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. La adsorción es un proceso exotérmico y se produce por tanto de manera espontánea si el adsorbente no se encuentra saturado. 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. Las operaciones de adsorción se utilizan para para eliminar de forma individual los componentes de una mezcla gaseosa o líquida. El componente a separar se liga de forma física o química a una superficie sólida. El componente eliminado por por adsorción de una mezcla gaseosa o líquida puede ser el producto deseado, pero también una impureza. El sólido recibe el nombre de adsorbente, y el componente que se adsorbe en él se denomina adsorbato. El adsorbente adsorbente se debería debería ligar, en lo posible, sólo a un adsorbato, y no los los demás componentes de la mezcla a separar.
Tipos de Adsorción
Existen dos tipos de adsorción: fisisorción y quimisorción.
Fisisorción: La fisisorción o adsorción física es la forma forma más simple de adsorción, y es debida a débiles fuerzas atractivas, generalmente fuerzas de Van der Waals, dado que estas fuerzas son omnipresentes, resulta que rápidamente cualquier superficie limpia expuesta al ambiente acumula una capa de material fisisorbido. Es el fenómeno por el cual un compuesto químico (agente adsorbente) se adhiere a una superficie, y en el que la especie adsorbida conserva su naturaleza química.
Quimisorción: Hay especificidad, sólo algunos sitios superficiales adsorben ciertas moléculas. Hay una interacción de los estados electrónicos del adsorbato (gas) y del adsorbente (sólido), lo que se traduce en la formación de un verdadero enlace químico. 3. Como consecuencia de la reacción química superficial (rompimiento y formación de enlace) se desprende una cantidad elevada de calor. La quimisorción requiere del suministro de una cierta cantidad de energía para iniciar el proceso (energía de activación). Proceso activado no espontáneo. 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. La corrosión es un ejemplo de ello. La diferencia fundamental entre ambas es que en el caso de la fisisorción la especie adsorbida (fisisorbida) conserva su naturaleza química, mientras que durante la quimisorción la especie adsorbida (quimisorbida) sufre una transformación más o menos intensa para dar lugar a una especie distinta. Proceso de Adsorción
La operación de adsorción consiste en hacer pasar una mezcla binaria liquida o gaseosa a través de un lecho fijo de adsorbente.
El sólido irá adsorbiendo en su primera capa soluto rápidamente, mientras que el resto de sólido quedará libre de adsorbato, siendo la concentración de soluto en el efluente prácticamente nula. Poco a poco la zona de adsorción se irá desplazando a lo largo del lecho, de forma que al cabo de un periodo de tiempo la zona inferior del lecho se encuentra saturada de soluto, pero la concentración de adsorbato en el efluente se mantiene prácticamente nula. De esta forma podemos distinguir tres zonas en el lecho de adsorción: 1) Zona activa, donde aún no se ha retenido nada de adsorbato. 2) Zona de adsorción, donde se está produciendo la transferencia de materia. 3) Zona de saturada, zona donde el adsorbente se encuentra saturado de adsorbato. Conforme transcurre la operación la zona de adsorción alcanza el final del lecho, por tanto comenzará a salir soluto por el efluente, se dice entonces que se ha alcanzado el punto de ruptura, en este momento la concentración de adsorbato en el efluente aumenta rápidamente hasta alcanzar la concentración de entrada, diremos que el lecho se encuentra saturado.
Factores característicos de los procesos de adsorción
Los factores a considerar en un proceso de adsorción son los siguientes: Los parámetros que influyen sobre las propiedades de adsorción son las siguientes:
Área superficial: la capacidad de adsorción es proporcional al área superficial (ella es función del grado de activación del carbón). Tamaño del poro: la correcta distribución del tamaño de poros es necesaria para facilitar el proceso de adsorción (suministrando los sitios de adsorción, los poros finos, y los canales de transporte adecuados para el manejo del adsorbato). Tamaño de las partículas: las partículas pequeñas proveen una rápida rata de adsorción (distancia más corta hasta los sitios de adsorción). Temperatura: las temperaturas bajas favorecen la capacidad de adsorción. Concentración del adsorbato: la capacidad de adsorción es proporcional a la concentración de adsorbato (altas concentraciones proveen grandes fuerzas de empuje durante el proceso de adsorción). pH: la adsorción aumenta con aquellas condiciones de pH que aumentan la solubilidad del adsorbato. Tiempo de contacto: para alcanzar el equilibrio en la adsorción y maximizar su eficiencia se requiere de suficiente tiempo de contacto. Cenizas: las cenizas constituyen el componente inerte del carbón. En la mayoría de los casos las cenizas solubles en agua son las de mayor consideración.
Estas características son muy importantes en las etapas de transferencia de masa por adsorción: Difusión del soluto desde el seno de la fase fluida hasta superficie externa del adsorbente. • Difusión de las moléculas de adsorbato hasta el interior de los poros para alcanzar la superficie libre de los mismos. • Adsorción de las moléculas de soluto sobre la superficie del sólido, por fuerzas de tipo físico o químico. •
En general, la etapa de adsorción es muy rápida en relación con los procesos de difusión. En sistemas hidrodinámicos bien agitados (elevada velocidad relativa entre fases) la difusión externa es muy rápida y resulta cinéticamente controlante el proceso de difusión interna, siendo determinante al respecto, el tamaño de las partículas del adsorbente y el diámetro de poro del mismo.
2. Afinidad respecto del adsorbato, que depende de los grupos funcionales existentes en la superficie del adsorbente. 3. Presión parcial o concentración del adsorbato en la fase fluida. La capacidad final del adsorbente para un determinado soluto puede utilizarse o no plenamente en las condiciones del proceso real. En el límite, se establece un equilibrio entre la concentración del adsorbato en disolución y la masa del mismo adsorbida por unidad de masa (o de superficie) del adsorbente; en muchos casos esta relación de equilibrio se puede formular mediante ecuaciones relativamente sencillas, como la debida a Freundlich. Es importante el carácter más o menos polar de las moléculas de adsorbato, así como el tamaño de las mismas. Se puede decir que el soluto se adsorberá más fácilmente cuando la afinidad de aquél por la superficie sea superior a su afinidad por el disolvente. Por tanto, la energía de unión entre la superficie y la sustancia considerada depende de la naturaleza de los solutos que han de adsorberse. Por ello, hay que conocer los aspectos cinéticos y termodinámicos del proceso, con los mecanismos y las resistencias que los regulan, pues éstas determinan el tiempo de contacto necesario y, así, el tamaño de las instalaciones. AGENTES ABSORBENTES Un adsorbente es un sólido que tiene la capacidad de retener sobre su superficie un componente presente en corrientes líquidas o gaseosas. Se caracterizan por una alta superficie específica y por su inercia química frente al m edio en el que se van a utilizar. Los absorbentes deben tener una gran superficie específica (gran porosidad) y tener una buena capacidad de regeneración. Dado que la adsorción se favorece por temperaturas bajas y presiones altas, para la regeneración, es decir, para la desorción, se emplean temperaturas altas y presiones bajas. Si un fluido con una concentración constante de un componente a eliminar (adsorbato) pasa a través de un adsorbedor de lecho fijo, dicho fluido se adsorbe inicialmente en la zona inferior del lecho fijo (adsorbente). El fluido que sale del adsorbedor no contiene, por lo tanto, adsorbato durante ese periodo. Según transcurre el tiempo, disminuye la capacidad de adsorción en la zona inferior del lecho fijo. El adsorbato se va ligando al adsorbente en zonas cada vez más altas. Esto equivale a la migración de la zona de transferencia de materia (Mass Transfer Zone, MTZ) con el tiempo. Una vez la MTZ ha migrado completamente a través del lecho fijo (ruptura). El adsorbente ya no puede ligar más adsorbato a lo largo del lecho fijo. La concentración del adsorbato en la salida del adsorbedor equivale entonces a la concentración en la entrada. Los adsorbentes más empleados son el gel de sílice, la alúmina y, sobre todo, el carbón activo y determinadas resinas sintéticas. Estas últimas son particularmente interesantes para la eliminación de compuestos polares. Además, son fácilmente regenerables, lo que las hace competitivas frente al carbón activo en muchos casos. El adsorbente más ampliamente utilizado para el tratamiento de aguas residuales es, no obstante, el carbón activo. Los primeros estudios sobre la aplicación de este adsorbente al tratamiento de aguas residuales se remontan a 1935; en la década de los años 50 ya se utilizaba para el tratamiento de efluentes industriales procedentes de la fabricación de pesticidas y, hacia 1960, comienza a considerarse de interés su posible aplicación al tratamiento de aguas residuales urbanas. Entre los aspectos positivos de la adsorción como método de tratamiento de aguas residuales cabe señalar: su capacidad para trabajar eficazmente a concentraciones bajas de contaminante, su flexibilidad frente a las variaciones de caudal y concentración, sus moderadas necesidades de espacio, la facilidad de automatización, la posibilidad de regenerar el adsorbente y la posibilidad de recuperar sustancias retenidas cuando ello resulte de interés económico. Entre los aspectos negativos hay que señalar que el coste de operación suele ser comparativamente alto y, por esta razón, su empleo queda restringido, en general, a los casos de
necesidad o a otros en que convenga reutilizar las aguas tratadas o, como se ha indicado, recuperar algún producto de las mismas.
EQUIPOS DE ADSORCION 1-. Adsorbedores de lecho fijo: En la siguiente figura, se muestra un sistema de equipo típico utilizado para la adsorción de vapores de disolventes. Las partículas de adsorbente se colocan en un lecho de 0,3 a 1,2 m de espesor soportado sobre un matiz o placa perforada. La alimentación gaseosa circula en sentido descendente a través de uno de los lechos mientras que el otro se encuentra en regeneración.
El flujo descendente es preferible debido a que el flujo ascendente a velocidades elevadas puede dar lugar a la fluidización de las partículas, lo que provoca colisiones y formación de tinos. Cuando la concentración de soluto en el gas de salida alcanza un cierto valor, o bien para un tiempo previamente establecido, se accionan automáticamente las válvulas con el fin de dirigir la alimentación al otro lecho e iniciar la secuencia de regeneración. La regeneración puede realizarse con gas inerte caliente, pero generalmente es preferible utilizar vapor de agua cuando el disolvente no es miscible con agua. El vapor de agua condensa en el lecho aumentando la temperatura del sólido y suministrando la energía necesaria para la deserción. El disolvente se condensa, se separa del agua y, con frecuencia, se seca antes de su reutilización. El lecho puede entonces enfriarse y secarse con un gas inerte, no siendo necesario disminuir la temperatura de todo el lecho hasta la temperatura ambiente. Si el gas b limpio puede tolerar algo de vapor de agua, la evaporación de agua durante el ciclo de adsorción ayudará a enfriar el lecho y a eliminar parcialmente el calor de adsorción. El tamaño del lecho adsorbente está determinado por la velocidad de flujo de gas y por el tiempo de ciclo deseado. El espesor de lecho y la velocidad de flujo generalmente se seleccionan para proporcionar un ciclo de adsorción de 2 a 24 h. Utilizando un lecho más largo se puede ampliar el ciclo de adsorción a varios días pero la mayor caída de presión y la mayor inversión necesaria harán la operación probablemente antieconómica. Algunas veces se recomienda un espesor de lecho de solamente 1 pie para disminuir la caída de presión y el tamaño del adsorbedor, pero los lechos de poca longitud no producen una separación completa y requieren más energía para la regeneración.
Sistema de Adsorción en fase de vapor
2-. Equipo para el secado de gases: El secado de gases se lleva a cabo con frecuencia adsorbiendo el agua sobre gel de sílice, alúmina u otros sólidos inorgánicos porosos. Las zeolitas, o tamices moleculares, que son aluminosilicatos, naturales o sintéticos, con una estructura de poro muy regular, resultan especialmente eficaces para la preparación de gases con bajos puntos de rocío (-75 ºC). La adsorción sobre tamices moleculares puede utilizarse también para separar oxígeno y nitrógeno, para preparar hidrógeno puro a partir de gas de síntesis, así como para separar parafinas normales de parafinas ramificadas y aromáticas.
El equipo para el secado de gases es similar al que se muestra en la figura anterior, con la diferencia de que se utiliza gas caliente para la regeneración. El gas húmedo procede del lecho que se está regenerando y puede descargarse a la atmósfera o bien separar la mayor parte del agua en un condensador y recircular el gas al lecho a través de un sistema de calefacción. Para secaderos pequeños se instalan con frecuencia calentadores eléctricos dentro del lecho para suministrar la energía de regeneración. Cuando la regeneración se realiza a presión mucho más baja que la adsorción, puede no ser necesario suministrar calor toda vez que la baja presión favorece la deserción. Si un secadero de gases opera a varias atmósferas de presión durante el ciclo de adsorción, se puede conseguir una regeneración casi completa pasando parte del gas seco a través del lecho, a la presión atmosférica, sin calentamiento previo. Parte del calor de adsorción, que está almacenado en el lecho como calor sensible, se utiliza para la deserción y el lecho se enfría durante la regeneración. La cantidad de gas que se necesita para la regeneración es solamente una fracción del gas de alimentación del ciclo de adsorción, puesto que el gas que sale a 1 atm tendrá una fracción molar de agua mucho mayor que el gas de alimentación. Aplicando el mismo principio, la regeneración a vacío ofrece una alternativa a la regeneración con vapor de agua o con gases calientes cuando la adsorción se realiza a la presión atmosférica. 3-. Adsorbedores de tanque agitado: Un método alternativo para el tratamiento de aguas residuales consiste en añadir carbón en polvo a un tanque con la disolución, utilizando agitadores
mecánicos e inyectores de aire para mantener las partículas en suspensión. Con partículas finas la adsorción es mucho más rápida que con carbón granular, pero en cambio se requiere un equipo de gran tamaño para separar, por sedimentación o filtración, el carbón agotado. El tratamiento con carbón en polvo puede realizarse por cargas, o también de forma continua añadiendo una determinada cantidad de carbón a la corriente residual y retirando continuamente el carbón agotado. 4-. Adsorbedores continuos: La adsorción a partir de gases o líquidos puede realizarse de forma realmente continua haciendo circular el sólido a través del lecho en contracorriente con el flujo del fluido. Las partículas sólidas descienden por gravedad, haciéndolas retornar después a la parte superior de la columna mediante un sistema de elevación con aire o de forma mecánica.
Con partículas finas se puede utilizar un lecho con placas deflectoras o etapas múltiples para prevenir la mezcla desde un extremo a otro. El «hypersorber» es un adsorbedor de lecho fluido de múltiple etapa construido como una columna de destilación, pasando los sólidos fluidizados de una etapa a otra mediante tabuladores de descenso. Se han construido algunos adsorbedores y columnas de intercambio de ion que operan en contracorriente, y puesto que tales esquemas conducen a una más eficaz utilización del sólido, es previsible que encuentren un uso creciente, especialmente en grandes instalaciones. 5-. Equipo de filtración por contacto: En cada etapa se requiere el contacto íntimo entre dos fases insolubles durante el tiempo suficiente para tener una aproximación razonable al equilibrio, el contacto que va seguido de la separación física de las fases. El equipo utilizado para aplicar estos principios a la adsorción es variado y depende de la aplicación del proceso. El líquido que se va a procesar y el adsorbente están mezclados íntimamente en el tanque de tratamiento a la temperatura deseada y durante el periodo requerido; después se filtra la fina colada para separar el adsorbente solido y el adsorbato que acompaña al líquido. También se utiliza la agitación con aire, como en los tanques de burbujeo, particularmente en el caso del intercambio iónico. El equipo se adapta fácilmente a la operación en varias etapas colocando tantos tanques y filtros adicionales como sea necesario. Si la operación se va a realizar en forma continua, lo cual algunas veces se hace al decolorar aceites lubricantes de petróleo, por ejemplo, pueden sustituirse las centrífugas o el filtro giratorio continuo por el filtro prensa, o bien se puede dejar que el sólido se sedimente, en virtud de un tanque grande.
El tipo de adsorbente utilizado depende de la solución por tratar. Con frecuencia, las soluciones acuosas se tratan con carbón activado, preparado especialmente para el uso que se le va a dar; los líquidos orgánicos, como aceites, generalmente se tratan con adsorbentes inorgánicos, como arcillas. A veces se utilizan adsorbentes mixtos. Se desea elevada selectividad frente al soluto que se va a separar, con el fin de reducir la cantidad de sólido que agregara. De cualquier manera, el adsorbente se aplica en forma de un polvo molido muy finamente, de ordinario lo más finamente posible para que pase a través de una malla 200; con frecuencia es más fino todavía. Se debe utilizar la temperatura máxima adecuada durante el mezclado, puesto que la mayor viscosidad resultante del líquido aumentando la rapidez de difusión del soluto como la facilidad con la cual pueden moverse las partículas de adsorbente a través del líquido. Por lo común, la adsorción en el equilibrio disminuye ligeramente a mayores temperaturas, pero la disminución está más que compensada por la mayor rapidez de aproximación al equilibrio. Algunas veces, las operaciones se realizan en el punto de ebullición del líquido, si esta temperatura no afecta a las sustancias presentes. Cuando las fracciones de lubricantes del petróleo se tratan con arcillas, la mezcla de adsorbente-aceite se puede bombear a través de un horno tubular donde será calentada hasta 120 a 150“C; cuando sean aceites muy pesados los que se traten, hasta 300 -380 “C. No obstante, si la sustancia adsorbida es volátil, el grado de adsorción en el equilibrio será mucho más afectado por la temperatura; es mejor manejar este tipo de materiales a temperaturas ordinarias.
Como la cantidad de solución que generalmente se trata es muy grande en comparación con la cantidad de adsorción que ocurre de ordinario puede ignorarse el aumento de temperatura provocado por el desprendimiento del calor de adsorción. El método para manejar el adsorbente utilizado depende del sistema particular que se esté considerando. La torta de filtración generalmente se lava para desplazar a la solución retenida dentro de los poros de la torta; relativamente poco adsorbato se eliminará de esta manera. Si el adsorbato es el producto deseado, puede desorberse por contacto del sólido con un disolvente distinto del que contenía la solución original, un disolvente en que el adsorbato sea más soluble. Esto puede hacerse lavando la torta en el filtro, o dispersando el sólido en cierta cantidad del disolvente. Si el adsorbato es volátil, puede desorberse haciendo que la presión parcial del adsorbato sobre el sólido se reduzca al pasar vapor o aire caliente a través del sólido. Para evitar la combustión de carbón en el caso de adsorbentes de carbón activado, evítense las temperaturas elevadas al utilizar aire con este fin. En la mayoría de las operaciones de decoloración, el adsorbato no tiene valor y es difícil desorberlo. Entonces, el adsorbente puede volverse a activar quemando el adsorbato y reactivándolo después. Generalmente, sólo es posible llevar a cabo unas cuantas activaciones de este tipo antes de que se reduzca severamente el poder del adsorbente. En este caso, el sólido se desecha.
6. Lechos fluidizados de partículas finas y gruesas: Estos lechos se han utilizado cada vez más en años recientes para la recuperación de vapores a partir de mezclas vapor-gas; en forma extensa, para la desorción (secado para el fraccionamiento de vapores de hidrocarburos ligeros con carbón).
En la parte superior de la torre, el gel se pone en contacto a contracorriente con el aire que se va a secar, sobre platos perforados en lechos relativamente estrechos; el gel se mueve de plato a plato a través de los vertederos.
En la parte inferior de la torre, el gel se regenera por medio de un contacto similar con gas caliente, el cual desorbe y acarrea la humedad. Entonces, el gel seco se recircula mediante una elevación con aire hasta la parte superior de la torre. Cuando el vapor adsorbido se va a recuperar, la regeneración puede incluir la desorción con vapor de un carbón adsorbente por destilación o decantación de la mezcla condensada de agua-vapor organito, seguida de secado con aire antes de volverse a utilizar; obviamente, serán necesarios algunos cam bios en el diagrama de flujo. Si la adsorción es isotbmica, los cálculos para las etapas ideales puede hacerse de la misma forma que en la filtración por contacto de líquido lo mismo es cierto para la deserción-regeneración. Sin embargo, generalmente el adsorbedor operara adiabáticamente; puede haber un aumento considerable en la temperatura debido a la adsorción (o caída, en el caso de la deserción). Como el equilibrio cambia entonces con el número de la etapa, los cálculos se hacen etapa por etapa, en forma bastante parecida a como se efectuaron en la absorción de gases. 7. Lecho fluidizado, adsorbedor a contracorriente en varias etapas con regeneración.
8. Contactor de higgins: El equipo de contacto de Higgins que se diseñó inicialmente para el intercambio iónico, pero que generalmente es útil para el contacto sólido-líquido, es único por su naturaleza intermitente de operación, el lecho superior temporalmente estacionario de sólidos se pone en contacto con el líquido que fluye en forma descendente, de modo que no ocurre la fluidización. En el lecho inferior, el sólido se regenera mediante un líquido de elución. Después de varios minutos, el flujo del líquido se detiene, las válvulas se voltean y la bomba de pistón llena de líquido se mueve, tal como, por un periodo de varios segundos, con lo cual el sólido se mueve hidráulicamente en la dirección de las manecillas del reloj, con las válvulas colocadas de nuevo en su posición original, se completa el movimiento del sólido y se vuelve a iniciar el flujo de los líquidos para completar el ciclo. La operación, a pesar de ser intermitente y cíclica, es casi la misma que para una operación real a contracorriente continua.
Un esquema continuo a contracorriente, real, para el tratamiento de líquidos por intercambio iónico incorpora la resina en una banda sinfín, flexible, que se mueve continuamente sobre rodillos horizontales y verticalmente con muchos pasos, a través de los cuales debe pasar la solución que se va a tratar. La banda puede sucesivamente pasar del contacto con la solución por tratar al líquido regenerador y regresar a la solución que se va a tratar. Contactor de Higgins esquemático (los sólidos se muestran sombreados)
9. Lechos móviles: En el adsorbedor, dividido en cierto número de secciones mediante platos perforados, el adsorbente está en la forma de lechos fijos (es decir, no móviles). La válvula giratoria, que gira contra las manecillas del reloj periódicamente, cambia la posición de introducción de la alimentación sucesivamente, desde la posición a hasta la c y de regreso a a . En forma similar, el desorbente y las corrientes separadas se mueven periódicamente; la corriente superior (A + D) se mueve desde la posición u en la parte superior hasta b y c en el fondo y de regreso a Q. La bomba de recirculación del líquido está programada para cambiar su rapidez de bombeo según se necesite. El grado de aproximación a un sistema real a contracorriente aumenta cuando el numero de compartimientos aumenta; por supuesto, también aumenta la complejidad de las tuberías. El tanque del adsorbedor puede ser horizontal. También se han construido muchas plantas, que utilizan mallas moleculares, para dif erentes separaciones de hidrocarburos.
10. Adsorbedores para vapores: Una de las aplicaciones más importantes de los adsorbedores de lecho fijo es la recuperación de vapores de disolventes valiosos. Los sólidos saturados con disolventes como alcohol, acetona, disulfuro de carbono, benceno y otros, pueden secarse por evaporaci6n del disolvente en una corriente de aire; el disolvente vaporizado se recuperará pasando la mezcla vapor-gas resultante a través de un lecho de carbón activado. El equilibrio de adsorción tan favorable obtenido con una buena calidad de carbón para los vapores de este tipo permite la recuperación básicamente completa del vapor, 99 a 99.8%, a partir de mezclas gaseosas que contienen muy poca cantidad, como 0.5 a 0.05% del vapor en volumen. Las mezclas aire-vapor de concentración muy por debajo de los límites explosivos pueden manejarse de esta forma. En muchas plantas de adsorción es necesario operar con una pequeña caída de presión a través del lecho de adsorbente, con el fin de mantener bajos los costos de potencia. Por lo tanto, se utilizan adsorbentes granulares y no en polvo; las profundidades de los lechos son relativamente pequeñas (0.3 a 1 m) y de sección transversal grande. La velocidad superficial del gas puede encontrarse en el rango de 0.25 a 0.6 ms.
En una operación típica, se admite al lecho adsorbente la mezcla de aire- vapor, enfriada si es necesario a 30-40 “C y filtrada para eliminar partículas de polvo que pueden tapar los poros del adsorbente. Si la curva de ruptura está empinada, el aire efluente, básicamente libre de vapor, puede descargarse a la atmosfera hasta que se alcance el punto de ruptura; en ese momento la corriente saliente debe dirigirse a un segundo adsorbedor, mientras el primero se regenera. Por otra parte, si la curva de ruptura es plana, de forma que una parte sustancial del adsorbente permanece sin saturarse con adsorbato en el punto de ruptura, se puede permitir que el gas fluya a través de un segundo adsorbedor en serie con el primero, hasta que el carbón en el primero esté saturado por completo. Entonces, la mezcla saliente se pasa a través de un segundo y tercer adsorbedor en serie, mientras que se regenera el primero.
Después de que el flujo de gas se ha dirigido hacia otro adsorbedor, el carbón generalmente se desorbe cuando se admite vapor a baja presión. Éste disminuye la presión parcial del vapor en contacto con el sólido y da, por condensación, el calor necesario de deserción. El efluente vapor de agua-vapor del carbón se condensa y el disolvente condensado se recupera por decantación del agua, si es insoluble en agua, o por rectificación si se obtiene una solución acuosa. Cuando la desorción se termina, el carbón está saturado con agua adsorbida. Esta humedad es desplazada fácilmente por muchos vapores y se evapora en el aire cuando la mezcla de aire-vapor se vuelve admitir al carbón; en realidad, mucho del calor desprendido durante la adsorción del vapor se puede utilizar en desorber el agua; de esta forma se mantienen temperaturas moderadas del lecho. Si la humedad interfiere con la adsorción del vapor, el lecho puede secarse antes: se admite aire caliente, que después se enfría con aire sin calentar, antes de volverlo a utilizar para la recuperación de vapores. El contenido de agua se puede eliminar de los gases húmedos pasándolos a través de lechos de sílica gel activada, alúmina, bauxita o mallas moleculares. Especialmente, si los gases están bajo presiones considerables, se utilizan lechos moderadamente profundos, puesto que la caída de presión debe representar sólo una pequeña fracción de la presión total. Las torres que contienen el adsorbente pueden ser de 10m de altura o más; sin embargo, en muchos casos es mejor mantener el sólido sobre platos a intervalos de 1 o 2 m, con el fin de minimizar la compresión del lecho que resulta de la caída de presión. Puede disefiarse un tanque para el tratamiento de gases bajo presión. Después de que el lecho alcanza el contenido máximo de humedad práctico, el adsorbente puede regenerarse, ya por aplicación de calor mediante espirales de vapor sumergidas en el adsorbente, ya admitiendo aire o gas caliente. Los líquidos como gasolina, queroseno, aceite de transformador, también pueden deshidratarse pasándolos a través de lechos de alúmina activada. Para regenerar el adsorbente, puede utilizarse vapor a altas temperaturas (230 °C) y aplicar después vacío proporcionado por un expulsor de vapor. 11. Adsorbedor para vapores de disolvente a bajas presiones.
ISOTERMAS DE ADSORCIÓN Una isoterma de adsorción (también llamada isoterma de sorción ) describe el equilibrio de la adsorción de un material en una superficie (de modo más general sobre una superficie límite) a temperatura constante. Representa la cantidad de material unido a la superficie (el sorbato) como una función del material presente en la fase gas o en la disolución. Las isotermas de adsorción se usan con frecuencia como modelos experimentales, que no hacen afirmaciones sobre los mecanismos subyacentes y las variables medidas. Se obtienen a partir de datos de medida por medio de análisis de regresión. MODELOS DE ISOTERMAS DE ADSORCIÓN:
Fig. 3. Representación esquemática de los seis tipos de isotermas de adsorción
La isoterma tipo I se caracteriza porque la adsorción se produce a presiones relativas bajas y es la que muestran los sólidos microporosos. La isoterma tipo II es característica de sólidos macroporosos o no porosos, tales como negros de carbón. La isoterma tipo III ocurre cuando la interacción adsorbato-adsorbente es baja. Este tipo de isoterma se ha observado en adsorción de agua en negros de carbón grafitizados. La isoterma tipo IV es característica de sólidos mesoporosos. Presenta un incremento de la cantidad adsorbida importante a presiones relativas intermedias y ocurre mediante un mecanismo de llenado en multicapas. La isoterma tipo V, al igual que la isoterma tipo III es característica de interacciones adsorbato-adsorbente débiles, pero se diferencia de la anterior en que el tramo final no es asintótico. La isoterma tipo VI es poco frecuente. Este tipo de adsorción en escalones ocurre sólo para sólidos con una superficie no porosa muy uniforme. Este tipo de isoterma se ha observado en la adsorción de gases nobles en carbón grafitizado. Las isotermas más frecuentemente usadas son:
Isoterma de Freundlich La isoterma de adsorción de Freundlich o ecuación de Freundlich es una isoterma de adsorción, que es una curva que relaciona la concentración de un soluto en la superficie de un adsorbente, con la concentración del soluto en el líquido con el que está en contacto. La isoterma de Freundlich es la siguiente: X/m = KfCe1/n Donde: X/m = Cantidad adsorbida por peso unitario de adsorbente (carbón) Ce = Concentración de equilibrio del adsorbato en solución después de la adsorción. Kf, n =
Constantes empíricas.
Figura 4. Representación de la isoterma de Freundlich .
Isoterma de Langmuir La ecuación de Langmuir o isoterma de Langmuir o ecuación de adsorción de Langmuir relaciona la adsorción de moléculas en una superficie sólida con la presión de gas o concentración de un medio que se encuentre encima de la superficie sólida a una temperatura constante
La isoterma de Langmuir se define de la siguiente manera: X/m = ab Ce /1+b Ce Donde: X/m = Cantidad adsorbida por peso unitario de adsorbente Ce = Concentración de equilibrio del adsorbato en solución después de la adsorción. a, b = Constantes empíricas.
Figura 5. Representación de la isoterma de Lagmuir. La isoterma de adsorción de Langmuir se desarrolló adoptando las siguientes hipótesis: 1. Existe un número fijo de puntos accesibles disponibles en la superficie adsorbente, todos los cuales poseen la misma energía. 2. La adsorción es reversible.
El equilibrio se alcanza cuando la velocidad de adsorción de las moléculas sobre la superficie es la misma que la velocidad de desorción de las mismas. Así pues, la velocidad a la que se lleva a cabo la adsorción es proporcional a la fuerza que la produce, que corresponde a la diferencia entre la cantidad adsorbida para una cierta concentración y la capacidad de adsorción a dicha concentración. A la concentración de equilibrio, esta fuerza es nula.
Isoterma de BET Refleja la adsorción aparente de multicapa. Es decir, se forman varias capas de moléculas de adsorbato en la superficie y que la ecuación de langmuir se aplica en cada capa. En el modelo de BET se supone además que una capa determinada no necesita completarse para que se inicien las capas siguientes; por tanto, la condición de equilibrio implicará varios tipos de superficies en el sentido de números de capas moleculares en cada recinto superficial. La isoterma de BET se define de la siguiente manera:
Donde: qe = Cs = C= Q= B=
Número de moles de soluto adsorbido por peso unitario Concentración de saturación del soluto Concentración en solución medida en el equilibrio Número de moles de soluto adsorbido por peso unitario de adsorbente que forman una monocapa completa en la superficie. Constante representativa de la energía de interacción con la superficie.
Figura 6. Representación de la isoterma de BET.
Las isotermas de Langmuir y BET pueden deducirse a partir de consideraciones cinéticas o termodinámicas de adsorción. La deducción termodinámica es algo más sofisticada, aunque menos intuitiva, que el tratamiento cinético, ya que se hacen menos suposiciones. Por ejemplo: la igualdad de las velocidades de reacción en ambos sentidos según el mecanismo propuesto. El tratamiento de Langmuir se basa en las suposiciones de que la adsorción máxima corresponde a una monocapa saturada de moléculas de soluto sobre la superficie del adsorbente, que la energía de adsorción es constante, ya que no existe transmigración de adsorbato en el plano de superficie.
