4c fundamentos de adsorcion roberto leyva

FUNDAMENTOS DE ADSORCIÓN

Dr. Roberto Leyva RamosDr. Roberto Leyva Ramos

Centro de Investigación y Estudios de PosgradoFacultad de Ciencias Químicas

Universidad Autónoma de San Luis Potosí

Centro de InvestigaciCentro de Investigacióón y Estudios de Posgradon y Estudios de Posgrado

Facultad de Ciencias QuFacultad de Ciencias Quíímicasmicas

Universidad AutUniversidad Autóónoma de San Luis Potosnoma de San Luis Potosíí

1. 1 ADSORCI1. 1 ADSORCIÓÓNN

Adsorbato o soluto

Adsorbente

1. INTRODUCCI1. INTRODUCCIÓÓNN

Adsorción es la acumulación preferencial de una substancia en una fase liquida o gaseosa sobre la superficie de un sólido (IAS)

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

CURSO-TALLER: REMOCIÓN DE ARSÉNICO EN AGUAS FUNDAMENTOS DE ADSORCION

Dr. Roberto Leyva Ramos 1/18

CIEP/FCQ/UASLP

1.2 PROCESO DE ADSORCI1.2 PROCESO DE ADSORCIÓÓNN

Un proceso de adsorción involucra la separación de una substancia en una fase fluida acumulando la sustancia en la superficie del adsorbente sólidoLos procesos de adsorción son empleados para purificar y separar substancias

1.3 CARACTER1.3 CARACTERÍÍSTICAS DE LOS ADSORBENTESSTICAS DE LOS ADSORBENTES

Gran área superficial o volumen de microporosEstructura porosa para que las moléculas del adsorbato se transporten a los sitios activos

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

Microporos d < 2 nm

Mesoporos 2 < d < 50 nm

Macroporos d > 50 nm



CIEP/FCQ/UASLP

1.4 ADSORBENTES 1.4 ADSORBENTES COMERCIALCOMERCIALESES

Carbón Activado $1 Mil MillonesZeolitas Tamices Moleculares $100 MillonesGel de Sílice $27 MillonesAlúmina Activada $26 Millones

Alúmina Activada

Carbón Activado

1.5 CARB1.5 CARBÓÓN N ACTIVADACTIVADOO

¿Qué es el 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

HistoriaEn Egipto se usan carbones de madera (wood charcoals) con fines medicinales



CIEP/FCQ/UASLP

1.6 APPLICA1.6 APPLICACCIONIONEESS DEL CARBDEL CARBÓÓN ACTIVADON ACTIVADO

Fase LiquidaTratamiento de agua potable y residualAlimentos y bebidas carbonatadasHidrometalurgiaProductos químicos y farmacéuticos

Fase GaseosaPurificación de gasesPurificación de aireRecuperación de solventesCatalizadoresProducción de gasesTratamiento de gases de combustiónCeldas combustibles

Concentración del soluto en solución, mg/L

AdsorbenteAdsorbente

2. ISOTERMA DE ADSORCI2. ISOTERMA DE ADSORCIÓÓNNDefinición: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.

Soluto

q = Masa del soluto adsorbido, mg/g



CIEP/FCQ/UASLP

4.4. Placa de agitaciPlaca de agitacióón magnn magnééticatica5.5. AdsorbenteAdsorbente6.6. Barra de agitaciBarra de agitacióónn

1.1. BaBañño de temperatura constanteo de temperatura constante2.2. AdsorbedorAdsorbedor3.3. Recirculador de aguaRecirculador de agua

Figura 1. Adsorbedor experimental de lote. Bolsa con adsorbente

2.1 METODOLOGIA PARA OBTENER DATOS DE 2.1 METODOLOGIA PARA OBTENER DATOS DE EQUILIBRIO DE ADSORCIONEQUILIBRIO DE ADSORCION

1. Baño de temperatura constante

2. Recirculador de agua3. Adsorbedor4. Adsorbente

25 °C

1

2

3

4

Figura 2. Adsorbedor experimental de lote. Tubo de centrifuga



CIEP/FCQ/UASLP

m

CVCVCVq

N

1iAiiAffA00 ∑−−

= =

a

N

1iiof VVVV +−= ∑

=

Balance de masa del adsorbato:

m)C(CVq AfA00 −

=

2.2. MODELOS DE ISOTERMAS DE ADSORCI2.2. MODELOS DE ISOTERMAS DE ADSORCIÓÓNN

KC1KCq

q m+

=

n1

kCq =

βbC1aCq+

=

LangmuirLangmuir

PrausnitzPrausnitz‐‐RadkeRadke

Modelos de Isotermas:Modelos de Isotermas:

FreundlichFreundlich

LinealLineal CK q =



CIEP/FCQ/UASLP

Figura 3. Adsorción de fenol sobre organobentonita. T=25°C, pH=5. La línea representa la isoterma lineal o de Henry.

0 200 400 600 800 1000 1200

Concentración de fenol en el equilibrio, mg/L

0

20

40

60

80

100

120

Mas

a de

feno

l ads

orbi

do, m

g/g

q = 0.0928 C

Datos experimentales

CK q =

Figura 4. Isoterma de adsorción de Cd(II) sobre tres carbones activados comerciales en polvo. Las líneas representan la isoterma de Langmuir.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Concentración de Cd(II) en el equilibrio, mg/L

0

10

20

30

40

50

60

Mas

a de

Cd(

II) a

dsor

bido

, mg/

g

Carbón en polvo CAECarbón en polvo DBCarbón en polvo BM

KC1KCq

q m+

=

mqq =

KCqq m=

KC � 1

KC < 1



CIEP/FCQ/UASLP

Figura 5. Adsorción de Cd (II) sobre tela de carbón activado a T=25°C. La línea representa la isoterma de Freundlich.

Concentración de Cd(II) en el equilibrio, mg/L

Mas

a de

Cd(

II) a

dsor

bido

, mg/

g

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

Tela de Carbón Activado

n1

kCq =

Figura 6. Comparación de las isotermas de Langmuir y Freundlich. Adsorción de Cr(VI) sobre un carbón activado bituminoso. T=25°C, pH=8.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Concentración de Cr(VI) en el equilibrio, mg/L

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Mas

a de

Cr(

VI)

ads

orbi

do, m

g/g

C0.2811C1.25

q+

=

0.503C0.313q =



CIEP/FCQ/UASLP

Figura 7. Isoterma de adsorción de pentaclorofenol sobre el carbón activado F-300. T=25°C.

Concentración de PCF en el equilibrio, mg/L

Mas

a de

PC

F ad

sorb

ido,

mg/

g

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

Figura 8. Grafica de Scatchart de los datos de equilibrio de adsorción de pentaclorofenol sobre carbón activado comercial F-300.

q

q/c

0 40 80 120 160 200 2400

50

100

150

200

Carbón F-300

KC1KCqq m

+=

KCqqKCq m=+

Kq-Kqq/C m=



CIEP/FCQ/UASLP

0 20 40 60 80 100 120

Concentración de PCF en el equilibrio, mg/L

0

50

100

150

200

250

300M

asa

de P

CF

adso

rbid

o, m

g/g

Carbón BMCarbón CAECarbón DB

Figura 9. Adsorción de PCF sobre varios carbones activados en polvo. Las líneas representan la isoterma de Prausnitz-Radke.

βbC1aCq+

=

aCq =

bC1aCq+

=

bCβ � 1

β−= 1Cbaq

β= 1

bCβ < 1

3. EFECTO DE LAS VARIABLES DE OPERACIÓN EN LA CAPACIDAD DE ADSORCIÓN

3.1 NATURALEZA DEL ADSORBENTE3.1 NATURALEZA DEL ADSORBENTE

≡Al-OH + H+ ≡Al-OH2+

Las características de la superficie determinan el tipo de sitios activos donde se adsorbe el soluto.

a) Alúmina Activada:

2 ≡Al-O- + Cd2+ (≡Al-O)2Cd

≡Al-OH2+ + H2AsO4

- ≡Al-OH2+ H2AsO4

-

≡Al-OH + H2AsO4 - ≡Al- H2AsO4 + OH-

≡Al-OH ≡Al-O- + H+



CIEP/FCQ/UASLP

Sitios Ácidos

Carboxílico, 3-6

Lactónico, 7-9

Fenólico, 8-11

Carbonilo, 11-14

SASA-- + M+ M++ = SA= SA--MM

b) Carbón Activado:

2SA2SA-- + Pb+ Pb2+2+ = (SA)= (SA)22PbPb

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Concentración de Fluoruro en el Equilibrio, mg/L

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Mas

a de

Flu

orur

o A

dsor

bido

, mg/

g

Carbón de huesoAlúmina activadaCarbón activado

Figura 10. Isotermas de adsorción de fluoruro sobre carbón de hueso, alúmina activada y carbón activado. pH=5 y T=25 °C.

c) Adsorcic) Adsorcióón de fluoruro sobre varios adsorbentesn de fluoruro sobre varios adsorbentes



CIEP/FCQ/UASLP

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Concentración de Fluoruro en el Equilibrio, mg/L

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Mas

a de

Flu

orur

o A

dsor

bido

, mg/

g

Carbón de hueso, pH = 3Carbón de hueso, pH = 5Carbón de hueso, pH = 7ACNT, pH=3ACNT, pH=5ACNT, pH=7

Figura 11. Isotermas de adsorción de fluoruro sobre carbón de hueso y nanotubos de carbón. T=25 °C.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Concentración de Fluoruro en el Equilibrio, mg/L

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Mas

a de

Flu

orur

o A

dsor

bido

, mg/

g

Al2O3/CNTs (pH=5)

Fibra de Intercambio Ionico (PAN) (pH=3.5)

Figura 12. Isotermas de adsorción de fluoruro sobre carbón de hueso, fibras de intercambio iónico y alúmina soportada sobre nanotubos de carbón. T=25 °C.



CIEP/FCQ/UASLP

3.2 EFECTO DEL PH DE LA SOLUCI3.2 EFECTO DEL PH DE LA SOLUCIÓÓNNLa 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.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Concentración de Fluoruro en el Equilibrio, (mg/L)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Mas

a de

Flu

orur

o A

dsor

bido

, (m

g/g) pH = 3

pH = 5pH = 7pH =10pH =11

Figura 13. Efecto del pH en la isoterma de adsorción de fluoruro sobre carbón de hueso. T=25 °C.

Adsorción de fluoruro sobre carbón de hueso

Carbón de Hueso

Figura 6. Efecto del pH en la isoterma de adsorción de fluoruro sobre carbón de hueso. T=25 °C

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Concentración de Fluoruro en el Equilibrio, (mg/L)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Mas

a de

Flu

orur

o A

dsor

bido

, (m

g/g) pH = 3

pH = 5pH = 7pH =10pH =11



CIEP/FCQ/UASLP

Figura 14. Distribución de la carga superficial del carbón de hueso

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

pH de la solución

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0C

arga

de

la su

perf

icie

, mm

ol/g

PCC = 8.4

0 2 4 6 8 10 12 14pH

0

20

40

60

80

100

Dist

ribuc

ión

de e

spec

ies,

%

HF

F-

Figura 15. Diagrama de especiación del fluoruro.

F-

-

+

+

+

+

pH < PCC (8.4)

+

+

+

+ -

-

-

-

pH = PCC (8.4)

F-

-

+-

-

-

F-

pH > PCC (8.4)

AtracciónRepulsión



CIEP/FCQ/UASLP

3.3 EFECTO DE LA TEMPERATURA3.3 EFECTO DE LA TEMPERATURA

La isoterma de adsorción representa el equilibrio termodinámico entre el soluto adsorbido y el soluto en solución y por esta razón, es dependiente de la temperatura. La temperatura afecta el equilibrio porque las interacciones entre la superficie y las moléculas en solución dependen de la temperatura. En la literatura sobre adsorción en fase liquida se ha reportado que la temperatura puede afectar el equilibrio de adsorción de las tres formas siguientes:

i)El equilibrio de adsorción se favorece disminuyendo la temperatura.ii)ii) El equilibrio de adsorción se favorece aumentando la temperatura.iii)iii) El equilibrio de adsorción es independiente de la temperatura.

Figura 16. Isotermas de adsorción de Cd(II) sobre TCA oxidada con solución de HNO3.

pH=8.

0 5 10 15 20 25 30 35 40Concentración de Cd(II) en el equilibrio, mg/L

0

20

40

60

80

100

Mas

a de

Cd(

II) a

dsor

bido

, mg/

g

T = 15°CT = 25°CT = 35°C



CIEP/FCQ/UASLP

Concentración de amonio en el equilibrio, meq/L

Mili

equi

vale

ntes

de

amon

io a

dsor

bido

, meq

/g

0 20 40 60 80 100 120 140 1600.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

T = 15oC T = 25oC T = 40oC

Figura 17. Efecto de la temperatura en la isoterma de intercambio de NH4

+ sobre una clinoptilolita a pH=6.

Figura 18. Efecto de la temperatura en la constante K de la isoterma de Langmuir.

T

(oC)

qm

(meq/g)

K

(L/meq)

15 1.47 0.0890

25 1.55 0.108

40 1.74 0.115

Tabla 3. Constantes de la isoterma de Langmuir para el intercambio iónico de NH4

+ sobre clinoptilolita.

RTH0

ineKK Δ−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛Δ

−=T1

RHKlnLnK in

0

0.0031 0.0032 0.0033 0.0034 0.0035

1/T, K-1

-2.4

-2.3

-2.2

-2.1

Ln K

ΔHin= 7.41 KJ/mol = 1.77 Kcal/mol



CIEP/FCQ/UASLP

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Concentración de PCF en el equilibrio, mg/L

0

50

100

150

200

250

300

Mas

a de

PCF

ads

orbi

do, m

g/g

T=15 °CT=25 °CT=35 °C

Figura 19. Isoterma de adsorción de PCF sobre un carbón activado en polvo a pH=7.

4. ADSORCION DE ARSÉNICO

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Concentración de As(V) en el equilibrio, mg/L

0

8

16

24

32

40

Mas

a de

As(

V) a

dsor

bido

, mg/

g

CAG-Fe

Al10SBA-15

Alúmina Activada

Quitosano-Mo

Fe0 Nanoescala

Figura 20.Comparación de las capacidades de varios adsorbentes.



CIEP/FCQ/UASLP

Figura 21.Comparación de las capacidades de varios adsorbentes.

0 2 4 6 8 10Concentración de As(V) en el equilibrio, mg/L

0

4

8

12

16

20

Mas

a de

As(

V) a

dsor

bido

, mg/

g

Carbonato Básico de Itrio

Alúmina mesoporosa

Cascarón de huevo en polvo

HFG



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en el equilibrio

concentracin

carbn de hueso

concentracin

masa de

carbn activado

al

almina activada