Adsorcion de Gases

FIMM - UNCP

ADSORCION DE GASES

CATEDRA

: TRANFERENCIA DE MASA Y CALOR

DOCENTE

: Ing. Yasmine VENTOCILLA RUIZ

ESTUDIANTE

: JULCA ORDOÑEZ, Eduardo

SEMESTRE

: VII

TURNO

: MAÑANA

HUANCAYO - PERÚ

2019

1

INTRODUCCION La adsorción es un proceso fisicoquímico importante en la química y a su vez si llevamos al campo de la aplicación con los minerales y tomamos las reacciones de los gases con diferentes estados de la materia como los sólidos o los líquidos, primordialmente existe una actividad eficaz de solidos al contacto con los gases y eso depende fundamentalmente de la carga de reacción o como llamamos a la actividad de un compuesto o elemento, esto coincide con lo que tomamos como referencia para realizar nuestras pruebas que generalmente son el laboratorios. La adsorción es una operación de separación en la que ciertos componentes de una fase fluida se transfieren hacia la superficie de un sólido, donde quedan unidos mediante fuerzas de naturaleza física (débiles) o bien mediante verdaderos enlaces químicos. También se denomina concentración en la superficie definida entre dos fases formándose una película liquida o gaseosa en dicha superficie generalmente de un material solido poroso. En química, la adsorción de una sustancia es la acumulación de una sustancia en una determinada superficie interfásica (entre dos fases). El resultado es la formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido o líquido.

SABERES PREVIOS ¿Qué es el fenómeno de adsorción? La adsorción de una sustancia es su concentración en la superficie definida entre dos fases, formándose una película líquida o gaseosa en dicha superficie generalmente de un material sólido poroso. ¿Cómo ocurre el proceso de adsorción? Considérese un sólido limpio expuesto a una atmósfera gaseosa. En el interior del material, los enlaces químicos están satisfechos. En cambio, por definición, la

superficie presenta enlaces

incompletos

y es

energéticamente favorable que interaccione con especies que se aproximen a ella originando un proceso de absorción espontánea. La cantidad de material que se acumula depende del equilibrio dinámico que se alcanza entre la cantidad de material que se adsorbe sobre la superficie y la cantidad del mismo que se evapora y que dependen de la temperatura y de la presión. ¿A qué es aplicable? La adsorción de gases y vapores permite estudiar todo tipo de materiales sólidos presentes en nuestra vida diaria. La determinación de su extensión superficial y de su textura (superficie específica y porosidad) se realiza mediante equipos Materiales adsorbentes: ejemplos y aplicaciones Los materiales adsorbentes son sólidos porosos cruciales para la vida ya que inciden en la calidad del aire que respiramos, del agua que bebemos y del combustible que empleamos como fuente energética. Aproximadamente el 8% del PBI de los países desarrollados incide en estos tipos de materiales. Así, nuestro medio ambiente está

lleno de materiales cuyo uso no es tan cotidiano que podemos a veces olvidar su existencia. Solidos tan sencillos como el carbón activado, la sílice o los hidróxidos dobles metálicos (hidrotalcitas) juegan

un

papel

primordial

en

temas

tan

importantes como la Salud dentro de una Sociedad del Bienestar. El desarrollo de catalizadores (sustancias capaces de modificar la velocidad de las reacciones) se basa en sólidos porosos que deben estar perfectamente estructurados y permiten producir toda una miríada de productos desde combustibles a medicamentos y otras sustancias activas como insecticidas y herbicidas, así como cosméticos, sustancias para dar sabor y olor a comidas, etc. Por ejemplo, los catalizadores

de

los

coches,

que ayudan

a disminuir

la presencia

de

contaminantes, necesitan estar formados por sustancias porosas y activas de características perfectamente definidas para su correcto funcionamiento. Los medicamentos contienen grandes cantidades de materiales que deben ser inocuos y en los cuales se adsorben los principios activos. Por ejemplo, las hidrotalcitas pueden emplearse como substratos en los que se adsorben moléculas que actúan como principio activo de un fármaco que se libera de manera controlada en el organismo.

Equipamiento del Laboratorio Los aparatos disponibles en este laboratorio (ASAP 2010, Flowsorb II y Omnisorp 100) pueden analizar la superficie de prácticamente cualquier sólido, con áreas de hasta varios miles de metros cuadrados por gramo de material.

Determinación de la superficie específica Para las medidas de las áreas las muestras se deben limpiar previamente por tratamiento térmico en vacío dinámico. A continuación, se adsorbe un gas como el nitrógeno a temperatura constante obteniendo las denominadas curvas isotermas de adsorción en las que se define el volumen de gas adsorbido para distintas presiones relativas (Figura adjunta). A partir de estos datos, mediante distintos procedimientos como por ejemplo el denominado método BET, se determina el valor de la superficie específica (SBET), representando p/(pº-p) Vads frente a p/pº. Esta representación tiene una parte lineal, donde se produce la adsorción en monocapa. A partir de la pendiente y la ordenada en el origen se obtienen los valores de la capacidad de la monocapa Vm y la constante c, a partir de los cuales se calcula la superficie especifica.

MARCO TEORICO ADSORCION DE GASES La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas de gases, líquidos o sólidos disueltos son 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 (adsorbato) es eliminado del agua mediante el contacto con una superficie sólida (adsorbente).2 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 interfásica (entre dos fases). El resultado es la formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido o líquido. Considérese una superficie limpia expuesta a una atmósfera gaseosa. En el interior del material, todos

los

enlaces

químicos

(ya

sean iónicos, covalentes o metálicos)

de

los átomos constituyentes están satisfechos. En cambio, por definición la superficie representa una discontinuidad de esos enlaces. Para esos enlaces incompletos, es energéticamente favorable el reaccionar con lo que se encuentre disponible, y por ello se produce de forma espontánea. La naturaleza exacta del enlace depende de las particularidades de los especímenes implicados, pero el material adsorbido generalmente se clasifica como fisisorbido o quimisorbido. 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. Para estos procesos, resultan interesantes los materiales con una gran superficie interna, (y por lo tanto poco volumen) ya sea en polvo o granulados, como el carbón activo, y llevan asociados otros fenómenos de transporte de material, como el macro transporte y micro transporte de los reactivos.

La adsorción por carbón activado es una tecnología bien desarrollada capaz de eliminar eficazmente una amplia gama de compuestos tóxicos, produciendo un efluente de muy alta calidad.

Adsorción, donde hay partículas de adsorbato y una superficie adsorbente

Tipos de adsorción Los tipos de adsorción según la atracción entre soluto y adsorbente son 

Adsorción por intercambio: Ocurre cuando los iones de la sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie (p. ej. en las cercanías de un electrodo cargado).



Adsorción física o fisisorción: Se debe a las fuerzas de Van der Waals, y la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie; por ello es libre de trasladarse en la interfase.



Adsorción química o quimiosorción: Ocurre cuando el adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del adsorbente.

Fisisorción La fisisorción es la forma más simple de adsorción, y se debe a débiles fuerzas atractivas, generalmente fuerzas de Van der Waals (véase fuerzas dispersivas). Dado que estas fuerzas son omnipresentes, resulta que cualquier superficie limpia expuesta al ambiente rápidamente acumula una capa de material fisisorbido.

Quimisorción La quimisorción ocurre cuando se forma un enlace químico, definido en este caso como un intercambio de electrones. El grado de intercambio y lo simétrico que sea dependen de los materiales involucrados. A menudo hay un paralelismo con las situaciones

encontradas

en química

de

coordinación.

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 en 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. No hay que confundir quimisorción con ataque superficial; la corrosión no es una quimisorción, pero sí un ataque superficial. Termodinámica de la adsorción 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 este. 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, procedentes de un gas en contacto con su superficie. La adsorción es un proceso exotérmico y se produce por tanto de manera espontánea si el adsorbente no se encuentra saturado. 5 La aplicación más importante de la termodinámica de la adsorción es la de calcular los equilibrios de fase entre un sólido adsorbente y una mezcla gaseosa.

En este desarrollo, por simplicidad, solo tomaremos en consideración gases puros (monocomponentes). La base de todo este cálculo son las isotermas de adsorción, las cuales dan la cantidad de gas adsorbido en los nanoporos como una función de la presión externa (del gas). La termodinámica solo puede aplicarse a las isotermas de adsorción en el equilibrio. Esto significa que se debe poder llegar a cualquier punto de la curva elevando o disminuyendo la presión; en otras palabras, las curvas de adsorción y desorción tienen que coincidir. Esto ocurre solo si no existe histéresis. La histéresis no se da en poros menores de 2 nm, sin embargo, se observa en poros lo suficientemente grandes como para que en su interior se condense gas para formar líquido. La isoterma de adsorción para un gas puro es la relación entre la cantidad adsorbida específica n (moles de gas por kilogramo de sólido) y P, la presión exterior de la fase gaseosa. La mayor parte de isotermas se pueden ajustar mediante una ecuación del virial modificada:

donde K es la constante de Henry (el valor de la isoterma de adsorción dn/dP cuando la presión tiende a cero), m la capacidad de saturación del medio sólido (mol kg-1) y Ci son los coeficientes del virial. Normalmente tres coeficientes bastan para ajustar la curva a los datos experimentales. Nótese que las isotermas han de obtenerse a partir de la interpolación de datos experimentales, aunque existen también modelos moleculares, al margen de la termodinámica, de los que se pueden obtener teóricamente las propiedades del

sistema. La interpolación de las isotermas de adsorción respecto de la temperatura se basa en la ecuación.

donde h es la entalpía de adsorción diferencial, negativa porque la adsorción es un proceso exotérmico, como ya hemos comentado. El valor absoluto de h se denomina calor isostérico. Normalmente la entalpía diferencial se calcula a partir de la ecuación (2) haciendo uso de dos o más isotermas de adsorción. El gran potencial desempeña un papel fundamental en la termodinámica de la adsorción. Se define como:

donde F es la energía libre de Helmholtz. Las variables independientes son temperatura, volumen y potencial químico. Para adsorción en un gas puro, el gran potencial se obtiene a partir de la integración de una isoterma:

Ω se expresa en J kg-1 de adsorbente sólido. El significado físico del gran potencial es la variación de energía libre asociada a la inmersión isotérmica del adsorbente 'virgen' en el volumen del gas. La entalpía de inmersión H es la integral de la entalpía diferencial:

Al igual que Ω, tiene unidades de J kg-1. Una vez obtenidas la energía de inmersión (Ω) y la entalpía de inmersión (H), la entropía de inmersión es:

A partir de estas ecuaciones se puede hacer todo el análisis termodinámico en un sistema formado por un adsorbente y un gas. No debemos dejar de tener en cuenta que la determinación de la ecuación (1), de donde hemos derivado todas las demás, se hace a partir de mediciones experimentales.

Aplicaciones Extracción de humedad Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción en el mundo industrial, es la extracción de humedad del aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a través de un lecho de alúmina activa u otros materiales con efecto de adsorción a la molécula de agua. La saturación del lecho se consigue sometiendo a presión el gas o aire, así la molécula de agua es adsorbida por la molécula del lecho, hasta su saturación.

La regeneración del lecho, se consigue soltando al exterior este aire comprimido y haciendo pasar una corriente de aire presecado a través del lecho. Lo habitual es encontrar secadores de adsorción en forma de dos columnas y mientras una adsorbe, la otra es regenerada por el mismo aire seco de la columna anterior. Este sistema se conoce como pressure swing adsorbtion o PSA y conocido también como cambio de presión por vaivén. 

Generación de nitrógeno

La otra aplicación más extendida es la obtención de nitrógeno, haciendo pasar un caudal de aire comprimido por el lecho adsorbente, compuesto por carbón molecular, especialmente manufacturado para ese propósito. Usa el mismo sistema ya mencionado de pressure swing, de los secadores de adsorción. Una cámara llena de carbón es sometida a presión con aire comprimido, la molécula de oxígeno, es retenida por el nanoporo del carbón, mientras que la molécula de nitrógeno, de más tamaño, no consigue entrar en el nanoporo del adsorbente. Se consigue así disponer de gran cantidad de nitrógeno después del lecho adsorbente y el oxígeno queda retenido. En la segunda parte del ciclo, con la despresurización, el oxígeno se libera del nanoporo y se evacua a la atmósfera. Los generadores de nitrógeno usan este sistema y sus aplicaciones se han generalizado en la industria, en usos como la inertización de depósitos, de envases de productos alimenticios o farmacéuticos y en laboratorios, donde se usa el nitrógeno como gas portador o inertización de cámaras. 

Otros usos

Otras aplicaciones en las que se emplea este proceso de adsorción como separación son: purificación de agua, tratamiento de aguas residuales, quitar olores, sabores o

colores no deseados por ejemplo en aceites, jarabes de azúcar o en la deshumidificación de gasolinas.

El carbón activo es utilizado como adsorbente.

Esquema de una columna de adsorción de carbón activo