LABORATORIO LABORATORIO DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS TERMODINÁMICAS Y DE TRANSPORTE
INFORME PRACTICA ESPECIAL ADSORCIÓN DE ÁCIDO ACÉTICO ACÉTICO CON CARBÓN ACTIVADO ACTIVADO
clarificar jarabes de azúcar, filtros y adsorción de sustancias orgánicas.
OBJETIVOS Objetivos Generales
El carbón activado se puede producir básicamente por dos métodos diferentes, diferentes, por activación química; tratamiento con ácido a temperaturas moderadas, y activación física; en cuyo caso se somete el carbón activado a un tratamiento con gases de combustión y vapor de agua a alta temperatura.
Analizar la adsorción de ácido acético a diferentes concentraciones con carbón industrial activado Objetivos Específicos
Calcular las concentraciones de las soluciones de ácido acético antes y después de la adsorción. Obtener las isotermas de Langmuir y Freundlich. Determinar el área superficial específica.
Una gran área superficial es una de las principales características del carbón activado, por esto puede albergar gran cantidad de sustancia en su superficie. El área superficial es la extensión de superficie de los poros presentes en la matriz de carbón activado, esta se mide usando nitrógeno gaseoso. Esta propiedad da noción del nivel de actividad, teniendo en cuenta que a mayor área superficial, mayor número de puntos de adsorción disponibles.
MARCO TEÓRICO
Carbón activado:
El carbón activado es un término que se usa para denominar un material carbonáceo con gran capacidad de adsorber sustancias, este es altamente cristalino, así como también muy poroso, lo que permite ser un excelente adsorbente de gran cantidad de sustancias. Los poros presentes en este material son considerados micro-poros dado que su radio es de 2 nanómetros o menos. Se ha encontrado que dadas sus propiedades propiedades un solo s olo gramo de carbón activado llega a poseer aproximadamente 500 metros cuadrados de área, o en algunos casos puede llegar a ser mayor.
Usos:
El carbón activado como bien se ha dicho posee un gran espectro de aplicación, todas gracias a su gran capacidad de adsorción, su uso, está dado principalmente para purificación de corrientes fluidas. Entre las aplicaciones anteriormente mencionadas se encuentran: encuentran: o o
El carbón activado se encuentra en gran variedad de productos, en los cuales se pueden observar diferentes características, esto depende principalmente de la materia prima utilizada para la fabricación del adsorbente y de la técnica o el ácido utilizado para su fabricación. El carbón activado puede utilizarse para extraer metales, purificar agua para su potabilización, para fines médicos en casos de intoxicación, para
Área superficial: superficial:
o o o o
Limpieza de vertimientos. vertimientos. Recuperación de aguas. Tratamiento de agua potable. Filtración de aire. Recuperación de compuestos orgánicos. Purificación de aminoácidos y productos alimentarios.
Adsorción:
La adsorción es un proceso en el cual un sólido o excepcionalmente excepcionalmente un líquido es utilizado para retirar
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o retener una sustancia que se encuentra en solución en un fluido. La fase sólida en este caso es carbón activado.
Fisisorción:
La fisisorción es la manera más sencilla de una adsorción, esta se da gracias a interacciones intermoleculares débiles, generalmente por fuerzas de Van der Waals. Teniendo en cuenta que estas fuerzas no requieren una orientación específica, este tipo de adsorción resulta muy rápida.
Quimisorción:
La quimisorción, a diferencia de la fisisorción se da por interacciones intermoleculares más fuertes, formando así enlaces entre la sustancia y la fase adsorbente. Este fenómeno es particularmente importante en la catálisis heterogénea, donde un catalizador sólido interacciona con un flujo gaseoso.
PROCEDIMIENTO
Preparar una solución de ácido acético 0,15 M en un balón de 500mL (solución madre).
A partir de la solución anterior, diluir para obtener soluciones de 0,12 a 0,015M en balones de 100mL.
Colocar cada una de las soluciones preparadas y 100mL de la solución madre en 6 matraces de 250mL.
Pesar 1g de carbón activado, adicionar la misma cantidad a cada uno de los matraces y taparlos con los respectivos tapones.
Colocar los matraces en los correspondientes equipos de agitación magnética a T ambiente.
Encender los equipos y comenzar la agitación de 45 a 60 min aproximadamente.
Desmontar cada equipo y filtrar el contenido de cada matráz.
Disponer en residuos el sólido filtrado y almacenar los líquidos en 6 beaker.
MATERIALES
1 pipeta aforada de 10mL 1 pipeta aforada de 5mL 6 Erlenmeyers de 100mL 3 buretas de 20mL 1 probeta de 10mL 5 balones aforados de 50mL 2 balones aforado de 250mL 1 vidrio de reloj 1 espátula 1 agitador de vidrio Agitadores magnéticos (Disponbles)
REACTIVOS
8g de Carbón industrial activado 3mL de ácido acético glacial (99,5%) 1mL de fenolftaleína 1,5g de NaOH 1g de Biftalato de Potasio 800mL de agua destilada
Tomar una alicuota de 10mL de cada solución y hacer la respectiva valoración con NaOH 0,25M.
MUESTRA DEL CÁCULO
Para facilidad en escritura, se representará Ácido Acético con AA. Posterior a la realización de los cálculos se denominará el ácido acético con las siguientes letras: AA, además se deben tener los siguientes datos:
Tabla 1.
Masa molar de NaOH
Datos necesarios
g/mol
40
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Masa molar de Biftalato Desidad de AA Densidad Agua Pureza AA
g/mol g/L g/L %p/p
204,22 1050 1000 99,5
a) Preparación de la solución de NaOH 0,25M
Cantidad de NaOH a pesar:
× 40 ×0,25 = 2,5 0,25 ó 1 Esta cantidad de NaOH se dispondrá en un balón aforado de 250mL b) Valoración de NaOH
Cantidad de biftalato de Potasio a pesar para valorar 10 mL de solución de NaOH:
×0,01 ó = 0,0025 0,25 ó
Como la reacción entre el NaOH y el Biftalato es 1:1, entonces:
22 0,0025 × 204, 1 = 0,5106 Esta cantidad de Biftalato se agregó a un Erlenmeyer de 20 mL. La concentración de NaOH se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:
× = Entonces, según la Tabla 3, se gastaron 5,9 mL de NaOH con 10mL de solución de Biftalato para la correspondiente valoración. La concentración de NaOH es:
0,0,000252 . . 01 .. =0,211 = 0,0059 ×0,.
Concentración de ácido acético: Para 100 g se solución de ácido acético (AA)
99,5 á é 0,5
99,5 × 1 × 1000 = 94,8 0,5 1050 1 0,5 Entonces, el volumen de 100g de solución de ácido acético es:
94,8 +0,5 =95,3 ó Las moles de ácido acético en esta solución son:
=1,59 95,5 × 60,1 05 Por lo tanto, la concentración de esta solución es de:
1,59 =16,7 0,0953 .
Se requiere que la solución madre sea de 0,15M en un balón aforado de 250mL, entonces el volumen de la alícuota de la solución de ácido acético al 99,5% a tomar es:
= 0,15×250 16,7 =2,2 d) Preparación de soluciones de ácido acético de menor concentración a partir de la solución madre, cada una con un volumen final de 100mL en un balón aforado:
Volumen de la solución madre para una concentración de 0,12 M:
= 0,12×50 0,15 =40
Volumen de la solución madre para una concentración de 0,09 M:
= 0,09×50 0,15 =30
Volumen de la solución madre para una concentración de 0,06 M: c) Preparación solución madre de ácido acético:
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= 0,06×50 0,15 =20
: : :ó : ó
Volumen de la solución madre para una concentración de 0,03 M:
= 0,03×50 0,15 =10
Volumen de la solución madre para una concentración de 0,015 M:
= 0,015×50 0,15 =5 Después de poner las soluciones anteriormente preparadas en agitación con el carbón activado, se hace la valoración de cada líquido filtrado con la solución de NaOH y aplicando la siguiente ecuación para hallar la concentración de ácido acético en cada solución:
= × Dónde:
= ó á é í = ó ó é = ó = í Los resultados de las valoraciones realizadas antes y después de cada adsorción se pueden evidenciar en las Tablas 4 y 5. e) Elaboración Isoterma de Langmuir:
La isoterma de Langmuir tiene la siguiente correlación:
= + (1 ) Dónde:
=
La cantidad de moles iniciales y finales se sabrá con las concentraciones iniciales y finales de las soluciones de ácido acético a estudiar (ver Tabla 5). La concentración en el equilibrio será la misma concentración final. No es necesario conocer la constante de equilibrio de adsorción y el número máximo de moles adsorbidas para saber si nuestro sistema se acerca a éste modelo, pues para ello, se grafica w/n ads en función de 1/C (ver Tabla 7). Si la función resultante es una línea recta con datos que presenten un R 2 cercano a 1, se asumirá que el sistema es bien descrito por este modelo (Ver Gráfica 1). f) Elaboración Isoterma de Freundlich
Esta isoterma es representada por la siguiente ecuación:
Dónde:
= ⁄
: : :ó : ó
=
Al linealizar esta ecuación aplicando logaritmo natural, se obtiene:
Ln=Ln( ) Ln = 1 Ln+Ln
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= 15811 ∙6,023×10− ∙ 1,49×10− =56,9 ó
Ln
en función de LnC y se Se procede a graficar aplica el mismo criterio que se aplicó para la isoterma de Langmuir para saber si nuestro sistema puede ser descrito por éste modelo (Ver Tabla 8 y Gráfica 2). g) Área Superficial Específica
TABLAS DE DATOS Y RESULTADOS Tabla 2. Cantidades
Masa pesada (g) volumen(ml)
Para hallar el área superficial específica se tiene la siguiente ecuación:
Dónde:
=
:ú
σ se puede calcular asumiendo que la molécula de
para elaboración de solución de NaOH
2,533 0,511
NaOH Biftalato
250 20
Tabla 3. Valoración
Valoración
de NaOH
Vol. Biftalato (ml) Vol NaOH (ml) [NaOH] real
1 2
10 10
5,9 5,9
0,212 0,212
ácido acético se asemeja a una esfera así: Tabla 4. Volumen
Figura 1. Molécula de ácido acético
antes y después de la adsorción
[AA] Teórica
Vol. NaOH (ml) Antes Adsorción
Vol. NaOH (ml) Después Adsorción
Masa (g) Carbón Ac.
0,12 0,12 0,09 0,06 0,03 0,015
6,10 4,80 3,50 2,40 1,00 0,50
2,80 2,40 1,20 0,60 0,10 0,05
1,005 1,001 1,008 1,010 1,004 1,010
Tabla 5. Concentración
y moles antes y después de la adsorción
Y se puede calcular aproximadamente un valor de radio con la información de la distancia de los enlaces. Se toma un valor de 2,18 Å.
[AA]
[AA]
Moles AA
Moles AA
Antes Adsorción
Después Adsorción
Antes Adsorción
Después Adsorción
= ∗ =∗2,18Å
0,129
0,0594
1,29E-03
5,94E-04
0,102
0,0509
1,02E-03
5,09E-04
0,074
0,0254
7,42E-04
2,54E-04
0,051
0,0127
5,09E-04
1,27E-04
0,021
0,0021
2,12E-04
2,12E-05
0,011
0,0011
1,06E-04
1,06E-05
− 110 = 14,9 Å ∗ = 1,49 10−
1Å
Con la gráfica de Langmuir para el carbón encontrado en el laboratorio se determina el intersecto este representa . Como se toma para 1 gramo de carbón, w es 1 g. Así:
= 1
Según la gráfica 1, w/nmax es de 1581 g Carbón/mol AA
Tabla 6. Porcentaje
Moles AA Adsorbi das
7,00E04 5,09E04 4,88E04 3,82E04 1,91E04 9,54E05
de Adsorción
[AA] teórica 0,15 0,12 0,09 0,06 0,03 0,015 % de adsorción 45,9 50,0 34,3 25,0 10,0 10,0 Tabla 7. Parámetros
para la isoterma de Langmuir
w/nads
1/C
1436,2
16,8
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1966,9 2066,8 2646,1 5260,8 10584,4 Tabla 8. Parámetros
19,6 39,3 78,6 471,6 943,2
para la isoterma de Freundlich
nads/w
LN( C)
LN(nads/w)
6,96E-04 5,08E-04 4,84E-04 3,78E-04 1,90E-04 9,45E-05
-2,82 -2,98 -3,67 -4,36 -6,16 -6,85
-7,27 -7,58 -7,63 -7,88 -8,57 -9,27
Gráfica 1.
Isoterma de Langmuir
En la tabla 5 se pueden observar las concentraciones calculadas para las soluciones de ácido acético antes y después de la adsorción teniendo en cuenta los datos de volúmenes recolectados en la tabla 4. La tendencia, como se puede evidenciar, es que la adsorción de moles va disminuyendo a medida que se tienen menores concentraciones del ácido (Ver Tabla 6), lo cual es coherente, puesto que en bajas concentraciones se tiene menos disponibilidad de moles y además estas están más dispersas en la solución puesto que tienen mayor espacio libre de las mismas. Las gráficas 1 y 2 muestran las regresiones realizadas tanto para la isoterma de Langmuir como para la de Freundlich, respectivamente, y en general, para las dos regresiones se obtuvo una aproximación asertiva que permite ser representada por los modelos matemáticos propuestos, lo que indica que la práctica realizada en el laboratorio presenta los resultados esperados de la literatura, pero se resalta una coherencia mayor hacia la isoterma de Langmuir por su mayor aproximación de datos a la recta, como se esperaba, puesto que esta se sugiere como la aproximación más utilizada a nivel experimental. La isoterma de Freundlich, sin embargo, tiene en cuenta la rugosidad de la superficie a diferencia de Langmuir, por consiguiente, el modelo que se espera se aproxime mejor a un sistema real debe ser el de Freundlich, es importante tener en cuenta que no en todos los casos es necesario considerar la influencia de la rugosidad en el procedimiento de adsorción. El hecho de que la curva hallado mediante el procedimiento experimental realizado en el laboratorio se ajustara mejor a un modelo menos preciso en materia de consideración se puede deber a que en este caso la superficie adsorbedora no presenta una rugosidad considerable para el fenómeno por lo cual Langmuir predice de manera más precisa la adsorción en carbón activado.
Gráfica 2. Isoterma
de Freundlich
ANÁLISIS DE RESULTADOS
El área superficial específica calculada resultó presentando un valor bastante inferior al esperado el cual era de aproximadamente 500 m 2 por cada gramo de carbón activado, según literatura encontrada. La razón que pudo afectar éste resultado se podría atribuir a las bajas concentraciones de ácido acético inicial, ya que el área depende de la cantidad de moles adsorbidas por gramo de carbón
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activado y como se dijo anteriormente, esta cantidad es mayor si se tienen concentraciones más altas de ácido acético.
Es importante tener en cuenta que la adsorción de una mezcla binaria líquida no tiene en cuenta la selectividad de la superficie para realizar el modelamiento. No considerar que la superficie del carbón activado, adsorbedor, puede albergar también moléculas de agua e interactuar con las mismas generando una competencia entre los adsorbatos, ácido acético y agua, puede acarrear un modelo erróneo, incongruente con la realidad del sistema trabajado, por consiguiente es importante para una operación y una práctica minuciosa tener en cuenta la capacidad de la superficie de adsorber ambas sustancias presentes en la mezcla. CONCLUSIONES
Se determinaron las concentraciones antes y después de la adsorción de cada solución de ácido acético, comprobándose una proporcionalidad entre las moles adsorbidas y la concentración del ácido. La isoterma de Langmuir es la que más se aproxima a los datos recolectados de la adsorción presentando un R2 de 0,9869. El área superficial específica calculada fue de 56,9 m2 por gramo de carbón activado. La adsorción de ácido acético sobre carbón activado tiene rendimientos de alrededor del 50%, por lo cual se puede considerar un adsorbedor eficiente para llevar a término la recuperación de aguas con contaminantes orgánicos que presenten interacciones similares a las que presenta el ácido acético. Una cantidad determinada de carbón activado permite proporcionalmente adsorber cantidades de ácido, es decir, la cantidad de adsorbedor es directamente proporcional con la cantidad de adsorbato retirado de la solución. SUGERENCIAS
El desarrollo de la práctica sería ideal teniendo a disposición la cantidad de planchas de agitación y de agitadores
magnéticos suficientes para simultáneamente llevar a cabo la adsorción en todas las soluciones preparadas. Tener buretas y embudos de decantación en condiciones óptimas permitiría llevar a término la práctica de manera más eficaz y eficiente. Es de suma importancia realizar las soluciones de manera atenta y minuciosa con el fin de obtener las soluciones planteadas. Lavar muy bien los agitadores permite hacer réplicas de la práctica de manera correcta y no acarrear errores por contaminación de las soluciones subsecuentes.
ANÁLISIS DE COSTOS
De acuerdo a la resolución 003 de 2012 del 24 de enero [4], de 2012, aprobada en el acta No. 001 de 24 de enero de 2012 por el consejo de facultad, “por la cual se adoptan nuevas tarifas para los ensayos, asesorías y servicios que el instituto de extensión e investigación realiza a través de las diferentes unidades y laboratorios de la facultad de ingeniería” ,
se presentan a continuación los costos asignados para la práctica realizada; los cuales no contemplan los costos generados por servicios técnicos y fundamentales ni transporte de personal. Se calculan los costos para un total de 4 horas de práctica.
HoradelIngeniero Horadeloperario Alquilerdelequipo Carbónactivado(8g) Ácidoacético(5ml) Biftalatodepotasio(1g) Hidróxidodesodio(1,5g) Aguadestilada(1L) Papelfiltro(6) Fenolftaleína(10ml)
120.000
1’440.000
60.000
240.000
40.000
480.000
4,5
36
6,4
32
680
680
16,94
25,41
3.400
3.400
500
3.000
65
650
2’167.823,41
De esta manera, se estima que la práctica desarrollada tiene un COSTO TOTAL APROXIMADO de $ 2’167.823,41 COP .
BIBLIOGRAFÍA
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[1] Rivas, C.F., Núñez, O., Longoria, F., González, L., Isoterma de Langmuir y Freundlich como modelos para la adsorción de ácido nucleico sobre WO 3. 2014 Saber Vol. 26 No 1. [2] Atkins, P.W., Fisicoquímica, 3a edición, AddisonWesley Iberoamericana, EUA, 1991. [3] Tipos de isotermas de adsorción. Recuperado de: http://lqi.tripod.com/FQAv/isoterms.htm [4] Tarifas para los ensayos, asesorías y servicios que el instituto de extensión e investigación. Universidad Nacional de Colombia: http://www.ing.unal.edu.co/admfac/iei/document os/tarifas_2012.pdf
