Isotermas de adsorción de ácido acético sobre carbón activado xxxxxxxx xxxx xxxx x Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán Campo 1 Fisicoquímica III – Química Química Semestre xxxxx
Objetivos: A través de la interacción entre carbón activado y soluciones de ácido acético comprender el fenómeno de adsorción, así mismo, llevar a cabo un análisis del comportamiento de esta adsorción en contraste con los modelos de isotermas de adsorción de Henry, Langmuir y Freundlich. Relacionar el exceso de soluto superficial con el fenómeno de la adsorción para los sistemas experimentales y calcular el área de superficie total del sólido adsorbente, así como la cantidad de soluto adsorbido por gramo de a dsorbente.
RESUMEN: En este estudio se determinó experimentalmente la capacidad del carbón activado para adsorber ácido acético en soluciones a diferentes concentraciones, posteriormente se analizó que tipo de comportamiento presenta la adsorción de este sólido en contraste con los modelos de isotermas de adsorción.
INTRODUCCIÓN Adsorción
La superficie de los sólidos es una región singular, que es responsable o al menos condiciona muchas de sus propiedades, entre ellas la capacidad de adsorber fases fluidas.
ii) Quimisorción: la especie adsorbida (quimisorbida) sufre una transformación, más o menos intensa, para dar lugar a una especie distinta. Otras diferencias: i) En la fisisorción, el gas se adsorbe formando capas sucesivas, mientras que en la quimisorción la adsorción queda restringida a una monocapa. ii) La energía de adsorción es mayor para la quimisorción que en el caso de la fisisorción. iii) La fisisorción es un fenómeno más general y menos específico. iv) La transformación química de la especie adsorbida (quimisorción) requiere una cierta energía de activación, que no es necesaria en la fisisorción, por lo que esta última suele ocurrir a temperaturas menores.
Figura 1: Esquema de las fuerzas de cohesión en un sólido y en un sólido con un fluido adsorbido.
La adsorción es una operación unitaria de transferencia de masa; un proceso por el cual los átomos o moléculas de una sustancia que se encuentra en una fase determinada, son retenidas en la superficie de otra sustancia, que se encuentra en una fase distinta (generalmente sólida). Como resultado de este proceso, se forma una capa de líquido o gas en la superficie de una sustancia sólida. El sólido se denomina adsorbente y las moléculas adsorbidas en la superficie del sólido, se conocen como adsorbato. La adsorción se establece debido a las fuerzas de atracción entre el adsorbente y el adsorbato. Tipos de adsorción: i) Fisisorción: la especie adsorbida (fisisorbida) conserva su naturaleza química.
Adsorción en disoluciones
En general, la adsorción desde una disolución a un sólido ocurre como consecuencia del carácter liofóbico (no afinidad) del soluto respecto al disolvente particular, o debido a una afinidad elevada del soluto por el sólido o por una acción combinada de estas dos fuerzas. El grado de solubilidad de una sustancia disuelta es el factor más importante para determinar la intensidad de la primera de las fuerzas impulsoras. Cuanta mayor atracción tiene una sustancia por el disolvente menos posibilidad tiene de trasladarse a la interfase para ser adsorbida. Aplicaciones
La adsorción es utilizada para eliminar de forma individual los componentes de una mezcla gaseosa o líquida. El componente a separar se une de forma física o química a una superficie sólida. El componente eliminado por adsorción de una
mezcla gaseosa o líquida puede ser el producto deseado, pero también una impureza. Los procesos de adsorción son ampliamente usados en muchas aplicaciones industriales y en la purificación de agua potable o tratamiento de agua residual. Equilibrio de Adsorción
Una de las formas más habituales de representación del equilibrio de adsorción es mediante la relación entre la cantidad adsorbida y la presión, en el caso de gases o vapores, o la concentración en la fase liquida, en el caso de adsorción de líquidos, para una temperatura determinada. Esta relación se conoce como isoterma de adsorción para un determinado sistema adsorbato-adsorbente. El estudio de las isotermas de adsorción nos permite determinar para un sistema soluto-adsorbente dado, el grado de separación que puede ser logrado y la sensibilidad del proceso respecto a la concentración del soluto. Las isotermas de adsorción, se pueden clasificar atendiendo a seis tipos (Figura 2):
una capa adsorbida cuyo espesor es incrementado progresivamente a medida que aumenta la presión o concentración. Esta clase de isoterma es característica de sólidos no-porosos o de adsorbentes macroporosos. Tipo III: Es convexa respecto al eje x en todo el rango de
presión o concentración. Esta característica es indicativa de interacciones débiles entre el adsorbato y el adsorbente. En la práctica no es común encontrase con este tipo de isotermas. Tipo IV: A bajas presiones o concentraciones se comporta
como la del Tipo II, siendo el rasgo distintivo de esta isoterma su lazo de histéresis. Tipo V: Del mismo modo que las de Tipo III, esta clase de
isotermas se obtiene cuando las interacciones entre el adsorbato y el adsorbente son débiles. La presencia del lazo de histéresis está asociada con el mecanismo de llenado y vaciado de los poros. En la práctica es poco usual encontrase con este tipo de isotermas. Tipo VI: Esta isoterma escalonada es la menos común de
todas las isotermas. Se la asocia con la adsorción capa por capa sobre superficies que son altamente homogéneas respecto del adsorbato. La forma del escalón depende de la temperatura y de los detalles del sistema.
METODOLOGIA 1.
Se preparó en un matraz aforado de 250 mL una solución de ácido acético de concentración aproximada a 1.0 M (solución A), para ello se calculó el uso de 14.3543 mL de reactivo analítico de ácido acético glacial, pero se ajusto a 15 mL, tomando 10 mL y 5 mL con pipetas volumétricas.
2.
Preparación de soluciones del sistema para la titulación:
Tomamos de la solución “A” 5 mL y aforamos a 250
mL (solución B).
Tomamos de la solución “A” 5 mL y aforamos a 100 mL (solución C) Tomamos de la solución “A” 10 mL y aforamos a 100
mL (solución D)
Tomamos de la solución “A” 20 mL y aforamos a 100
mL (solución E) Figura 2: Tipos de isotermas de adsorción.
mL (solución F)
Tipo I: Esta clase de isotermas es característica de materiales
microporosos. La alta energía de adsorción de los microporos produce que el fluido se adsorba a bajas presiones o concentraciones respectivamente. Tipo II: A bajas presiones o concentraciones es cóncava
respecto al eje x, luego aumenta linealmente y finalmente se vuelve convexa. Puede ser interpretada como la formación de
Tomamos de la solución “A” 25 mL y aforamos a 100
Tomamos de la solución “A” 50 mL y aforamos a 100 mL (solución G) Tomamos de la solución “A” 75 mL y aforamos a 100
mL (solución H)
Ejemplo:
Y por último consideramos la solución de ácido acético de concentración aproximada 1 M.
3.
De cada una de estas soluciones, tomamos una alícuota de 25 mL y adicionamos a cada frasco de 100 mL en cuyo fondo se tenía 1 g de carbón activado. (Comenzamos de la menos concentrada a la más concentrada).
4.
Agitamos vigorosa y homogéneamente durante 5 min todas las soluciones de ácido acético en carbón activado y posteriormente se dejaron reposar 120 min sin agitación. (Tomamos un intervalo de 2 min para cada concentración).
5.
Solución B:
= (1.0449 )(5 ) = 0.020898 = 250 Los datos de concentración inicial de las soluciones B a la H, se obtuvieron como se muestra en el anterior ejemplo y se presentan en la siguiente tabla: TABLA 1. CONCENTRACIÓN INICIAL DE CH 3COOH.
Posteriormente filtrar el carbón activado y titular una alícuota de 5 mL del excedente de ácido acético con NaOH 0.1 N usando fenolftaleína como indicador. NOTA: El carbón se activó con anticipación.
Es importante señalar que se mantuvo siempre el mismo tiempo de adsorción y el mismo tiempo de agitación para cada una de las soluciones de ácido acético.
RESULTADOS Se preparó la solución A de concentración aproximada 1 M, para lo cual se usaron 15 mL de reactivo analítico, por lo cual se muestra a continuación el cálculo de la concentración real de esta solución:
. .7 [ ] = 6. 3
Soluciones
[CH3COOH] (mol/L)
B
0.020898
C
0.052245
D
0.10449
E
0.20898
F
0.261225
G
0.52245
H
0.783675
A
1.0449
Después de agitar y permitir reposar cada una de las soluciones en presencia de carbón activado, se llevó a cabo la titulación de cada una de estas soluciones y se obtuvieron los volúmenes de NaOH gastado, los cuales se indican en la Tabla 2. TABLA 2. DATOS DEL VOLUMEN GASTADO DE NaOH EN LA TITULACION DE LAS SOLUCIONES DE CH 3COOH.
[ ] = 1.0449 =1.0449
Soluciones B
V gastado de NaOH 0.1 M (mL) 0.8
C
2.1
Con la concentración real de la solución A se calculó la concentración por dilución de las demás concentraciones, tal como se muestra en la siguiente formula, tomando en cuenta el volumen de la alícuota y el aforo correspondiente para cada solución planteada en la metodología:
D
4.3
E
8.9
F G H
11.2 22.9 35
A
47.7
# =
Ec. 1
Despejando C# de la ecuación 1, tenemos la siguiente ecuación para el cálculo de las concentraciones iniciales de las soluciones B a la H:
# =
Ec. 2
Donde:
C#: Concentración inicial de la solución diluida CA: Concentración de la solución A VAlicuota: Volumen de alícuota tomado de la solución A VAforo: Volumen de aforo de la solución diluida
Ya conociendo los volúmenes gastados de NaOH 0.1 M en la titulación, se obtienen las cantidades de ácido acético que se encuentran en el equilibrio tras el proceso de adsorción llevado a cabo por el carbón activado:
# =
Ec. 3
Donde:
C NaOH: Concentración de la solución de NaOH V NaOH: El volumen de NaOH gastado en la titulación VAlicuota: Volumen de la alícuota de la solución de ácido acético C#: Concentración al equilibrio de la solución titulada
Despejando C # (concentración al equilibrio) de la ecuación 3, se tiene la siguiente fórmula para el cálculo de la concentración de ácido acético al equilibrio en las soluciones tituladas:
. # =
Según la anterior ecuación, para obtener el valor de K y además conocer el comportamiento del fenómeno para decir si cumple con la ley de Henry se grafican los datos de la concentración al equilibrio posterior a la adsorción y los moles adsorbidos. La cantidad de moles se calcula de la siguiente manera:
Con la anterior ecuación, se calcularon los siguientes valores de concentración de ácido acético al equilibrio: TABLA 3. CONCENTRACIONES DE CH 3COOH AL EQUILIBRIO. [CH3COOH]equilibrio Soluciones (mol/L)
B
0.016
C
0.042
D
0.086
E
0.178
F G H
0.224 0.458 0.7
A
0.954
ANÁLISIS DE RESULTADOS Isoterma de Henry
La ley de Henry establece que en los gases la cantidad de los mismos que se puede disolver en un líquido es directamente proporcional a la presión que ejercen sobre el seno del líquido:
= . Donde: S = Solubilidad del gas
= . = [ ] ∗ . Donde:
N= numero de moles [X]= concentración Valicuota= volumen de alícuota
= [ ] ∗ [ ] ∗ . Haciendo uso de la ecuación 10, se calculan los moles adsorbidos y se obtienen los siguientes datos: TABLA 4. DATOS PARA LA ISOTERMA DE HENRY. [CH3COOH]equilibrio moles adsorbidos (N ads) ( mol ) ( mol / L )
0.016
0.00012245
0.042
0.000256125
0.086
0.00046225
0.178
0.0007745
0.224
0.000930625
0.458
0.00161125
0.7
0.002091875
0.954
0.0022725
K = Constante de Henry P= Presión del gas
Esta ley se puede adaptar a la adsorción, pero en este caso concreto de experimentación de la adsorción de una sustancia disuelta en medio acuoso las variables se vendrían sustituyendo y ahora la presión sería la concentración de la sustancia [X ], y la solubilidad sería la cantidad de sustancia adsorbida ( N X ); también tendría una constante K :
Cabe señalar que en este cálculo el valor de NCH3COOH, es igual al número de moles de ácido acético adsorbido por cada gramo de carbón activado. Los datos de la tabla 4, se grafican para obtener el comportamiento de la isoterma de adsorción de Henry:
= [ ] . Donde la constante K de la isoterma de Henry re presenta una relación de la constante de adsorción entre la constante de desorción, como se muestra en la ecuación 7:
= .
Figura 3: Grafico de la isoterma de Henry para la adsorción de Ácido Acético en carbón activado.
De donde se obtiene un valor de 2.4x10-3 L/g constante de Henry.
para la
Con este comportamiento se dice que cumple con la ley de Henry, ya que la cantidad de ácido acético adsorbido aumenta conforme aumenta la concentración del mismo. Isoterma de Langmuir
Langmuir intenta explicar la isoterma Tipo I, como una adsorción en monocapa (monomolecular) en la cual gracias al equilibrio adsorción-desorción no hay formación de multicapas. El límite de capacidad del adsorbente es cuando la monocapa está completa (región asintótica en la gráfica). El volumen o la cantidad de adsorción son proporcionales a la Presión o Concentración y a la fracción de superficie NO cubierta. La ecuación para la isoterma de Langmuir adaptada para adsorción de líquidos por sólidos, esta descrita por la ecuación 11:
= ∗ ∗ , [] E c. 11
Donde el término b contenido en la pendiente de la isoterma de Langmuir representa una relación de la constante de adsorción entre la constante de desorción, como se muestra en la ecuación 7:
. = Los datos presentados en la tabla 5, son correspondientes a los datos inversos de la concentración al equilibrio y el inverso del número de moles adsorbidos: TABLA 5. DATOS PARA LA ISOTERMA DE LANGMUIR.
Figura 4: Grafico de la isoterma de Langmuir para la adsorción de Ácido Acético en carbón activado.
Isoterma de Freundlich
La ecuación de Freundlich para estudiar el fenómeno de adsorción tiene la siguiente forma:
=[] . Para la adsorción de la solución de ácido acético ésta ecuación se adapta de la siguiente manera:
=[] . Para convertir esta ecuación en una línea recta, se usa su forma logarítmica:
()=[] . Los datos de esta ecuación que se conocen son los moles de ácido acético adsorbidos ( N ads) y la concentración de ácido acético al equilibrio, a ambos se les transforma a su forma logarítmica: TABLA 6. DATOS PARA LA ISOTERMA DE FREUNDLICH.
Log [CH3COOH] equilibrio
Log Nads
1 / [CH3COOH]equilibrio
1 / Nads
-1.79588002
-3.91204121
62.5
8166.598612
-1.37675071
-3.59154803
23.80952381
3904.343582
-1.06550155
-3.33512308
11.62790698
2163.331531
-0.74958
-3.11097858
5.617977528
1291.155584
-0.64975198
-3.03122528
4.464285714
1074.546676
-0.33913452
-2.79283707
2.183406114
620.6361521
-0.15490196
-2.67946427
1.428571429
478.0400359
-0.02045163
-2.64349611
1.048218029
440.0440044
Los datos de la tabla 6, se grafican para obtener el comportamiento de la isoterma de adsorción de Freundlich:
Figura 5: Grafico de la isoterma de Freundlich para la adsorción de Ácido Acético en carbón ac tivado.
Los valores de las constantes son evidentemente diferentes, sin embargo, las diversas explicaciones al fenómeno de adsorción y su afectación al aumentar la concentración de adsorbato coinciden al interpretar ésta variación; todos coinciden en el punto de que la concentración es directamente proporcional a la cantidad de materia adsorbida y por lo tanto, cuanto más concentrada se encuentre una solución, más cantidad des soluto será adsorbido; de manera análoga a los sistemas gaseosos, los cuales al tener mayor presión dentro del recipiente que los contenga se podrá observa que mayor cantidad de gas es adsorbido, todo esto siempre y cuando obedezcan la ley de los gases ideales. La adsorción del ácido acético se debe a que éste al disociarse de manera parcial (ya que es un ácido de fuerza media) en el medio acuoso se separa en iones H+ y COOH-, de tal manera que se da el siguiente equilibrio:
− +
Al estar los iones H+ liberados en el medio ácido, y también al haber un cambio de concentración de ácido acético, debe de haber un cambio en la acidez de la solución, por lo cual se tiene que las partículas atraídas hacia la superficie del carbón activado son los iones H+, esto puede deberse a que las partículas de carbón activado que se encuentran en la superficie tienen una carga negativa al tener un electrón solitario por no compartirlo con 4 cabronos, como los del interior del carbon activado:
Figura 5: Modelo de la superficie de carbón activado ejerciendo atracción sobre cargas positivas.
Una manera de probar esta hipótesis puede ser midiendo el cambio de pH con un tensiómetro antes y después de agregar carbón activado o cualquier otro adsorbente que no reaccione con la solución produciendo otros aniones de interferencia como CO32-, Cl- entre otros.
CONCLUSIONES El fenómeno de adsorción se pudo comprobar experimentalmente, alterando una de sus variables; y se pudo constatar que al aumentar la concentración de una solución o sistema de adsorción, aumentará la cantidad de moléculas adsorbidas. Se pudo estudiar también desde la óptica de diversos investigadores que llegaron a una misma conclusión usando diversas variables pero interpretando el fenómeno de manera análoga. Fue posible establecer la analogía y validez de dichos métodos, ecuaciones y sus respectivas maneras de representarlos gráficamente en isotermas. También se pudo verificar el tipo de adsorción y teorizar a cerca de la atracción que ejercen las partículas superficiales de adsorbente sobre la disolución.
BIBLIOGRAFÍA
Figura 6: Modelo de la superficie de carbón activado con electrones desapareados.
Si se conoce que por extensión la adsorción se da debido a la atracción de fuerzas electrostáticas, entonces las fuerzas de atracción que ejercen los átomos superficiales del carbón activado, con carga negativa es hacia los iones H+, haciendo que éstos se adhieran a la superficie del carbon activado.
Toral, María Teresa, Fisicoquímica de superficies y sistemas dispersos. Bilbao: Urmo, 1973. Shaw, Duncan J., Introducción a la química de superficies y coloides / México: Alhambra, 1970. Adamson, Arthur W., Physical chemistry of surfaces / New York: J. Wiley, c1997.
