Adsorcin

AdsorcinLa adsorcin se usa habitualmente para recuperar compuestos en corrientes muy diluidas. Puede usarse de varias maneras incluyendo la fluidizacin del adsorbente, la circulacin de ste a travs del vapor o el paso de una corriente de gas a travs de un lecho fijo de carbn. Este ltimo es, con diferencia, el mtodo ms empleado. La siguiente figura muestra una torre de adsorcin de lecho fijo. Consiste en dos unidades, a travs de una de las cuales pasa la corriente de gas mientras se est regenerando la otra.Adsorcin de lecho fijo. Considrese carbn activado, el adsorbente msusado para la recuperacin de compuestos orgnicos voltiles de corrientes de gas. Perry (1984) establece que el carbn activado es capaz de adsorber 8 kg de acetona, un COV usado frecuentemente en las industrias electrnica y farmacutica, por cada 100 kg de carbn fresco. Por lo tanto, si una corriente de aire de 100 m3/h que contiene 1 kg de acetona por 100 m3 de aire, se pasa a travs de un lecho de 100 kg de carbn fresco, ste no debera adsorber mas acetona despusde 8 horas.

Si se midiera la concentracin de acetona en la corriente de salida, el perfil de dicha concentracin tendra un aspecto como el de la curva A de la siguiente figura En la prctica, sucede que se combinan varios factores que cambian la forma de dicha curva, dndo la forma de la curva B ms aproximada a la realidad. Esta discrepancia se debe a que las molculas de COV estn en equilibrio con la corriente gaseosa. El ingeniero usa el carbn activado para modificar este equilibrio y las molculas se oponen. Esto se llama resistencia a la transferencia de masa. Si no hubiera esta resistencia, la curva de concentracin de la salida aparecera exactamente como se muestra en la curva A, Cuanto mayor sea la resistencia, ms se desplazar la forma desde la curva A hasta la curva B. Adems, la adsorcin se produce en una franja estrecha del lecho de carbn, conocida como zona de adsorcin. Su anchura es proporcional a la forma de la curva de salida.

AdsorcinPor otro lado, debido a que el flujo a travs de la torre de adsorcin normalmente es un flujo en pistn, los COV no sern detectados en la corriente de salida hasta que alcancen la zona de adsorcin. Por ejemplo, el lecho de la figura, curva A, no tendra zona de adsorcin, mientras que en la curva B, sta sera ancha. As, se pueden identificar factores tales como:Es tericamente posible recuperar el 100 por 100 del COV.A mayor tamao de lecho, ms puede adsorberse con el 100 por 100 de eficiencia.La velocidad de transferencia de materia desde la fase gaseosa a la fase slida debe ser maximizada, minimizando as el tamao de la zona de adsorcinPerfiles de concentracin de salida, ideal y real, en la adsorcin.

Anlisis matemtico de la adsorcin de lecho fijo. Una curva tpica de salida viene dada de la siguiente figura. La velocidad con que la onda de adsorcin se mueve a travs del lecho est dada por:Donde:u = velocidad de la onda de adsorcin, m/sL = longitud del lecho, mtb = tiempo en el que se produce la ruptura (saturacin)La longitud de la zona de transferencia de masa (MTZ) viene dada por:

Si la concentracin de salida fuera como la mostrada en la figura el lecho se utilizara al mximo. Sin embargo, debido a la forma de la curva real deconcentracin de salida, se produce una cierta infrautilizacin del carbn. Esto se denomina habitualmente longitud no utilizada del lecho (LUB). Matemticamente, se expresa como: Perfil de concentracin ideal de salida en la adsorcin de lecho fijo.Donde: ts = tiempo en el que la concentracin de salida iguala a la mitad de la concentracin de entrada.Por supuesto, el parmetro ms importante es tb que se puede calcular a partir de la longitud del lecho:

Ejemplo: Evaluacin de una torre de adsorcin. Un lecho de carbn, que contiene 400 kg est adsorbiendo acetona. La saturacin o punto de ruptura se produce a los 70 minutos (tb) y la concentracin de salida iguala Un lecho a la mitad de la concentracin de entrada a los 80 minutos (ts). Calcular: la longitud (altura) del lecho no utilizado, la longitud (altura) de la zona de transferencia de masa(c) la velocidad de la onda de adsorcin.

En la adsorcin en lecho fijo las concentraciones en ambas fases varan con el tiempo y la posicin en el lecho. La transferencia de materia de la fase lquida a la slida ocurre en una zona del lecho denominada Zona de transferencia de Materia (MTZ). Antes de esta regin, el lecho est esencialmente saturado con el adsorbato mientras que ms adelante est prcticamente sin adsorbato ver figura. Cuando esta zona alcanza el final del lecho en la corriente de salida se comienza a detectar el adsorbato (Coulson y Richardson, 1991; Cussler, 1997; McCabe et al., 1991; Perry y Green, 1997; Rodrigues et al., 1989; Rousseau, 1987;Treybal, 1991).Perfil de concentracin con la posicin en un lecho fijo para diferentes tiempos

Los procesos de adsorcin se complementan con una etapa de desorcin ya que la regeneracin del slido suele ser preferible antes que su vertido. Los mtodos tpicos pueden conllevar: lavado qumico, purgas a elevadas temperaturas, cambios de presin en el caso de gases, etc (McKetta y Cunningham, 1976).Los factores que afectan a la adsorcin pueden clasificarse en tres grupos:Factores de capacidad, factores cinticos y factores fluidodinmicos. Los factores de capacidad son aquellos que determinan la distribucin de equilibrio de los solutos adsorbidos entre la fase lquida y slida esta influencia vendr representada por la isoterma de adsorcin. Los factores cinticos son aquellos que gobiernan la velocidad de transferencia de soluto de una fase a otra. Los factores fluidodinmicos pueden deberse al tipo de flujo del fluido o a sus propiedades que afectarn al tiempo de residencia y por tanto, al proceso de adsorcin (Rodrigues, 1989).

EQUILIBRIO DE ADSORCINLa adsorcin de una sustancia de una fase lquida sobre la superficie de un slido implica la distribucin de esa sustancia entre las dos fases en equilibrio. Esta distribucin generalmente se describe expresando la cantidad de sustancia adsorbida por unidad de masa de adsorbente, q, como una funcin de la concentracin del adsorbato en el fluido, C. Esta relacin depende considerablemente de la temperatura del sistema, por ello se obtiene a temperatura constante y se denomina Isoterma de Adsorcin. La isoterma de adsorcin es una caracterstica intrnseca de un sistema de adsorcin adsorbente-adsorbato concreto (Dabrowski, 2001).Se han desarrollado numerosas formas para estas isotermas de equilibrio (Do, 1998). La ms simple es la lineal:Implica que en el equilibrio, la concentracin en la fase lquida es directamente proporcional a la concentracin en la fase slida. Esta forma lineal generalmente describe correctamente el equilibrio a bajas concentraciones de la fase lquida.

Donde A(T) es la constante de equilibrio que generalmente es una funcin de la temperatura del tipo Arrhenius:Isotermas de adsorcin

Langmuir fue el primero en proponer una teora coherente, basada en un punto de vista cintico, para la adsorcin sobre una superficie plana. Esta teora se basa en que la velocidad de adsorcin es igual a la velocidad de desorcin y su modelo presenta las siguientes consideraciones:I) La superficie es homognea, lo que implica que la energa de adsorcin es la misma es todos los puntos.II) La adsorcin est localizada en determinados puntos de la superficie.III) Cada punto de la superficie slo puede acomodar a una molcula o tomo.

Langmuir propuso la siguiente expresin:Donde qmax es la concentracin mxima y Ka es una constante del equilibrio de adsorcin.

A muy bajas concentraciones la ecuacin de Langmuir es lineal. Para el caso de lquidos esta expresin se generaliza:Donde a y b no tienen que ser qmax y Ka; pero ajustarn los datos experimentalesEn el caso de lquidos tambin se pueden conseguir buenos ajustes con laisoterma de Freundlich:La ecuacin de Freundlich es una de las primeras ecuaciones empricas empleadas para describir equilibrios de adsorcin.Una combinacin emprica de las ecuaciones de Langmuir y Freundlich que con frecuencia proporciona un mejor ajuste para los datos experimentales es la siguiente ecuacin (Fritz y Schluender, 1974).

Brunauer, Emmett y Teller (1938) desarrollaron varias isotermas que son conocidas como isotermas BET. Se basan en la posibilidad de que la adsorcin se pueda realizar en mltiples capas y en cada capa se cumplen los mismos principios que declaraba Langmuir en su teora. Extendiendo su expresin para sistemas lquidos, se reemplaza la presin de saturacin del vapor por la solubilidad del adsorbato, Cs, quedando de la siguiente manera:Esta teora permite ajustar formas muy diversas de curvas que se reconocen como Tipo I a Tipo V en funcin de su curvatura.

Existe otra clasificacin para las curvas isotermas de Giles et al. (1960) exclusivas para sistemas lquidos. La clasificacin se divide en cuatro categoras (denominadas tipo S, L, H y C) con subdivisiones para cada tipo como puede apreciarse en la siguiente figuraClasificacin de isotermas para adsorcin en lquidosS es convexa L es cncavaH fuerte adsorcin del adsorbato > Pendiente a < concentraciones; C comportamiento lineal en el rango de adsorcin.

ADSORBENTES

CARBN ACTIVADOAlgunas de sus mltiples aplicaciones son: purificacin de gases, mscaras antigs (Yoon y Nelson, 1984), recuperacin de disolventes, control de la contaminacin, decoloracin de azcar, purificacin de alcohol, adsorcin de vapores de gasolina procedentes de automviles, etc. (Lankford y Eckenfelder, 1990; Misra, 1986).ZEOLITASLas zeolitas son aluminosilicatos cristalinos porosos: Cx/n [(Al O2)x (SiO2)y] . z H2O

Este tipo de adsorbente se emplea, por ejemplo, para el secado de gases o lquidos, eliminacin de CO2 o H2S, separaciones de alcohol y agua o N2 y O2 del aire, etc. (Coulson y Richardson, 1991; Mose et al., 2001; Wankat, 1994).

SLICA GEL Es un slido amorfo compuesto de partculas esfricas deslice, SiO2. Se produce a partir de la siguiente reaccin:Na2SiO3 + 2 HCl + n H2O 2 NaCl + SiO2 . n H2O + H2ODentro de las aplicaciones del gel de slice no slo aparece la adsorcin de agua (Carter y Barrett, 1973; Eaves y Sewell, 1964; Sircar et al., 1970) sino tambin la adsorcin de compuestos orgnicos como el benceno u otros (Valenzuela y Myers, 1989).LAS RESINAS POLIMRICASSe han venido usando durante aos en intercambio inico. Con el paso del tiempo, estas resinas se han usado para la adsorcin de compuestos orgnicosdisueltos en agua (Fox, 1985; Hand et al., 1999), aplicacin en la que compiten con el carbn activado; y aunque en algunos casos sean ms caros, el coste global de la operacin puede ser menor en el caso de tratar corrientes residuales concentradas (Wankat, 1994).Mobil Oil Corporation ha desarrollado una nueva familia de materiales mesoporosos llamados materiales MCM (Mobil Composition of Matter) cuya principal peculiaridad es que poseen poros uniformes (Dabrowski, 2001).

ALUMINALas aplicaciones especficas de la almina se pueden encontrar por ejemplo en los siguientes campos industriales (Martinswerk, 2000; Rhne-Poulenc, 1999; UOP, 1999):

Procesado de gas natural, como catalizadores en unidades de conversin de azufre Claus. Secado de gases. En el procesado de etileno, para el secado de gases o la adsorcin de vanadio. En el refino de petrleo, como catalizadores en unidades de conversin de azufre Claus; eliminacin de cloruro de hidrgeno o cloruros orgnicos en corrientes; para eliminar flor de butano o propano en corrientes de procesos de alquilacin o como soporte de lechos. En tratamiento de aguas, para adsorber de fosfatos, arsnico o fluoruros.

Aplicaciones de la adsorcin