el uso de su columna. 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 usted necesita regenerar la columna. Fuente figura 2: http://www.activated-carbon.com

Factores que influyen en la adsorción de compuestos presentes en el agua: 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.  Según esto podemos clasificar algunos compuestos según su probabilidad de ser eficazmente adsorbidos por el carbón activo en el agua: 1.- Compuestos con muy alta probabilidad de ser eliminados por el carbón activo: 2,4-D Deisopropiltatracina Linuron Alacloro Desetilatracina Malation Aldrin Demeton-O MCPA Antraceno Di-n-butilftalato Mecoprop Atracina 1,2-Diclorobenceno Metazaclor Azinfos-etil 1,3-Diclorobenceno 2-Metil bencenamina Bentazona 1,4-Diclorobenceno Metil naftaleno Bifenil 2,4-Diclorocresol 2-Metilbutano 2,2-Bipiridina 2,5-Diclorofenol Monuron Bis(2-Etilhexil) Ftalato 3,6-Diclorofenol Naftaleno Bromacil 2,4-Diclorofenoxi Nitrobenceno Bromodiclorometano Dieldrin m-Nitrofenol p-Bromofenol Dietilftalato o-Nitrofenol Butilbenceno 2,4-Dinitrocresol p-Nitrofenol Hipoclorito de calcio 2,4-Dinitrotolueno Ozono Carbofurano 2,6-Dinitrotolueno Paration Cloro Diuron Pentaclorofenol Dióxido de cloro Endosulfan Propacina Clorobenceno Endrin Simacina 4-Cloro-2-nitrotolueno Etilbenceno Terbutrin 2-Clorofenol Hezaclorobenceno Tetracloroetileno Clorotolueno Hezaclorobutadieno Triclopir Criseno Hexano 1,3,5-Trimetilbenceno m-Cresol Isodrin m-Xileno Cinacina Isooctano o-Xileno Ciclohexano Isoproturon p-Xileno DDT Lindano 2,4-Xilenol 2.- Compuestos con alta probabilidad de ser eliminados por el carbón activo: Anilina Dibromo-3-cloropropano 1-Pentanol Benceno Dibromoclorometano Fenol Alcohol bencílico 1,1-Dicloroetileno Fenilalanina Ácido benzoico cis-1,2- Dicloroetileno Ácido o-ftálico Bis(2-cloroetil) éter trans-1,2- Dicloroetileno Estireno Bromodiclorometano 1,2-Dicloropropano 1,1,2,2-Tetracloroetano Bromoformo Etileno Tolueno Tetracloruro de carbono Hidroquinona 1,1,1-Tricloroetano 1-Cloropropano Metil Isobutil Ketona Tricloroetileno Clorotoluron 4-Metilbencenamina Acetato de vinilo 3.- Compuestos con probabilidad moderada de ser eliminados por el carbón activo*: Ácido acético Dimetoato Metionina Acrilamida Etil acetato Metil-tert-butil éter Cloroetano Etil éter Meti etil ketona Cloroformo Freón 11 Piridina 1,1-Dicloroetano Freón 113 1,1,2-Tricloroetano 1,2-Dicloroetano Freón 12 Cloruro de vinilo 1,3-Dicloropropeno Glifosato Dikegulac Imazipur *(Para estos compuestos el carbón activo es una tecnología efectiva solo en ciertos casos). 4.- Compuestos para cuya eliminación no es probable que el carbón activo sea efectivo. Sin embargo sí lo es en ciertos casos en los que el flujo o la concentración del compuesto son muy bajos: Acetona Cloruro de metileno Acetonitrilo 1-Propanol Acrilonitrilo Propionitrilo Dimetilformaldehido Propileno 1,4-Dioxano Tetrahidrofurano Isopropil alcohol Urea Cloruro de metilo Factores que influyen en la adsorción de compuestos presentes en el aire: El tipo de compuesto que desea ser eliminado: En general los compuestos de alto peso molecular, baja presión de vapor/alto punto de ebullición y alto índice de refracción son mejor adsorbidos.  La concentración: Cuanto mayor sea la concentración, mayor será el consumo de carbón. La temperatura: Cuanto más baja sea la temperatura, mejor será la capacidad de adsorción. Presión: Cuanto mayor sea la presión, mayor será la capacidad de adsorción. Humedad: Cuanto más baja sea la humedad, mayor será la capacidad de adsorción.