ADSORCIÓN-MONOGRAFÍA

FACULTAD FACULT AD DE INGENI INGENIER ER A DE MINAS, GEOLOG A Y METALURGI METALURGIA A

UNIVERSIDAD NACIONAL

SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO

ÍNDICE GENERAL

Introducción

Pág. 02

Dedicatoria

Pág. 03

Definición

Pág. 04

Tipos de Adsorción

Pág. 04

Adsorción en sólidos

Pág. 04

Isotermas de Adsorción

Pág. 06

Ecuación de Gibbs sobre la Adsorción

Pág. 08

Conclusiones

Pág. 10

Bibliografía

Pág. 10

FISICOQUÍMICA

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FACULTAD DE INGENIER A DE MINAS, GEOLOG A Y METALURGIA



INTRODUCCIÓN

La adsorción es un fenómeno fisicoquímico de gran importancia, debido a sus aplicaciones múltiples en la industria química y en el laboratorio. En particular, resulta fundamental en procesos químicos que son acelerados por la presencia de catalizadores cuyo estado de agregación es distinto al de los reactivos. Este tipo de catálisis heterogénea se utiliza en procesos como la pirolisis del petróleo, el proceso. La adsorción es un proceso de separación y concentración de uno o más componentes de un sistema sobre una superficie sólida o líquida. Los distintos sistemas heterogéneos en los que puede tener lugar la adsorción son: sólido-liquido, sólido-gas y líquido-gas. Como en otros procesos de este tipo, los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases. La adsorción constituye uno de los procesos más utilizados dentro de los sistemas de tratamiento terciario de las aguas residuales. Se emplea, fundamentalmente, para retener contaminantes de naturaleza orgánica, presentes, en general, en concentraciones bajas, lo que dificulta su eliminación por otros procedimientos. Cabe citar la eliminación de compuestos fenólicos, hidrocarburos aromáticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloreadas, así como otras que comunican olor y sabor a las aguas. La operación es menos efectiva para sustancias de pequeño tamaño molecular y estructura sencilla, que suelen ser fácilmente biodegradables y, por ello, susceptibles de tratamiento biológico El tratamiento de aguas es vital, en estos tiempos donde la contaminación de los cuerpos de agua produce muchas enfermedades, que atacan a la población más desprotegida, es por esto que se estudian procesos de tratamiento de aguas para lograr el objetivo de agua potable para el consumo humano.

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DEDICATORIA

El presente trabajo se realizó a fin de dar a conocer los conceptos básicos y esenciales respecto al tema de ADSORCIÓN, el cual lo desarrollaremos en el curso de Fisicoquímica. El esfuerzo se debe precisamente a la labor del estudiante, siempre con el propósito de nuestra superación, así como también con miras en bien de la sociedad y así de esa manera con la finalidad de lograr el objetivo trazado, lo cual hemos optado por esta carrera profesional. Fundamentalmente este trabajo de investigación está dedicado hacia nuestro profesor del curso de Fisicoquímica por la guía y la orientación prestada para así poder lograr dicho trabajo.

Gracias.

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I.



DEFINICIÓN: La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas de gases, líquidos o sólidos disueltos son atrapados o retenidos en una superficie, en contraposición a la absorción, que es un fenómeno de volumen. Es decir, la adsorción es un proceso en el cual, por ejemplo, un contaminante soluble 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. 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 quedará cubierta por material adsorbido en el equilibrio.

II.

TIPOS DE ADSORCIÓN: Adsorción Física o Fisisorción:    

Interacciones débiles adsorbato – adsorbente, del tipo Van der Waals, dipolo-dipolo. Adsorción reversible. Formación de mono o multicapas. Calor de adsorción (entalpía) relativamente bajo, ∆H = 1 – 10 kcal/mol.

Adsorción Química o Quimisorción:    

III.

Enlaces fuertes, del tipo covalente (se forma un nuevo compuesto). Generalmente irreversible. Formación de monocapas. Calor de adsorción elevado, ∆H = 50 – 100 kcal/mol.

ADSORCIÓN EN SÓLIDOS:

El fenómeno de adsorción sobre superficies, tanto líquidas como sólidas, se caracteriza por la existencia de una sustancia determinada que se presenta en mayor concentración en esa zona que en el resto del sistema. FISICOQUÍMICA

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La adsorción de gases en sólidos depende del tipo de adsorbente, de su superficie específica (superficie por unidad de masa), del tipo de gas adsorbido, de su presión y de la temperatura. En general el aumento de la presión y la disminución de la temperatura favorecen la adsorción del gas por el sólido. La adsorción de gases por sólidos se clasifica en dos grandes grupos:

Adsorción física 



Es un fenómeno reversible y se produce principalmente a temperaturas bajas, mediante uniones relativamente débiles. Se caracteriza por entalpías de adsorción relativamente bajas (5 a 10 kcal/mol) del mismo orden de magnitud que las fuerzas de Van der Waals entre moléculas. El proceso de desorción, se produce reduciendo la presión parcial del gas o aumentando la temperatura del sistema.

Adsorción química o Quimisorción 





Las entalpías de adsorción son en este caso más elevadas (10 a 100 kcal/mol). No son tan frecuentes estos fenómenos como los anteriores y se dan a temperaturas elevadas. Implica interacciones de tipo químico entre adsorbente y adsorbato y por tanto le afecta sensiblemente la temperatura. La relación entre la cantidad de gas adsorbido por un sólido y la presión del gas (p), a temperatura constante, se representa mediante las denominadas isotermas de adsorción o de Freundlich. Empíricamente dependen de las características del adsorbente y del adsorbato (k y n), y se puede expresar como

Generalmente, el valor de n es menor que 1, por lo que al aumentar la presión el volumen de gas adsorbido crece menos. Al decrecer la temperatura tiende a 1 por lo que la isoterma se aproxima a una recta.

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IV.



ISOTERMAS DE ADSORCIÓN:

La relación entre la cantidad de sustancia adsorbida por un adsorbente y la presión o concentración de equilibrio a una temperatura constante se denomina isoterma de adsorción.

LA ECUACION DE ADSORCION DE LANGMUIR:

Donde k 1 es una constante de proporcionalidad. Por otra parte, si designamos por k 2 la velocidad con que se eva por an las moléculas desde la su perficie cuando ésta se encuentr a totalmente cubier ta, entonces para una f r acción ɵ dicha velocidad será:

Para el equilibrio de adsorción estas velocidades deben igualarse. Por lo tanto,

Donde b = k1/k 2. Ahora bien, la cantidad de gas adsorbido por unidad de área o por unidad de masa de adsorbente, , debe ser proporcional a la f racción de su per fi cie cu bierta, y por lo tanto

Donde la constante “a” equivale al producto kb. La validez de la ecuación de Langmuir se verifica fácilmente al dividir am bos lados de la ecuación por P y tomar los r ecí procos. Así r esulta:

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Puesto que a y b son constantes, al graficar Piv contra P debe resultar una línea recta cuya pendiente es b] a y su ordenada en el origen vale l/a. La figura nos da una gráfica de los datos correspondientes a la figura. La línea recta que se obtiene confirma la ecuación de Langmuir e indica la superioridad de su validez frente a la isoterma de Freundlich.

La cantidad de soluto adsorbido es función de la naturaleza y área específica superficial del adsorbente y del soluto, así como de la presión (P) ó concentración (C) de este último y de la temperatura del sistema.

A temperatura constante, se obtienen las isotermas de adsorción, que cuantifican la adsorción en función de la concentración del soluto en el equilibrio y se representan gráficamente. La cantidad de soluto adsorbida, se denota por la letra a.

Las isotermas experimentales que más comúnmente se obtienen, son:

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Las isotermas experimentales que más comúnmente se obtienen, son:

Tipo I

Tipo II Isoterma polimolecular.

Isoterma monomolecular Isoterma de B.E.T.

Isoterma de Langmuir.

V.

Tipo III Isoterma que se presenta cuando existe baja interacción adsorbato – adsorbente

ECUACIÓN DE GIBBS SOBRE LA ADSORCIÓN:

El potencial termodinámico energía de Gibbs para la GDS, cuando la fase fluida es una mezcla binaria de n1moles de solvente y n2 moles de soluto, se expresa en función de las correspondientes variables de estado: temperatura, presión, componentes y área superficial del adsorbente

La diferencial total de la energía de Gibbs para la GDS se expresa mediante la siguiente ecuación

Después de tener en cuenta las siguientes relaciones,

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La Ecuación 15 introduce la cantidad intensiva tensión interfacial , correspondiente a la interfase sólidofluido, que en el modelo de referencia de Gibbs sería la GDS, para cuantificar los cambios en la energía de Gibbs del sistema por cambios en el área superficial del adsorbente. Después de aplicar a la Ecuación 11 el teorema de Euler y diferenciar se tiene,

Al comparar las Ecuaciones 11 y 16, y teniendo en cuenta la Ecuación 2 se concluye que:

La Ecuación 17 es una ecuación del tipo Gibbs-Duhem que muestra la relación entre las cantidades intensivas de las dos fases, a T y p constantes, sin una contribución significativa de la superficie. Cuando en la fase fluida la relación n2/n1 es pequeña, en el plano de Gibbs se cumple que Γ1 0, de modo que la Ecuación 17 queda finalmente como

A la cantidad se le denomina la concentración de exceso relativo del componente 2 con respecto al 1, y a la Ecuación 18 se le conoce como isoterma de adsorción de Gibbs. Para relacionar con cantidades medibles, recordamos la conclusión de la Ecuación 9 de igualdad del potencial químico del soluto entre la fase fluida y la GDS para el estado de equilibrio, y que la derivada del potencial químico con respecto al soluto es d µσ2 = d µf 2= RTdlnaf 2, donde af 2 es para la actividad del soluto en la fase fluida. Estas consideraciones permiten escribir la Ecuación 18 de la siguiente manera

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La Ecuación 19 obtenida desarrollando el formalismo termodinámico para el modelo de Gibbs, relaciona las cantidades de exceso que describen la adsorción con cantidades que se pueden medir o inferir a partir de datos experimentales, como son la tensión interfacial y la concentración. La dependencia de la tensión superficial con la concentración se establece experimentalmente, ya que no existe una ecuación de estado que las relacione. Así que de la pendiente positiva o negativa de la curva de tensión superficial en función de la concentración, se establece si hay enriquecimiento o agotamiento del soluto durante el proceso de adsorción.

VI.

CONCLUSIONES: 







VII.

La adsorción es un fenómeno que ocurre en la superficie, mientras mayor área superficial disponible tenga un sólido, mejor adsorbente podrá ser. La isoterma de Freundlich es apropiada para representar la adsorción cuando esta es del tipo I y además es física. La isoterma de B.E.T. no es aplicable a sistemas donde la adsorción es del tipo I y la misma es física. Solo se aplica a adsorciones del tipo II y químicas. La adsorción de solutos, al igual que la de gases, implica el establecimiento de un equilibrio entre la cantidad adsorbida sobre la superficie y la concentración de la sustancia en solución.

BIBLIOGRAFÍA: 

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PERRY. "Manual de Ingeniero Químico". Tomo IV. Sexta Edición. SKOOG, D.; WEST, D. y HOLLER, F. (1995). "Química Analítica", McGraw Hill. Sexta Edición. Págs. 308-316. SMITH, J.; VAN NESS, H. (1997) "Introducción a la Termodinámica en Ingeniería química" Quinta Edición. McGraw Hill. México

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TREYBAL. "Transferencia de masa".

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MARON Y PRUTTON. “Fundamentos de Fisicoquímica”. Editorial Limusa

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