Práctica de laboratorio de termodinámica...
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Laboratorio de Propiedades Termodinámicas y de Transporte 2015721-9 Víctor Vicente Martínez Farías Subgrupo N° 2
INFORME N°10: Curva de adsorción de ácido acético en carbón activado Andrés Felipe García Ocampo1, Cristian Felipe Otálora Roa 2, Norma Katherine Ramírez López 3 Universidad Nacional de Colombia, Carrera 30 No. 45-03, Bogotá D.C., Colombia. Recibido 17/06/15
1. OBJETIVOS
Determinar la curva de adsorción de ácido acético según el cambio en la concentración del ácido. Corroborar que tan coherente da la isoterma obtenida experimentalmente, respecto a la otorgada por la literatura (isoterma de Langmuir). Analizar como el cambio de concentración de ácido acético afecta la adsorción en carbón activado.
2. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS UTILIZADOS. 2.1.
Materiales 2 buretas de 50 mL. 2 pipetas de 10 mL. 1 pipeteador. 2 probetas de 100 mL. 2 vasos de precipitados de 100 mL. 2 vasos de precipitados de 250 mL. 2 dedos fríos. 1 balón de 1000 mL. 2 matraces Erlenmeyer de 100 mL. 1 Agitador de vidrio. Papel filtro.
1: Estudiante Ingeniería Química-Universidad Nacional de Colombia (
[email protected]) 245218 2: Estudiante Ingeniería Química-Universidad Nacional de Colombia (
[email protected]) 245269 3: Estudiante Ingeniería Química-Universidad Nacional de Colombia (
[email protected]) 245280
2.2.
3 crisoles. 15 Recipientes con tapa de 90 ml. Reactivos Semillas de eucalipto. Carbón vegetal activo. Ácido Fosfórico 85% v/v. Ácido acético 0,5 M. NaOH 0,1 M. Fenolftaleína. Agua.
2.3.
Equipos Secador directo. Molino de martillos. Tamiz vibratorio. Cámara de extracción. Plancha de calentamiento. Horno mufla de alta temperatura.
3. ECUACIONES EMPLEADAS Para poder describir conveniente un fenómeno de adsorción en equilibrio se hace uso de relaciones a temperatura constante, en otras palabras es necesario el conocimiento y construcción de isotermas para estimar la cantidad adsorbida. En el momento que un soluto se adsorbe sobre una superficie, una isoterma de adsorción es una función del tipo
nads =f T (C ) , entendiendo
nads
como la cantidad de adsorbato presente en la interfase en equilibrio en una disolución de concentración C a una temperatura fija. Hay dos clases de isotermas de adsorción en disolución principales, la primera es la isoterma de Langmuir que considera la superficie de adsorción homogénea con una monocapa de moléculas adsorbidas en posiciones fijas y sin interacciones laterales entre ellas, esta monocapa implica un recubrimiento completo en la superficie por tanto se tendrá una cantidad máxima de adsorbato,
nmáx ; la segunda es la isoterma Freundlich que es aplicable a
superficies sólidas heterogéneas y con interacción entre las moléculas adsorbidas, expresa la cantidad adsorbida como proporcional a una potencia de la presión de adsorbente. A continuación se muestra la forma general de las dos isotermas:
Figura 3.1. Isotermas de adsorción de Langmuir y de Freundlich
Como para esta práctica de laboratorio se desea trabajar con carbón activo se va a usar la isoterma de Langmuir ya que este compuesto es una superficie bastante homogénea y además es fino; También esta isoterma es útil para determinar el área superficial del material. Ahora, se debe deducir una relación de la forma
nads =f T (C ) , para lo cual se
supone una superficie del substrato homogénea y que
∆ H ads
es constante.
Así entonces, un equilibrio de adsorción química puede tratarse de modo análogo a un equilibrio químico en un sistema homogéneo. Para el caso específico de esta práctica, la adsorción de ácido acético en disoluciones acuosas por carbón activo ( C π ) se da gracias a este equilibrio: ka
CCH3COOH(aq)
kd
C-CH3COOH(ads)
Donde ka y kd son las constantes cinéticas de los procesos de adsorción y desorción respectivamente, y Cπ representa un centro activo en la superficie del substrato capaz de dar adsorción con una molécula de ácido acético (o sea el carbón activo).
Se va a tener en cuenta la reacción anterior en términos generales, donde A es el reactante, S el sólido y A-S el reactante adsorbido: ka
A+S
kd
A-S
La velocidad de adsorción y desorción en el equilibrio son iguales, y la definición de cada una es:
v ads =k a C ( nmáx −n ads ) (1)
v des =k d nads ( 2) Donde C representa la concentración del soluto, acético adsorbido y
nmáx
nads
es la cantidad de ácido
es el valor máximo de cantidad adsorbida. Es útil en
este momento, definir una fracción de superficie abierta o grado de recubrimiento, θ, que relaciona
θ=
nads
y
nmáx
así:
nads (3) n máx
Retomando, en la condición de equilibrio:
v ads =v des k a C ( nmáx −nads )=k d nads (4 ) Y remplazando (3), la fracción de superficie abierta, queda:
k a C ( 1−θ )=k d θ(5) La relación de las constantes cinéticas ha estado acompañando el proceso de deducción, así que establecer una variable que las relacione, simplificará el proceso:
b ( T )=
ka ( 6) kd
Se despeja θ de (5) y se obtiene una ecuación (7) que representa la ecuación de la isoterma. :
θ=
b (T ) C (7) 1+b ( T ) C
La variable b(T) tiene un significado termodinámico:
b ( T )=
ka ≡ K eq kd
∆ Gads =−RTlnb La finalidad del experimento de adsorción consistirá en determinar algunos pares de puntos ( nads , C) que de un comportamiento adecuado de la
isoterma de adsorción del ácido acético sobre carbón activo a temperatura ambiente. A partir de los datos experimentales, se realizará un ajuste por mínimos cuadrados que permitirá conocer los parámetros de la isoterma. Para ello, es conveniente reescribir el grado de recubrimiento, en donde “w” es la masa de substrato (carbón activo), así:
n ¿ máx /w ¿¿ ¿ ¿ (nads /w) θ= ¿ Así, el cociente
(
nads ) w
expresa los moles de soluto adsorbidos por unidad de
masa de substrato. Además, se reajusta la ecuación de Langmuir a una forma lineal:
w w w 1 = + nads nmáx nmáx b C
( )(
)
El proceso de ajuste lineal por mínimos cuadrados de w/n s frente a 1/C permitirá obtener los dos parámetros de la isoterma,
nmáx
y b.
4. PROCEDIMIENTO REALIZADO 4.1.
Elaboración de solución de CH3COOH 0,5 M Tomar 28,7 mL de CH3COOH glacial (99,5% p/p). Llevarlos a un balón de 1000 mL y llenarlo con agua destilada hasta el aforo. Se obtiene 1000 mL de CH3COOH 0,5 M
4.2.
Elaboración de solución de NaOH 0,1 M Tomar 1 g de NaOH en lentejas. Llevarlos a un balón de 250 mL y llenarlo con agua destilada hasta el aforo. Se obtiene 250 mL de NaOH 0,1 M
4.3.
Estandarización del CH3COOH 0,5 M Se toma una alícuota de 10 mL de la solución de CH 3COOH 0,5M preparada en el numeral 4.1. Se lleva a un vaso de precipitados de 250 mL y se lleva hasta 100 mL con agua destilada.
4.4.
Como resultado se obtiene una muestra de CH3COOH 0,05 M Lo anterior se hizo con el fin de usar menos NaOH para estandarizarlo. Se lleva esta solución a un matraz Erlenmeyer de 250 mL. Se le agregan 3 gotas de Fenolftaleína. Se instala una bureta de 10 mL con NaOH 0,1M (Obtenido de la solución del numeral 4.2). Se estandariza hasta encontrar el volumen necesario de NaOH 0,1M para neutralizar los 10 mL de CH3COOH 0,05M. Teniendo el volumen para CH3COOH 0,05 M, se calcula para 0,5 M. Elaboración de soluciones CH3COOH – H2O Se consiguieron 15 recipientes de vidrio con tapa para envasar las soluciones. Se lavan los 15 recipientes. Se enumeran los recipientes del 1 al 15. Tomando alícuotas de la solución de CH3COOH 0,5M se realizan las disoluciones así teniendo siempre un volumen total de 50 mL: o o o o o
4.5.
En el envase 1, 6, 11 se agregan 50 mL de CH3COOH y 0 mL de H2O En el envase 2, 7, 12 se agregan 40 mL de CH3COOH y 10 mL de H2O En el envase 3, 8, 13 se agregan 30 mL de CH3COOH y 20 mL de H2O En el envase 4, 9, 14 se agregan 20 mL de CH3COOH y 30 mL de H2O En el envase 5, 10, 15 se agregan 10 mL de CH3COOH y 40 mL de H20
Los envases 1 a 5 se van a usar para el carbón activado comercial. Los envases 6 a 10 se van a usar para el carbón activado con semilla de eucalipto al 30% H3PO4. Los envases 11 a 15 se van a usar para el carbón activado con semilla de eucalipto al 80% H3PO4. Procedimiento con carbón activado comercial Se compró carbón activado comercial con tamaño de partícula entre 0,5 y 2 mm. Se preparan 5 muestras de 1,00 gramos con el carbón activo comercial. Se utilizan los envases del 1 al 5 con las disoluciones preparadas en el numeral anterior. Se añade dichas cantidades en los correspondientes envases. Se dejan reposando durante 18 horas, para que el carbón activado absorba el CH3COOH en cada disolución. Una vez se alcanza el equilibrio se filtran por gravedad aprox. 40 mL de las disoluciones 1 a 5. Se toman 10 mL de cada solución filtrada y se depositan en un matraz Erlenmeyer de 100 mL para su valoración. Se agregan 3 gotas de Fenolftaleína a cada ensayo. Para encontrar la concentración de CH3COOH en equilibrio, se valora con NaOH 0,1 M.
Se realizó una réplica con otros 10 mL de solución para cada disolución. Los valores obtenidos se consignaron en la Tabla 5.2.
4.6.
Elaboración de soluciones de H3PO4 al 30% y 80% Tomar 17,65 mL de H3PO4 (85% v/v) para la solución de H3PO4 al 30 %. Llevarlos a un balón de 50 mL y llenarlo con agua destilada hasta el aforo. Se obtienen 50 mL de H3PO4 al 30%. Tomar 47,1 mL de H3PO4 (85% v/v) Llevarlos a un balón de 50 mL y llenarlo con agua destilada hasta el aforo. Se obtiene 50 mL de H3PO4 al 80%.
4.7.
Elaboración carbón activado a partir de semillas de eucalipto Se recogió una cantidad significante de semillas de eucalipto en los prados de la Universidad Nacional. Dicha cantidad peso 1,4 kg. Se sometió a secado en el secador directo de la planta piloto durante 1 hora a 110°C. Se molió 950 g de la muestra en el molino de martillos que se encuentra en la planta piloto durante 3 horas. Como resultado de la molienda se obtuvieron 890 g de muestra, dado que también se obtiene partículas de eucalipto más reducidas que no se pueden moler más y que toca desechar. Dicha muestra se somete a tamizado en el tamiz vibratorio durante 2 horas usando mallas número 4,6 y 8 establecidos para escala tyler. Según el análisis granulométrico que se desarrollará en los cálculos del informe se toma solo la muestra que proviene de la malla número 6 y 8, que nos arrojan un diámetro de partícula entre 3,35 y 4,5 mm, dado que según el artículo guía se debe usar partículas entre 3,5 y 4,0 mm. Se divide la última muestra de eucalipto molido y tamizado en dos (muestra 25 g). La primera división (25 g) se lleva a un dedo frio grande y se le agregan 50 mL de H3PO4 al 30%. La segunda división (25 g) se lleva a un segundo dedo frio grande y se le agregan 50 mL de H3PO4 al 80%. Se deja reposar las dos mezclas en el dedo frio por 24 horas. Se retira las muestras de los dedos fríos y se llevan a dos crisoles según el porcentaje de H3PO4 usado. Se someten a un precalentamiento en una estufa a 250°C en la cámara de extracción para retirar el H3PO4 impregnado en la muestra durante 36 horas. Se lleva ambas muestras a la mufla del laboratorio de catálisis y se carbonizan a 500°C por tres horas haciendo rampa de temperatura. Se obtiene el carbón activado a 30% y 80% de H3PO4. Se lava el carbón para remover el ácido residual, utilizando agua desionizada. Se lleva el carbón a filtro al vacío para retirar la humedad.
4.8. 4.9. 4.10.
Procedimiento con carbón activado a 30% de H3PO4 Se preparan 5 muestras de 1,00 gramos con el carbón activo a 30% de H3PO4. Se utilizan los envases del 6 al 10 con las disoluciones preparadas en el numeral 4.4. Se añade dichas cantidades en los correspondientes envases. Se dejan reposando durante 18 horas, para que el carbón activado absorba el CH3COOH en cada disolución. Una vez se alcanza el equilibrio se filtran por gravedad aprox. 40 mL de las disoluciones 6 a 10. Se toman 10 mL de cada solución filtrada y se depositan en un matraz Erlenmeyer de 100 mL para su valoración. Se agregan 3 gotas de Fenolftaleína a cada ensayo. Para encontrar la concentración de CH3COOH en equilibrio, se valora con NaOH 0,1 M. Se realizó una réplica con los 10 mL de solución sobrante para cada disolución. Los valores obtenidos se consignaron en la Tabla 5.3. Procedimiento con carbón activado a 80% de H3PO4 Se preparan 5 muestras de 1,00 gramos con el carbón activo a 80% de H3PO4. Se utilizan los envases del 11 al 15 con las disoluciones preparadas en el numeral 4.4. Se añade dichas cantidades en los correspondientes envases. Se dejan reposando durante 18 horas, para que el carbón activado absorba el CH3COOH en cada disolución. Una vez se alcanza el equilibrio se filtran por gravedad aprox. 40 mL de las disoluciones 11 a 15. Se toman 10 mL de cada solución filtrada y se depositan en un matraz Erlenmeyer de 100 mL para su valoración. Se agregan 3 gotas de Fenolftaleína a cada ensayo. Para encontrar la concentración de CH3COOH en equilibrio, se valora con NaOH 0,1 M. Se realizó una réplica con los 10 mL de solución sobrante para cada disolución. Los valores obtenidos se consignaron en la Tabla 5.4. Elaboración de la isoterma Ahora se reúnen todos los datos obtenidos y se hace el tratamiento de resultados para así obtener la cantidad de CH3COOH adsorbido por unidad de masa de carbón activo comercial Tabla 5.5, carbón activado al 30% de H3PO4 Tabla 5.6 y carbón activado al 80% de H3PO4 Tabla 5.7.
nads w
Se presenta gráficamente la isoterma en forma de
Para el análisis de la isoterma Langmuir se debe graficar
1/ C
nmáx
y así mediante ajuste de parámetros obtener
C .
contra
w nads
y
contra
b .
Las gráficas deben dar el siguiente comportamiento:
Figura 4.2. Gráficas para obtener el comportamiento de la isoterma y los parámetros.
5. RESULTADOS # Matraz W Carbón (g) Agua (mL) CH3COOH (mL) [CH3C00H] inicial
1 1,0060 0 50 0,634
2 1,0055 10 40 0,5072
3 1,0050 20 30 0,3804
4 1,0046 30 20 0,2536
5 1,0039 40 10 0,1268
Tabla 5.1. Valores de condiciones iniciales.
# Matraz Ve NaOH (mL) 1ra valoración Ve NaOH (mL) 2da valoración [CH3C00H] Equilibrio
1
2
3
4
5
25,5
19,5
13,2
8,8
4
24,8
19,5
14,5
8,7
4,1
0,1103
0,2413
0,3641
0,5378
0,7033
Tabla 5.2. Valores de las condiciones en el equilibrio para carbón activado comercial.
# Matraz Ve NaOH (mL) 1ra valoración Ve NaOH (mL) 2da valoración [CH3C00H] Equilibrio
6
7
8
9
10
23,5
19,1
15,7
11,9
6,9
22,5
20,1
16,5
11,1
6,5
0,4592
0,4045
0,3322
0,2373
0,1183
Tabla 5.3. Valores de las condiciones en el equilibrio para carbón activado al 30% de H3PO4.
# Matraz Ve NaOH (mL) 1ra valoración Ve NaOH (mL) 2da valoración [CH3C00H] Equilibrio
11
12
13
14
15
23,8
19,6
16,5
12
6,8
22,8 0,481
18,6 0,394
15,5 0,330
11 0,237
5,8 0,117
Tabla 5.4. Valores de las condiciones en el equilibrio para carbón activado al 80% de H3PO4. #Matraz W masa de carbón (g) [CH3C00H] inicial Moles iniciales de Ac. En sln. C = [CH3C00H] Equilibrio Moles finales de Ac. En sln.
nads nads w
1 1,0060 0,634 0,0317 0,6033 0,0302
2 1,0055 0,5072 0,0254 0,4778 0,0239
3 1,0050 0,3804 0,0190 0,3641 0,0182
4 1,0046 0,2536 0,0127 0,2413 0,0121
5 1,0039 0,1268 0,0063 0,1203 0,0060
0,0015
0,0015
0,0008
0,0006
0,0003
0,0015
0,0015
0,0008
0,0006
0,0003
Tabla 5.5. Tratamiento de resultados para carbón activado comercial. #Matraz W masa de carbón (g) [CH3C00H] inicial Moles iniciales de Ac. En sln. C = [CH3C00H] Equilibrio Moles finales de Ac. En sln.
nads nads w
6 1,0082 0,634 0,0317 0,4592 0,023
7 0,9867 0,5072 0,0254 0,4045 0,0202
8 0,9915 0,3804 0,019 0,3322 0,0166
9 0,9713 0,2536 0,0127 0,2373 0,0119
10 0,999 0,1268 0,0063 0,1183 0,0059
0,0087
0,0052
0,0024
0,0008
0,0004
0,0086
0,0053
0,0024
0,0008
0,0004
Tabla 5.6. Tratamiento de resultados para carbón activado carbón activado al 30% de H3PO4.
#Matraz W masa de carbón (g) [CH3C00H] inicial Moles iniciales de Ac. En sln. C = [CH3C00H] Equilibrio
11 1,0022 0,634 0,0317 0,481
12 0,9954 0,5072 0,0254 0,394
13 0,9845 0,3804 0,019 0,33
14 0,9818 0,2536 0,0127 0,237
15 1,0003 0,1268 0,0063 0,117
Moles finales de Ac. En sln.
nads nads w
0,024
0,0197
0,0165
0,0119
0,0059
0,0077
0,0057
0,0025
0,0008
0,0004
0,0077
0,0057
0,0025
0,0008
0,0004
Tabla 5.7. Tratamiento de resultados para carbón activado carbón activado al 80% de H3PO4.
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1.
Análisis de adsorción de carbón activado comercial Al llevar a cabo el procedimiento de la adsorción con carbón activado comercial, se observó que hubo el siguiente porcentaje de remoción: #Matraz % adsorción
1 4,73 %
2 5,91 %
3 4,21 %
4 4,72 %
5 4,76 %
Tabla 6.1. Tratamiento de resultados para carbón activado carbón activado al 80% de H3PO4.
A pesar de que la concentración de las 5 muestras varía, el porcentaje de adsorción se mantuvo constante en todas las muestras, ya que mientras cambia la concentración debería de cambiar el porcentaje de adsorción. Posteriormente se observa en la figura 1, los valores de concentración en el equilibrio que se obtuvieron después de la adsorción, en el eje de las abscisas, y la relación entre moles de ácido adsorbidas y masa de carbón en el eje de las ordenadas.
Isoterma de adsorción CH3COOH C. Comercial 0 0 0 0 Nads/w [mol/g] 0 0 0 0 0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
C [mol CH3COOH/L] Figura 6.1. Tratamiento de resultados para carbón activado carbón activado al 80% de H3PO4.
Se ve que la cantidad adsorbida de ácido acético para este tipo de carbón aumenta proporcionalmente con la concentración de ácido, por lo cual si se desea utilizar carbón activado comercial lo más recomendable es que sea a concentraciones altas.
En la Figura 6.2 se lleva a cabo la relación grafica para obtener el ajuste lineal de la isoterma, donde gracias a la línea de tendencia que se tiene de la curva se saca la ecuación de la isoterma para el carbón activado.
Ajuste lineal isoterma de Langmuir C. comercial 3500
f(x) = 405.65x - 21.05 R² = 0.99
3000 2500 2000
w/Nads [g/mol] 1500 1000 500 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1/C [L/mol CH3COOH] Figura 6.2. Tratamiento de resultados para carbón activado carbón activado al 80% de H3PO4.
Sobre esta gráfica se puede ver que el comportamiento obtenido se aparta muy poco al de una isoterma real, ya que se puede observar una linealidad aproximada, donde solo unos valores se alejaron de esta tendencia, a lo cual se puede ver que el experimento se realizo apropiadamente. Con la ecuación obtenida llevamos a cabo el análisis de nmax, y de b, donde los valores obtenidos para estos parámetros son:
nmax =0,0016 moles
6.2.
b=−21,048
Análisis de adsorción de carbón activado 30% H3PO4 En la tabla 6.3 podemos encontrar los porcentajes de remoción para las disoluciones de ácido acético que contenían carbón preparado con H3PO4 al 30%. #Matraz
% adsorción
6 27,4 %
7 20,5 %
8
9 6,3 12,6 %
10 6,3 %
Tabla 6.3 Porcentajes de adsorción con carbón activado al 30%
Posteriormente se observa en la Figura 6.3, los valores de concentración en el equilibrio que se obtuvieron después de la adsorción, en el eje de las abscisas, y la relación entre moles de ácido adsorbidas y masa de carbón en el eje de las ordenadas.
Isoterma de adsorción CH3COOH 30% H3PO4 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
Nads/w [mol/g]
0.01 0 0 0 0 0 0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
C [mol CH3COOH/L] Figura 6.3 Isoterma de adsorción Carbon activado con H3PO4 al 30%
Sobre la figura anterior se puede ver como la adsorción de ácido acético al aumentar las concentraciones de este tiene un comportamiento exponencial, donde a concentraciones mayores de ácido, sobre todo por encima de 0,35 M el carbón activado a partir de semillas de eucalipto con ácido fosfórico al 30% es una excelente opción. En la Figura 6.4 se lleva a cabo la relación grafica para obtener el ajuste lineal de la isoterma, donde gracias a la línea de tendencia que se tiene de la curva se saca la ecuación de la isoterma para el carbón activado.
Ajuste lineal isoterma de Langmuir 30% H3PO4 3000 2500
f(x) = 384.88x - 670.38 R² = 0.97
2000
w/Nads [g/mol]
1500 1000 500 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1/C [L/mol CH3COOH] Figura 6.4 Ajuste lineal Carbon activado con H3PO4 al 30%
El experimento se llevó a cabo adecuadamente tal y como se ve en la figura anterior, dado que la isoterma obtenida tiene un comportamiento similar al de una isoterma real, es decir lineal. Con la ecuación obtenida llevamos a cabo el análisis de nmax, y de b, donde los valores obtenidos para estos parámetros en este experimento son:
nmax =0,0087 moles
6.3.
b=−670,38
Análisis de adsorción de carbón activado 80% H3PO4 Los porcentajes de adsorción se muestran en la tabla 6.3 #Matraz % adsorción
11 24,3 %
12 22,4 %
13 13,2 %
14 6,3 %
15 6,3 %
Tabla 6.4. Tratamiento de resultados para carbón activado carbón activado al 80% de H3PO4.
Posteriormente se observa en la Figura 6.5, los valores de concentración en el equilibrio que se obtuvieron después de la adsorción, en el eje de las abscisas, y la relación entre moles de ácido adsorbidas y masa de carbón en el eje de las ordenadas.
Isoterma de adsorción CH3COOH 80% H3PO4 0.01 0.01 0.01 0.01
Nads/w [mol/g]
0.01 0 0 0 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55
C [mol CH3COOH/L] Figura 6.5 Isoterma de adsorción Carbon activado con H3PO4 al 80%
En esta figura se puede observar como al usar carbón activado a partir de semillas de eucalipto con ácido fosfórico al 80% tiene un porcentaje de efectividad alto a concentraciones cercanas entre 0,3 a 0,45 M, es decir la remoción de ácido acético de soluciones de este con agua es alta. En la Figura 6.6 se lleva a cabo la relación grafica para obtener el ajuste lineal de la isoterma, donde gracias a la línea de tendencia que se tiene de la curva se saca la ecuación de la isoterma para el carbón activado.
Ajuste lineal isoterma de Langmuir 80% H3PO4 3000 2500
f(x) = 378.02x - 652.29 R² = 0.97
2000
w/Nads [g/mol] 1500 1000 500 0
1
2
3
4
5
6
1/C [L/mol CH3COOH] Figura 6.6 Ajuste lineal Carbon activado con H3PO4 al 80%
7
8
9
El experimento se llevó a cabo adecuadamente tal y como se ve en la figura anterior, dado que la isoterma obtenida tiene un comportamiento similar al de una isoterma real, es decir lineal. Con la ecuación obtenida llevamos a cabo el análisis de nmax, y de b, donde los valores obtenidos para estos parámetros en este experimento son:
nmax =0,0078 moles
6.4.
b=−652,29
Análisis comparativo de los tres tipos de carbón. Se realizaron dos gráficas, en las cuales vamos a mostrar la comparación de los valores adsorbidos para los tres tipos de carbón utilizados, con el fin de determinar cuál de los tres fue el más eficiente a la hora de remover ácido acético de una solución de este con agua.
Ajuste lineal isoterma de Langmuir 3500 3000 2500
Comercial Linear (Comercial)
2000
w/Nads [g/mol]
30% Linear (30%)
1500
80% 1000
Linear (80%)
500 0
1
2
3
4
5
6
7
1/C [L/mol CH3COOH] Figura 6.7 Comparación ajustes lineales.
8
9
Isoterma de adsorción CH3COOH Comercial
30%
80% 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
Nads/w [mol/g] 0.01
0 0 0 0 0
0
0.5
1
C [mol CH3COOH/L] Figura 6.8 Comparación isotermas de adsorción.
En la primera gráfica se observa el ajuste lineal de las tres isotermas obtenidas, se ve que las isotermas calculadas a partir de los carbones obtenidos a partir de semillas de eucalipto con ácido fosfórico al 30 y 80% es muy similar, aunque al 30% es superior que al 80%, esto puede ser gracias a que al 80% el ácido fosfórico está muy concentrado y aún más que activarlo, lo que hizo fue afectar un poco la muestra, creando más porosidad de la necesaria en el carbón. También se ve que al usar carbón activado comercial la efectividad de adsorción aumenta, lo cual desde un principio era el comportamiento esperado, ya que el proceso de activación para este tipo de carbón en la industria es bastante superior al que se pudo desarrollar por nosotros en la planta piloto, sin embargo los porcentajes de remoción del carbón preparado, son bastante buenos con respecto al procedimiento experimental a nivel de laboratorio. 7. MUESTRA DE CALCULOS Se desarrolla la siguiente muestra de cálculo con el fin de mostrar más claramente cómo se llevaron a cabo los cálculos para el desarrollo de la práctica, dado que para todas las columnas de todas las tablas se desarrollan los mismos procedimientos, se mostrará el conjunto de operaciones de la columna 2 de la primera tabla, para efectos prácticos. Se prepararon soluciones de diferentes concentraciones de ácido acético mediante la adición de volúmenes conocidos de ácido y agua. Se calculó la concentración de las muestras con la formula
Cmuestra =
Donde
C solución∗V solución V total
Cmuestra
C solución
es la concentración de las diferentes muestras preparadas,
es la concentración de la solución inicial de ácido acético,
volumen tomado de la solución inicial de ácido acético y
V total
V solución
es el
es el volumen total
de cada una de las muestras, es decir, 50ml para todos los casos. La concentración de la muestra número 2 es, por ejemplo:
Cmuestra =
0,634 M∗0,040 ml 0,050 ml
Cmuestra =0,5072 M
El número de moles iniciales de ácido ( niniciales ) corresponde al numerador de la ecuación anterior, es decir, la concentración de la solución inicial de ácido por el volumen tomado para la preparación de la solución. Para la solución 2 es entonces
niniciales =0,634 M ∗0,040 ml niniciales =0,0254 mol La concentración en el equilibrio corresponde a la concentración obtenida después del proceso de adsorción, el cual se obtuvo mediante la titulación con una solución de hidróxido de sodio aproximadamente 0,1M preparado previamente. En la titulación de la solución 2 se obtuvo un volumen promedio de 19,5ml de NaOH de concentración 0,1379M. La concentración de la solución 2 es entonces
C equilibrio=
0,1 M∗0,0239 ml 0,005 ml
C equilibrio=0,4778 M
El número de moles de ácido en el equilibrio
n ¿ ¿ ) se calcula de la misma forma en la ¿
que se calcularon las moles de ácido iniciales. Para la solución 2 se obtuvo
neq =0,4778 M∗0,040 ml neq =0,0191 mol Las moles de ácido adsorbidas
nads
son el resultado de la diferencia entre las
moles iniciales y las moles finales de ácido en cada una de las soluciones. El cálculo para la solución número 2 dio como resultado
nads =n iniciales −neq nads =0,0254−0,0191 nads =0,0063 mol
Para realizar las isotermas de Langmuir es necesario calcular el parámetro
nads w , el
cual se obtiene mediante la división de las moles de ácido adsorbidas entre el peso de carbón utilizado para el proceso de adsorción en la muestra.
nads 0,0063 = w 1,0055 nads =0,0015 w C=C equilibrio=0,4778 M
Luego se grafica este parámetro contra la concentración en el equilibrio (Figura 6.1), de esta manera ya se tiene una tendencia aproximada de la isoterma de Langmuir. Ahora se va a graficar los inversos de dichos parámetros tal y como se ve en la Figura 6.2.
w =666,667 nads 1/C=
1 =2,093 C equilibrio
Esto con el propósito de hallar la línea de tendencia sobre la curva resultante, esta será la isoterma real de Langmuir.
8. ANÁLISIS ECONÓMICO Para el análisis económico tuvimos en cuenta los siguientes factores:
Agua Se utilizaron aproximadamente 2050 mL de agua para la preparación de todas las disoluciones utilizadas en el experimento, también 600 mL para lavar el carbón con residuos de ácido fosfórico y aproximadamente 4000 mL lavando el material de laboratorio, incluyendo los frascos usados para conservar las disoluciones; lo que nos da un total de 6650 mL de agua gastados. Ahora, según las tarifas del acueducto para Junio de 2015 en Bogotá para el sector oficial el consumo está en 2590,85 $/m3. Entonces el costo a pagar sería:
Costo agua $=6650
mL∗m 3 $ ∗2590,85 3 =$ 17,22 1000000 mL m
Figura 8.1 Valores del agua para Bogotá. Fuente: Empresa de acueducto de Bogotá.
Energía eléctrica Se usaron los siguientes equipos en la práctica experimental que requieren de un gasto energético permanente, en la siguiente tabla se determina cuantos kilovatios hora gasta cada equipo para así saber cuánto hay que pagar por consumo energético: Equipo
Tiempo de uso (hr) 36
Potencia Equipo
Kilovatios hora 22,680 kWh
Plancha de 630 W Calentamiento Secador Directo 3 373 W 1,119 kWh Mufla 3 1,5 kW 4,500 kWh Molino de martillos 2 220 W 0,440 kWh Tamiz vibratorio 2 186,5 W 0,373 kWh Balanza analítica 0,5 6W 0,003 kWh Tabla 8.1 Datos de energía consumida por los equipos usados.
En total la carga energética consumida fue de 29,115 kWh, lo cual según la Figura 8.2, que da las tarifas de Codensa para el mes de junio 2015 para el sector no residencial oficial y sencillo, el costo a pagar sería:
Costo energético $=29 ,115
kWh∗$ 362,4010 =$ 10551,30 kWh
Figura 8.2 Valores de la energía para el sector de Bogotá. Fuente: CODENSA.
Ácido acético Para la preparación de la solución inicial de ácido de concentración 0,5M se utilizaron 30mL de ácido acético glacial. Según los datos otorgados por Químicos Campota Ltda.; el precio de un galón de ácido acético glacial es de $40,400, entonces:
L∗1 galón ∗$ 40,400 3,785 L Costo ácido acético $=0,030 =$ 320. 211 pesos galón
Hidróxido de sodio Para la preparación de la solución de hidróxido de sodio de concentración 0,1M se utilizaron 1g de hidróxido de sodio puro en escamas. Según los datos otorgados por Químicos Campota Ltda.; el precio de un kilogramo de hidróxido de sodio es de $2,600, entonces:
Costo hidróxido de sodio $=0,001
Ácido fosfórico
Kg∗$ 2,600 =$ 2.6 pesos 1 Kg
Para la preparación de las soluciones al 30 y al 80% de ácido fosfórico se utilizaron en total 65mL de ácido fosfórico al 85%(p/p). Según los datos otorgados por Químicos Campota Ltda.; el precio de un galón de ácido fosfórico al 85% es de $102,500, entonces:
L∗1 galón ∗$ 102,500 3,785 L Costo ácido fosfórico $=0,065 =$ 1,760.24 galón
Biftalato y Fenolftaleína Dado que que solo se utilizó como 0,3 gramos de biftalato y por mucho 20 gotas de fenolftaleína, es innecesario determinar un análisis económico sobre estos dos compuestos, ya que no va a dar una cantidad monetaria representativa.
Frascos para almacenar las disoluciones No hubo necesidad de comprar los frascos dado que en el laboratorio de ingeniería química se encontraba gran cantidad de frascos de vidrio con tapa que ya no se estaban usando y se pensaba desechar, los cuales hace un tiempo había almacenado aceites, por ende se lavaron arduamente y estuvieron listos para su adecuado uso.
Según el análisis económico el mayor aporte de consumo lo da el gasto energético eléctrico, entonces se concluye que se gastó un total de:
$ 12 561, 5 7
9. SOPORTE FOTOGRÁFICO DE LA PRÁCTICA
Figura 9.1 Semillas de eucalipto.
Figura 9.2 Semillas de eucalipto durante la molienda.
Figura 9.3 De izquierda a derecha, eucalipto 80% H3PO4, eucalipto 30% H3PO4 y carbón activado comercial.
Figura 9.4 Carbon activado obtenido
Figura 9.5 Equipo de filtración al vacio usado para lavar el carbón.
Figura 9.6 Carbón activado obtenido despues de la filtración.
10. BIBLIOGRAFÍA
[1] Caballero Suárez L. M. Introducción a la catálisis heterogénea. Universidad Nacional de Colombia. Departamento de Ingeniería química. [2] Universidad de Oviedo, Química de superficies, adsorción de ácido acético sobre carbón activado [3]http://www.academia.edu/11293475/Experimentaci%C3%B3n_en_Qu %C3%ADmica_EXPERIMENTACI%C3%93N_EN_QU%C3%8DMICA
