4c fundamentos de adsorcion roberto leyva
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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
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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
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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
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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
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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 =
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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
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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 =
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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=
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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+
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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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