Adorción- Intercambio Iónico
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8/19/2019 Adorción- Intercambio Iónico
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INTRODUCCIÓN
Una gran parte de las operaciones unitarias en la industria química involucra laseparación de una mezcla de varios componentes en una corriente que entra o
sale de un proceso específico. Estas operaciones se denominan operaciones
difusionales o de transferencia de masa. Las operaciones de separación más
comunes en Ingeniería Química son Absorción de ases! "estilación!
E#tracción Líquido$Líquido % Li#iviación! entre otras.
El uso de un m&todo específico de separación depende de las propiedades de
los componentes en la mezcla original! por ello el ingeniero debe ser capaz de
dimensionar adecuadamente el equipo de separación %a que &ste tiene una
influencia que se estima oscila entre el '( % )( * de los costos de inversión %
operación de una planta química típica.
El dise+o de equipo de separación está basado en gran medida en la
distribución de equilibrio de las fases presentes. "ebido a su importancia en el
dise+o de procesos! el ingeniero químico debe estar capacitado para calcular datos de equilibrio cuando &stos no est&n disponibles en la literatura.
El presente traba,o tiene como finalidad! estudiar en un mismo tema la
adsorción % el intercambio iónico en lec-os! resaltando su carácter cíclico % la
necesidad de regeneración! presentar los diferentes tipos de absorbentes %
resinas de intercambio utilizados industrialmente! sus principales propiedades %
aplicaciones considerar las diversas etapas que debe seguir el soluto en estos
procesos basados en el dise+o/ tipo! tama+o % forma del sólido! caídas de
presión en el lec-o! direcciones de flu,o! calefacción directa o indirecta en
regeneración! entre otros.
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0inalmente contribuir con la formación del futuro profesional del área de
Ingeniería Química de forma integral complementando la información recibida
dentro del componente teórico.
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1.1 CONCEPTO DE ADSORCION
Es un proceso de separación en el que ciertos componentes de una fase fluida2 o L3 se transfieren -acia la superficie 2e#terna o interna3 de un sólido
adsorbente! en t&rminos generales! es la captación de sustancias solubles
presentes en la interfase de una solución. Esta interfase puede -allarse entre
un líquido % un gas! un sólido! o entre dos líquidos diferentes. A pesar de que la
adsorción tambi&n tiene lugar en la interfase aire$líquido en el proceso de
flotación! en esta sección sólo se considerará la adsorción en la interfase entre
líquido % sólido. El proceso de adsorción no se -a empleado demasiado a
menudo -asta el momento! pero la necesidad de una ma%or calidad del efluente
de los tratamientos de aguas residuales -a conducido a un estudio más
detallado del proceso de adsorción sobre carbón activado % de sus
aplicaciones.
4
5elícula E#terna
0lu,o convectivo 067
8ransferencia de 9ateria E#terna
"ifusión Interna! "e
6ólido
5oro
Isoterma Adsorción2sólido:poro3
7i 7
7s
;d
;a
;f
8res concentraciones de soluto/2fase líquida 7! poros 7 i!adsorbente 7s3
Figura N° 1: 9ecanismo de Adsorción
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El proceso de adsorción tiene lugar en tres etapas/ macrotransporte!
microtransporte % sorción. El macrotransporte engloba el movimiento por
advección % difusión de la materia orgánica a trav&s del líquido -asta alcanzar la interfase líquido$sólido. 5or su parte! el microtransporte -ace referencia a la
difusión del material orgánico a trav&s del sistema de macroporos del carbón
activado granular -asta alcanzar las zonas de adsorción que se -allan en los
microporos % submicroporos de los gránulos de carbón activado.
La adsorción se produce en la superficie del gránulo % en sus macroporos %
mesoporos! pero el área superficial de estas zonas del 7A es tan peque+a
comparada con el área de los micro % submicroporos! que la cantidad de
material adsorbido en ellos se considera despreciable. El uso del t&rmino
sorción se debe a la dificultad de diferenciar la adsorción física de la adsorción
química! % se emplea para describir el mecanismo por el cual la materia
orgánica se ad-iere al 7A. El equilibrio se alcanza cuando se igualan las
tasas de sorción % desorción! momento en el que se agota la capacidad de
adsorción del carbón. La capacidad teórica de adsorción de un determinado
contaminante por medio del carbón activado se puede determinar calculando suisoterma de adsorción.
La cantidad de adsorbato que puede retener un adsorbente es función de las
características % de la concentración del adsorbato % de la temperatura. En
general! la cantidad de materia adsorbida se determina como función de la
concentración a temperatura constante! % la función resultante se conoce con el
nombre de isoterma de adsorción.
El tratamiento del agua residual con carbón activado suele estar considerado
como un proceso de refino de aguas que %a -an recibido un tratamiento
biológico normal. En este caso! el carbón se emplea para eliminar parte de la
materia orgánica disuelta. Asimismo! es posible eliminar parte de la materia
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particulada tambi&n presente! dependiendo de la forma en que entran en
contacto el carbón % el agua.
La adsorción inclu%e la acumulación de mol&culas de soluto en una interfase
2que inclu%e gas = líquido! como! por e,emplo! en las separaciones por
fraccionamiento de espuma! % líquido = líquido3. La acumulación por unidad de
área es peque+a por consiguiente! se prefieren los sólidos altamente con áreas
internas mu% grandes por unidad de volumen. eneralmente! las superficies
son irregulares % las energías de enlace 2debidas básicamente a las fuerzas de
>an der ?aals! como en la condensación del vapor3 varían considerablemente
de un lugar a otro. 6in embargo! con @mallas moleculares se proporcionan las
superficies de adsorción a trav&s de canales o cavidades en el interior de una
estructura macrocristalina las mallas tienen una alta uniformidad de superficie
de adsorción! con una energía de unión casi constante.
La adsorción tiene una e#tensa aplicación en el área farmac&utica! de de los
laboratorios de investigación! en ciertos procesos industriales % en el área de la
seguridad industrial. Entre las aplicaciones de la adsorción en fase líquida estánla eliminación de compuestos orgánicos del agua o de soluciones orgánicas! la
eliminación de impurezas coloreadas de sustancias orgánicas % la eliminación
de diversos productos de fermentación de las descargas de los fermentadores.
Las separaciones inclu%en la de parafinas de compuestos aromáticos % la de
fructuosa de glucosa utilizando zeolitas. Las aplicaciones de la adsorción en
fase gaseosa inclu%en la eliminación de agua de -idrocarburos gaseosos! la de
componentes azufrados del gas natural! la de disolventes del aire % de otros
gases! % e olores del aire.
En general se identifican dos tipos básicos de adsorción/ la adsorción física! o
fisiadsorción % la adsorción química! o quimiadsorción. La diferencia entre ellas
radica en el tipo de interacciones entre el adsorbente % el adsorbato. En la
B
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adsorción física las interacciones predominantes son de tipo van der ?aals!
mientras que en la adsorción química las interacciones seme,an enlaces
químicos. Esto da lugar a entalpías de adsorción mu% diferentes/ alrededor deCD 1(;F:mol para la fisiadsorción % cerca de CD 1(( ;F:mol para la
quimiadsorción. La formación de enlaces durante la adsorción química -ace
que el proceso sea más selectivo! es decir! que dependa marcadamente de la
naturaleza de las sustancias involucradas.
A temperaturas ordinarias! la adsorción es causada por lo general por las
fuerzas intermoleculares en vez de por la formación de nuevos enlaces
químicos %! en este caso! se conoce como adsorción física o fisisorción. A
temperaturas más elevadas 2arriba! apro#imadamente de 1((G0 o
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"el mismo modo! se citan los usos de la adsorció ! "a #as! gas!osa! que
inclu%en/
• La recuperación de disolventes en el aire de salida de una cámara de
evaporación 2rocío de las pinturas! lavado en seco de la ropa!
procesamiento de un polímero3.
• El secado de gases 2la desecación en paquete es un caso especial3.
• La purificación del aire de entrada! circulación o salida para la eliminación de
gases tó#icos! olores! aerosoles! entre otros.
• El fraccionamiento de gases/ -idrocarburos de ba,o peso molecular! gasesraros e industriales.
1.$ TIPOS DE A%SORCION
5rincipalmente se definen dos tipos de fenómenos de adsorción/ físicos %
químicos/
La adsorció #&sica! o adsorción de @van de ?aals! fenómeno
fácilmente reversible! es el resultado de las fuerzas intermoleculares de
atracción entre las mol&culas del sólido % la sustancia adsorbida. 5or
e,emplo! cuando las fuerzas atractivas intermoleculares entre un sólido %
un gas son ma%ores que las e#istentes entre mol&culas del gas mismo! el
gas se condensará sobre la superficie del sólido! aunque su presión sea
menor que la presión de vapor que corresponde a la temperatura
predominante. 7uando ocurra esta condensación! se desprenderá ciertacantidad de calor! que generalmente será algo ma%or que el calor latente
de evaporación % parecida al calor de sublimación del gas. La sustancia
adsorbida no penetra dentro de la red cristalina ni se disuelve en ella! sino
que permanece totalmente sobre la superficie. 6in embargo! si el sólido es
'
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mu% poroso % contiene muc-os peque+os capilares! la sustancia adsorbida
penetrará en estos intersticios si es que la sustancia -umedece al sólido.
La presión de vapor en el equilibrio de una superficie líquida! cóncava % deradio de curvatura mu% peque+o! es menor que la presión de una gran
superficie plana la e#tensión de la adsorción aumenta por consecuencia.
En cualquier caso! la presión parcial de la sustancia adsorbida es igual! en
el equilibrio! a la presión de la fase gaseosa en contacto disminu%endo la
presión de la fase gaseosa o aumentado la temperatura! el gas adsorbido
se elimina fácilmente o se resorbe en forma invariable.
'u!(isorció! o adsorción activada! es el resultado de la interacción
química entre el sólido % la sustancia adsorbida. La fuerza de la unión
química puede variar considerablemente % puede suceder que no se
formen compuestos químicos en el sentido usual empero! la fuerza de
ad-esión es generalmente muc-o ma%or que la observada en la adsorción
física. El calor liberado durante la quemisorción es comHnmente grande!
es parecido al calor de una reacción química. El proceso frecuentemente
es irreversible en la deserción! de ordinario se descubre que la sustanciaoriginal -a sufrido un cambio químico. La misma sustancia! que en
condiciones de ba,a temperatura! sufrirá esencialmente sólo la adsorción
física sobre un sólido! algunas veces e#-ibe quemisorción a temperaturas
mas elevadas además! los dos fenómenos puede ocurrir al mismo tiempo.
1.) TIPOS DE A%SOR%ENTES
Los sólidos absorbentes por lo general se utilizan en forma granular varían de
tama+o desde apro#imadamente J1 mm de diámetro -asta granos tan
peque+os de B(µ. Los sólidos deben poseer ciertas propiedades relativas a la
ingeniería! segHn la aplicación que se les va%a a dar.
K
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5arece esencial una gran superficie por unidad de peso para todos los
adsorbentes Htiles. En particular! en el caso de la adsorción de gases! la
superficie significativa no es la superficie total de las partículas granulares quegeneralmente se utilizan! sino la superficie muc-o ma%or de los poros internos
de las partículas. Los poros generalmente son mu% peque+os! algunas veces
de unos cuantos diámetros moleculares de anc-o! pero su gran nHmero
proporciona una enorme superficie para la adsorción.
Algunos de los principales absorbentes! se describen a continuación/
1.).1 Car*ó ac+i,ado/ &ste es un material microcristalino que proviene de la
descomposición t&rmica de madera! cortezas vegetales! carbón! etc.! %
tiene áreas superficiales de 4(( a J1(( m1:g con un promedio de
diámetro de poro de J( a ( . Las sustancias orgánicas generalmente
se adsorben con carbón activado.
El carbón puede e#istir en diferentes formas en estructuras cristalinas o
amorfas. Los diamantes % el grafito son las formas en que me,or se conoce elcarbón % sus usos son bien conocidos % documentados. Las formas amorfas
inclu%en el carbón negro! las fibras de carbón % los carbones porosos! todos
ellos se obtienen al calentar o quemar! ba,o condiciones controladas! materiales
carbonosos tales como el carbón! las cascaras de coco! la madera! la turba! el
lignito % el petróleo. El material carbónico es generalmente sólido % de origen
natural.
Los carbones porosos se obtienen como un residuo despu&s de e#traer los
componentes volátiles de los materiales carbónicos mediante un proceso termal
2de la calcinación 3 por ausencia del aire. Los productos más importantes son el
coque % el carbón vegetal o animal % las industrias de -ierro % acero los utilizan
)
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en grandes cantidades. El carbón vegetal o animal provee la materia prima para
el carbón activado.
Producció d! Car*o!s Ac+i,ados
El carbón vegetal o animal necesita tratamiento más amplio con el fin de
desarrollar las e#tensa estructura porosa interna que caracteriza el carbón
activado. La capacidad de adsorción se determina en gran parte por el grado de
desarrollo de la estructura porosa interna! así como por la naturaleza de la
superficie química del carbón 2ácido o alcalino3. A pesar de que el carbón
activado se puede preparar en el laboratorio partiendo de una gran cantidad demateriales! es comHn utilizar la cáscara de coco! la madera! el carbón % la turba
en la producción comercial. El m&todo mas comHn de activación del carbón es
la producción de activación por medio de vapor! que se realiza en dos etapas.
5rimero el material se carboniza en un producto intermedio! cu%os poros son
demasiado peque+os o demasiado contraído como para que sean un
absorbente Htil. El agrandar la estructura porosa! para producir un área de
superficie interna accesible! se logra al producir una reacción del producto
carbonizado con vapor a una temperatura entre los K((M7 % los J(((M7.
La reacción ocurre en todas las superficies internas del carbón por lo tanto
aumenta el tama+o del poro. El control de la temperatura es crítico. 6i la
temperatura es inferior a K((M7! la velocidad de la reacción es demasiado lenta!
por lo que es poco económica 2el costo de energía para abrir la estructura del
poro aumenta mientras que el rendimiento desciende3. La reacción es corrosiva
cuando supera los J!(((M7! concentrándose en las capas e#ternas de las
partículas del carbón reduciendo el tama+o e cada partícula % de,ando el
interior inactivo.
J(
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El control cuidadoso del proceso de activación del vapor permite que el tama+o
del poro se altere para a,ustarse a una amplia gama de aplicaciones
especificas. 5ara la adsorción de las mol&culas más peque+as en lassoluciones liquidas! por e,emplo la purificación de agua! la estructura del poro
obviamente no tiene que agrandarse tanto como para la adsorción de mol&culas
de ma%or tama+o.
El carbón activado se puede producir en polvo! en gránulos en pellets %:o
esferas. 6e utilizan -ornos de fundición o rotatorios o verticales dependiendo de
las preferencias individuales de cada fabricante. 7uando las pruebas de
laboratorio determinan que se disminu%o el poder adsorbente! el carbón se
puede reactivar en un -orno 2 rotarios 3 % reutilizarse nuevamente.
La Es+ruc+ura d!" Poro
6e pueden distinguir tres tipos de poro en carbón activado/
1. 9icroporo 2($1( Ang3
2. 5oro transitorios 21($B(( Ang3$. 9acroporos 2NB(( Ang3
La ma%or porción del área de superficie se derivan del microporo de diámetro
peque+o % de las regiones porosas transitorios de diámetro mediano. 6e -a
descubierto que en las aplicaciones de fases líquidas % gaseosos los
microporos son más efectivos en atrapar mol&culas peque+as. La región del
poro transitorio se a,usta me,or a la adsorción de especies moleculares más
grandes como por e,emplo en las mol&culas de color.
La materia prima de un carbón acribado ,uega un papel importante al
determinar la -abilidad del producto final para adsorber ciertas especies
moleculares. Los carbones activados derivados de la cáscara de coco muestran
JJ
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un predominio en microporos! mientras que los carbones activados derivados
del carbón mineral tienen un ma%or rango de poros transitorios.
7uando se utilizan la turba o la madera como materia prima se logra la
conversión de una estructura macroporosa e#tensa. El gráfico anterior muestra
la distribución de los tama+os de los poros en estos materiales.
5ara los carbonos con predominio en microporos! el área de la superficie
interna es increíblemente grande. 9uc-os carbones activados tienen áreas
internas que van de los B(( a los J!B(( metros cuadrados por gramo! % es esta
enorme área la que les permite ser adsorbentes efectivos.
>isto de otra manera! solo una libra del carbón activado a )B( m 1:g tiene un
área de superficie equivalente a J(( canc-as de fHtbol americano!
"ependiendo de su tama+o! todos los compuestos orgánicos serán adsorbidos
selectivamente en los poros del carbón activado.
1.).2 Car*o!s I(-r!gados
6e les llama carbones impregnados a aquellos carbones activos que -an sido
químicamente cubiertos o tratados. Estos adsorbentes especializados están
disponible en forma de pellets o granular % proveen tecnología de tratamiento
avanzada para muc-a aplicaciones industriales o municipales. El carbón
activado impregnado adsorbe % retiene gases específicos por suficiente tiempo
como para que el impregnante químico reaccione con el contaminante % formen
un compuesto fi,o o estable dentro del carbón! eliminando de esta manera el
contaminante del flu,o.
Los carbones activados no específicamente formulados para aquellos
compuestos químicos difíciles de controlar con los carbones activados
estándares. E,emplos de estos compuestos inclu%en/ amoniaco! mercurio!
J1
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bió#ido de azufre! sulfuro -idrogenado! etileno! cloruro -idrogenado! cloruro de
%oduro metílico! formalde-ído! % cianuro -idrogenado. 8ambi&n se -an dise+ado
los carbones especializados para industrias especificas! tales como loscarbones impregnados con sales de plata utilizados para controlar el
crecimiento bacterial en los filtros de agua potable
El numero de aplicaciones para el carbón activado es virtualmente infinito. La
siguiente lista es una muestra representativa/
INDUSTRIAAPLICACION CONTA/INANTES ELI/INADOS
Ad-esivos 8olueno! acetatos alco-oles5roducción de baterías 9ercurio7elofán Acetona6istemas de computación Didrogeno sulfurado! gases ácidosLavado en seco 5ercloroetileno5rotección de componentes electrónicos Didrogeno sulfurado! cloro9uebles de espuma 0ormalde-ído7ampanas de ventilación Amoniaco! mercurio! formalde-ído! %odo radioactivo!
arsine % fosfenos9inería 9ercurioDospitales O#ido de Etileno! formalde-ídoDidrogenizacion 9ercurioPespiradores industriales ases ácidos! amoniaco! mercurio %odo radiactivo.
8ratamiento de agua dom&stico acteriostatico 2disminución del crecimiento bacterialpor el carbón3
Laboratorios ases ácidosPespiradores militares ases de guerra9useos! purificación del aire "ió#ido sulfHrico5lantas de energía nuclear Rodo radiactivo5etroquímicos Amoniaco! gases ácidosImprenta % empaque 8olueno! #ileno! acetatos! alco-oles8ratamiento de agua potable 89D! >O7! sabor % aroma! clororan,as avícolas ! desec-o animal Amoniaco7uraciones:terapias Orgánicos/ inclu%endo -idrocarbonos clorinados7auc-o 7etona! etílica metílica! tolueno! -e#anoIndustrias de semiconductores Arsine! fosfenos
5lantas de tratamiento de agua s sucias Didrogeno sulfurado Artículos deportivos De#ano>apores de fundición "ió#ido de sulfuro! dió#ido de nitrógeno
J4
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1.).$ 0!" d! s&"ic!: este adsorbente se fabrica tratando con ácido una solución
de silicato de sodio % luego secándola. 8iene un área superficial de (( aK(( m1:g % un promedio de diámetro de poro de 1( a B( . 6e utiliza
principalmente para des-idratar gases líquidos % para fabricar
-idrocarburos.
1.4.4 Ti!rras d! Fu""!r: son arcillas naturales principalmente son silicatos de
aluminio % magnesio! ba,o la forma de atapulgita % montmorillonita. La
arcilla se calienta % se seca! % durante esta operación desarrolla una
estructura porosa! es molida % cernida. Los tama+os que se consiguen
comercialmente van desde grandes gránulos -asta polvos finos. Las
arcillas son particularmente Htiles para decolorar! neutralizar % secar
productos del petróleo como aceites lubricantes! aceites de
transformador! querosenos % gasolinas! lo mismo que aceites vegetales %
animales.
1.4.5 A"(ia ac+i,ada: para preparar este material se activa el ó#ido dealuminio -idratado calentándolo para e#traer agua. 6e usa ante todo
para secar gases % líquidos. Las áreas superficiales fluctHan entre 1(( %
B(( m1:g con un promedio de diámetro de poro de 1( a J
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principalmente en la refinación del azHcar puede volverse a utilizar
despu&s de lavado % quemado.
1.4.8 4!o"i+as +i-o +a(i5 (o"!cu"ar: estas zeolitas son aluminosilicatos
cristalinos porosos que forman una red cristalizan abierta que tiene poros
de uniformidad precisa. 5or tanto! el tama+o uniforme del poro es
deferente al de otros tipos de adsorbentes que tienen una gama de
tama+os de poro. La diversas zeolitas tienen tama+os de poro que van
cerca de 4 a J( . Las zeolitas se usan para secado! separación de
-idrocarburos % de mezclas % muc-as otras aplicaciones.
1.4.9 Po"&(!ros o r!sias si+6+icas: se fabrican polimerizando dos tipos
principales de monómeros. Los que se generan a partir de compuestos
aromáticos como el estireno % el divinilbenceno se usan para adsorber
compuestos orgánicos no polares de soluciones acuosas. Los que
provienen de &steres acrílicos se utilizan para solutos mas polares en
soluciones acuosas.
JB
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1.7 E'UILI%RIO DE ADSORCION
Los datos de equilibrio para adsorción se presentan por lo general en forma deisotermas de adsorción. Estos datos son necesarios para poder aplicar la
ecuación de dise+o. Además! tambi&n es necesario conocer los coeficientes de
transferencia de adsorción. 5or lo general! estos coeficientes sólo se
encuentran disponibles para condiciones específicas más que como
correlaciones generales. 5or consiguiente! el dise+o de equipo debe efectuarse
usando datos que se aseme,en a las condiciones de dise+o.
5or otra parte! la ma%oría de los datos e#perimentales con respecto a la
adsorción representan mediciones de equilibrio. 9uc-os se obtuvieron en un
esfuerzo por corroborar una u otra teoría de las muc-as presentadas para tratar
de e#plicar el fenómeno de la adsorción. So se -a elaborado aHn una teoría que
e#plique satisfactoriamente a lo sumo la ma%oría de las observaciones por lo
tanto! este análisis se limita a describir las características de adsorción
observadas más comHnmente.
6e -an propuesto muc-as ecuaciones para el equilibrio de adsorción! que
parten de consideraciones tanto e#perimentales como teóricas. Una de las más
antiguas % sencillas es la de Langmuir! que da una interpretación acertada del
comportamiento de la adsorción % de la catálisis de superficie. 5ara su
deducción se -an supuesto las siguientes condiciones ideales / Que no -a%
interacción entre las mol&culas adsorbidas! que las superficies son lisas %
tienen capacidad de adsorción uniforme! % que solamente se forma una capa
monomolecular de adsorbato. Aplicada a reacciones quíimicas! esta teoría se
conoce con el nombre de mecanismo de Langmuir$Dins-elTood. Dougen %
Tatson -an -ec-o otras aplicaciones sistemáticas.
J
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En el estudio de la cin&tica de reacción se -an aplicado otras teorías sobre la
adsorción. runauer! Emmett % 8eller ampliaron la teoría de Langmuir! %
formularon una ecuación! llamada generalmente ecuación de E8! es de granutilidad para la medida del área de superficie de partículas. La conocida
isoterma de 0reundlic- conduce a e#presiones sencillas % frecuentemente se
aplica a ecuaciones cin&ticas. 8em;in % 5%z-ev propusieron una ecuación de
adsorción que conduce a mu% buenos resultados para la cin&tica de la síntesis
del amoníaco esta ecuación tiene en cuenta la -eterogeneidad de la superficie!
% se deriva de la de Langmuir ba,o la suposición de que el calor de adsorción
disminu%e linealmente a medida que aumenta la superficie recubierta.
La isoterma de adsorción es la relación de equilibrio entre la concentración en la
fase fluida % la concentración en las partículas de adsorbentes a una
temperatura determinada. 5ara el caso de gases la concentración viene
generalmente dada como fracción molar o como presión parcial. 5ara líquidos
la relación se e#presa -abitualmente en unidades de masa! tales como partes
por millón. La concentración de adsorbato sobre el sólido viene dada como
masa adsorbida por unidad de masa de adsorbente original.
a Adsorció d! 0as!s 8 9a-or!s So*r! Só"idos.
Las características de la adsorción en el equilibrio de un gas o vapor sobre un
sólido son similares a la solubilidad en el equilibrio de un gas en un líquido.
7omo regla general! los vapores % gases se absorben mas fácilmente cuantoma%or es su peso molecular % menor su temperatura crítica! aunque las
diferencias químicas como el grado de instauración de la mol&cula tambi&n
influ%en sobre el grado de adsorción.
J'
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7uando un gas o vapor entra en contacto con una superficie sólida limpia! parte
del mismo se une a la superficie en forma de una capa adsordiba. Al sólido
generalmente se le llama el adsorbente % al gas o vapor el adsorbato. 8ambinpuede ocurrir que tenga lugar una absorción uniforme al seno del sólido % como
no siempre se puede distinguir e#perimentalmente la adsorciVn % la absorciVn!
se utiliza en muc-os casos el t&rmino genrico sorciVn para describir el
fenVmeno general de la toma de gases por sVlidos.
7ualquier sVlido es capaz de adsorber una cierta cantidad de gas la magnitud
de la adsorciVn en el equilibrio depende de la temperatura! presiVn del gas % del
Wrea eficaz de la superficie del sVlido. Los me,ores adsorbente son! por consiguiente! sVlidos mu% porozos! tales como carbVn % gel de sXlice 2que tienen
superficies internas grandes! de -asta Y J((( m1:g$J3 % los polvos mu% finos. La
relaciVn e#istente! a una temperatura dada! entre la cantidad de gas adsorbido
en el equilibrio % la presiVn del mismo! es lo que se conoce como isoterma de
adsorciVn.
La adsorciVn reduce el desequilibrio de fuerzas atractivas que e#iste en una
superficie!%! por lo tanto! la energXa libre superficial de un sistema -eterogneo.En este aspecto! las consideraciones energticas relacionadas con las
superficies sVlidas son! en principio! las mismas que %a se -an discutido para
las superficies lXquidas. Las principales diferencias entre las superficies sVlidas
% lXquidas provienen del -ec-o de que las primeras son -eterogneas en lo que
se refiere a la actividad! con propiedades que dependen den ciertas medida del
tratamiento previo.
C"asi#icació d! Las Iso+6r(as d! Adsorció
En la adsorción física pueden intervenir tres fenómenos/
1. Adsorción monomolecular.
JK
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2. Adsorción multimolecular.
$. 7ondensación en poros o capilares.
Ecuacio!s d! "as Iso+!r(as
En numerosas ocasiones se -a intentado! a partir de mecanismos de adsorción
supuestos! desarrollar e#presiones matemáticas que se a,usten a las distintas
curvas isotermas e#perimentales. Las ecuaciones isotermnas que se usan con
ma%or frecuencia son las propuestas por Langmuir! 0reundlic- % por runauer!
Emett ;% 8eller 2E83.
J. Iso+!r(a d! adsorció d! Lag(uir . Antes de J)J las teorías sobre
adsorción postulaban bien la e#istencia de una película de líquido condensado
o de una capa gaseosa comprimida cu%a densidad disminuía a medida que
aumentaba la distancia de la superficie. Langmuir 2J)J3! basándose en la
rapidez con que las fuerzas intermoleculares disminu%en al aumentar la
distancia! supuso que las capaz adsorbidas no deben tener un espesor ma%or
que el de una mol&cula. en la actualidad esta opinión se admite generalmente
para la quimisorción % para la adsorción física a presiones ba,as % temperaturas
moderadamente altas.
La isoterma de adsorción de Langmuir se basa en los siguientes supuestos/ a3
solo tiene lugar una adsorción monomolecular! b3 la adsorción es localizada % c3
el calor de adsorción es idependiente del recubrimiento de la superficie. 6e
-ace una derivación cin&tica en la que se igualan las velocidades de adsorción
% desorción para dar una e#presión que represente el equilibrio de adsorción.
Así pues! cuando se establezca el equilibrio de adsorción/
5 2 J $ > : >m 3 e#p 2 $ E : P8 3 ; 2 > : >m 3 e#p 2 $ EZ : P8 3
J)
-
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donde ; es una constante de proporcionalidad.
6ustitu%endo/
5:> 5:>m [ J:a>m
es decir! una representación de 5:> frente a 5 debe dar una línea recta de
pendiente J:>m % una ordenada en el origen J:a>m.
A presiones peque+as! la isoterma de Langmuir se reduce a >>ma5! lo que
significa que el volumen de gas adsorbido varía linealmente con la presión. Apresiones altas se alcanza un recubrimiento límite >>m. La curvatura de la
isoterma a presiones intermedias depende del valor de la constante a %! por
tanto! de la temperatura.
El criterio más importante a la ecuación de adsorción de Langmuir se centra
en la simplificación introducida al suponer que el calor de adsorción es
independiente del recubrimiento de la superficie! lo que! no es probable.
1. La isoterma de adsorción de Freundlich o clásica. La variación de la
adsorción con la presión puede representarse con frecuencia! a presiones
moderadamente ba,as! por la ecuación
> ;5J:n
donde ; % n son constantes 2n es generalmente ma%or que la unidad3.
8omando logaritmos
log> log; [ J:nlog5
1(
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es decir! la representación de log > frente a log 5 debe dar una línea recta.
*. L&uido;Só"ido
7uando un adsorbente sólido se sumerge en un líquido puro! la evolución de
calor! conocida como el calor de -umectación! es prueba de que ocurre la
adsorción del líquido. La inmersión no proporciona una m&todo efectivo para
medir la e#tensión de la adsorción. El volumen del líquido no muestra un
cambio apreciable que pudiera utilizarse para medir la adsorción asimismo la
separación del sólido % su pesado no permitirá distinguir entre el líquido que seadsorbió % el que esta mecánicamente ocluido. Este problema no e#iste en la
adsorción de gases! en donde se mide fácilmente el cambio de peso del sólido
debido a la adsorción.
Adsorció d!" so"u+o a -ar+ir d! so"ucio!s di"uidas:
7uando un adsorbente se mezcla con una solución binaria! ocurre tanto la
adsorción del soluto como del disolvente. 5uesto que la adsorción total no se
puede medir! se determina! en lugar de esta! la adsorción relativa o aparente.
El procedimiento acostumbrado es tratar un volumen conocido de solución con
un peso conocido de adsorbente! v volumen solución:masa adsorbente. 7omo
resultado de la adsorción preferente de soluto! se observa que la concentración
de soluto del líquido cae del valor inicial c o al valor final en el equilibrio c\ masa
soluto:volumen líquido.
La adsorción aparente de un soluto dado depende de la concentración de
soluto! la temperatura! el disolvente % el tipo de adsorbente. En la figura >bJ se
muestran isotermas típicas. El grado de adsorción de un soluto determinado
1J
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practicamente decrece siempre que aumenta la temperatura generalmente es
ma%or cuanto menor es la solubilidad en el disolvente.
La !cuació d! Fr!ud"ic3:
En un rango peque+o de concentración! % en particular para soluciones diluidas!
las isotermas de adsorción pueden describirse a menudo mediante una
e#presión empírica! que generalmente se le atribu%e a 0reundlic-!
c\ ; . ] v 2co = c\3 ^n
en donde v 2co = c\3 es la adsorción aparente por masa unitaria de adsorbente
; % n son constantes. La forma de la ecuación indica que si la concentración de
soluto en el equilibrio como ordenada se grafica contra el contenido de
adsorbato del sólido como abscisa! sobre coordenadas logarítmicas! se
obtendrá una línea recta de pendiente n e intersección ;. En la figura >b1 se
grafican de ese modo varias de estas isotermas típicas.
7on frecuencia! la ecuación de 0reundlic- tambi&n es Htil cuando se ignora laidentidad real del soluto! como en la adsorción de sustancia coloradas en
materiales como soluciones de azHcar % aceites minerales o vegetales.
Adsorció a -ar+ir d! ua so"ució coc!+rada:
7uando la adsorción aparente de soluto se determina en el rango completo de
concentraciones de disolventes puro a soluto puro! se obtiene curvas como las
de la figura >b4. Las curvas de la forma marcada a aparecen cuando el soluto!
a cualquier concentración! se adsorbe mas fuertemente con relación al
disolvente. Al aumentar las concentraciones de soluto! el grado de adsorción
de soluto puede seguir aumentando en realidad empero! la curva que muestra
la adsorción aparente de soluto regresa necesariamente al punto E! puesto que
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la concentración de un líquido que consiste Hnicamente en soluto puro no
e#perimentará cambio alguno al agregar el adsorbente. 7uando tanto el
disolvente como el soluto se adsorben en casi la misma e#tensión se obtienelas curvas de forma en 6 del tipo b. En el rango de concentración de 7 a "! los
dos se adsorben igual la adsorción aparente cae a cero. En el rango de
concentración de " a E! el disolvente se adsorbe más fuertemente
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Eui"i*rio 0as ; Só"ido
• 0as!s 8 ,a-or!s s!ci""os
En muc-os aspectos! las características de la adsorción en el equilibrio de un
gas o vapor sobre un sólido son similares a la solubilidad en el equilibrio de un
gas en un líquido. En la figura < se muestran varias isotermas de adsorción en
el equilibrio para un carbón activado particular como adsorbente! en donde la
concentración de gas adsorbido 2el adsorbato3 sobre el sólido se grafica contra
la presión parcial en el equilibrio * p del vapor o gas a temperatura constante.
Figura N°2: Adsorción en el equilibrio de >apores sobre 7arbón Activado
A partir de esta figura se puede entrever que si se aumenta la presión de la
acetona se -ará que se adsorba más! como lo indica la curva ascendente al
decrecer la presión del sistema en A! la acetona se desorberá del carbón. Aun
cuando no -a sido determinada e#perimentalmente en este caso! se sabe que
la isoterma a J(( G7 para la acetona continHa aumentando sólo -asta unapresión de 1')( mm Dg! que es la presión de vapor de saturación de la acetona
a esta temperatura. 7on presiones más elevadas! a esta temperatura no
pueden e#istir la acetona en el estado de vapor antes bien! se condensará
completamente -asta un líquido. 5or lo tanto! es posible obtener
concentraciones indefinidamente grandes de la sustancia sobre el sólido a
1
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presiones más elevadas que la presión de vapor! como en el punto %< 26in
embargo! las concentraciones superiores a las correspondientes al punto %
indican licuefacción! pero no necesariamente adsorción del vapor. 5or supuesto! los gases a temperatura más elevada que su temperatura crítica no
muestran esta característica.
Figura N° $: Isoterma de adsorción de >apor 7ompleta
"iferentes gases % vapores se adsorben a grados diferentes en condiciones
comparables. Así! el benceno se adsorberá más fácilmente que la acetona a la
misma temperatura % dará una concentración ma%or de adsorbato para una
presión dada en el equilibrio. 7omo regla general! los vapores % gases se
adsorben más fácilmente cuanto ma%or es su peso molecular % menor su
temperatura crítica! aunque las diferencias químicas como el grado de
insaturación de la mol&cula tambi&n influ%en sobre el grado de adsorción. Los
llamados gases permanentes de ordinario se adsorben sólo a un grado
relativamente peque+o! como indica la isoterma para el metano.
Las isotermas de adsorción no siempre son cóncavas -acia el e,e de presión.
Las formas que se muestran se -an observado para diferentes sistemas. Aquí!
la ordenada se grafica como presión parcial en el equilibrio * p dividida entre
1B
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la presión de vapor a saturación p de la sustancia adsorbida 2en realidad! la
saturación relativa3 con el fin de colocar las tres curvas sobre las mismas bases.
Figura N°): 8ipos de Isotermas de Adsorción para >apores
6e recordará que un cambio de disolvente líquido altera profundamente la
solubilidad en el equilibrio de un gas! e#cepto en el caso de las soluciones
líquidas ideales. En forma similar! las curvas en el equilibrio para acetona!benceno % metano sobre sílica gel como adsorbente son por entero diferentes.
Las diferencias de origen % m&todo de preparación de un adsorbente producirán
diferencias significativas de adsorción en el equilibrio. 5or esta razón! muc-os
de los datos que se obtuvieron -ace a+os no tienen valor práctico en efecto! los
m&todos de preparación de los adsorbentes %! en consecuencia! su poder de
adsorción correspondiente! se -an me,orado muc-o al pasar los a+os. La
adsorción % desorción repetidas! con frecuencia alteran las características de un
adsorbente particular! debido tal vez a los cambios progresivos en la estructura
de los poros dentro del sólido.
E#isten tres e#presiones matemáticas usadas comHnmente para describir los
equilibrio de adsorción de vapor/ las isotermas de Langmuir! de runauer
1
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Emmett$8eller 2E83 % de 0reundlic-. 8odas! e#cepto la Hltima! se obtuvieron
con una teoría en mente! pero ninguna se puede aplicar de modo universal
tampoco puede predecirse cuál si es que alguna se aplicará a un caso par$ticular.
Eui"i*rio L&uido = Só"ido
L&uidos
7uando un adsorbente sólido se sumerge en un líquido puro! la evolución de
calor! conocida como el calor de -umectación! es prueba de que ocurre la
adsorción del líquido. So obstante! la inmersión no proporciona un m&todo
efectivo para medir la e#tensión de la adsorción. El volumen del liquido no
muestra un cambio apreciable que pudiera utilizarse para medir la adsorción
asimismo! la separación del sólido % su pesado no permitirá distinguir entre el
liquido que se adsorbió % el que está mecánicamente ocluido. Este problema no
e#iste en la adsorción de gases! en donde se mide fácilmente el cambio de
peso del sólido debido a la adsorción.
• Adsorció d!" so"u+o a -ar+ir d! so"ucio!s di"uidas
7uando un adsorbente se mezcla con una solución binaria! ocurre tanto la
adsorción del soluto como del disolvente. 5uesto que la adsorción total no se
puede medir! se determina! en lugar de &sta! la adsorción relativa o aparente. El
procedimiento acostumbrado es tratar un volumen conocido de solución con unpeso conocido de adsorbente! v volumen solución:masa adsorbente. 7omo
resultado de la adsorción preferente de soluto! se observa que la concentración
de soluto del líquido cae del valor inicial c o al valor final en el equilibrio c> masa
soluto:volumen liquido. La adsorción aparente de soluto! despreciando cualquier
cambio de volumen en la solución! es v2co = c\3 masa soluto adsorbido:masa
1'
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adsorbente. Esto es satisfactorio para soluciones diluidas! cuando es peque+a
la fracción del disolvente original que puede adsorberse.
La adsorción aparente de un soluto dado depende de la concentración del
soluto! la temperatura! el disolvente % el tipo de adsorbente. en la figura se
muestran isotermas típicas. 6e -an observado isotermas de todas las formas
indicadas! por e,emplo! cuando un soluto dado se adsorbe sobre el mismo
adsorbente! pero a partir de disolventes distintos. El grado de adsorción de un
soluto determinado prácticamente decrece siempre que aumenta la
temperatura generalmente es ma%or cuanto menor es la solubilidad en el
disolvente. 7omo de ordinario es reversible! se obtiene la misma isoterma! %a
sea que el soluto se desorba o se adsorba.
Figura N°7: Isotermas de adsorción 8ípicas para soluciones diluidas
• Adsorció a -ar+ir d! ua so"ució coc!+rada
7uando la adsorción aparente de soluto se determina en el rango completo de
concentraciones de disolvente puro a soluto puro! se obtienen curvas como las
de la figura siguiente/
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Figura N°?: Adsorción aparente de soluto de soluciones.
Las curvas de la forma marcada a aparecen cuando el soluto! a cualquier
concentración! se adsorbe más fuertemente con relación al disolvente. Al
aumentar las concentraciones de soluto! el grado de adsorción de soluto puede
seguir aumentando en realidad empero! la curva que muestra la adsorción apa$
rente de soluto regresa necesariamente al punto E< puesto que la concentración
de un liquido que consiste Hnicamente en soluto puro no e#perimentará cambio
alguno al agregar el adsorbente. 7uando tanto el disolvente como el soluto se
adsorben en casi la misma e#tensión se obtienen las curvas de forma en 6 del
tipo *. En el rango de concentraciones de C a D< el soluto se adsorbe más
frecuentemente que el disolvente. En el punto D< los dos se adsorben igual la
adsorción aparente cae a cero. En el rango de concentraciones de D a E< el
disolvente se adsorbe más fuertemente. en consecuencia! al agregar el
adsorbente a estas soluciones! la concentración de soluto en el liquido
aumenta la cantidad v2co = c\3 indica una adsorción aparente negativa de
soluto.
1)
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1.? E'UIPOS DE A%SORCION
1.?.1 Adsor*!dor!s d! "!c3o #i@o/ Las partículas de adsorbente se colocan enun lec-o de (!4 a J!1 m de espesor soportado sobre un matiz o placa perforada.
La alimentación gaseosa circula en sentido descendente as trav&s de los lec-os
mientras que el otro se encuentra en regeneración. El flu,o descendente es
preferible debido a que el flu,o ascendente a velocidades elevadas puede dar
lugar a la fluidización de las partículas! lo que provoca colisiones % formación de
finos. 7uando la concentración de soluto en el gas de salida alcanza cierto
valor! o bien para un tiempo previamente establecido! se accionan
automáticamente las válvulas con el fin de dirigir la alimentación al otro lec-o e
iniciar la secuencia de regeneración.
El tama+o del lec-o adsorbente está determinado por la velocidad de flu,o de
gas % por el tiempo de ciclo deseado. El área de sección transversal se calcula
generalmente de tal forma que se obtenga una velocidad superficial de (!JB a
(!
-
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4J
7 en el interior del lec-o a lo largo deLlec-o a diversos t 2tJ! t1...3
7 a la salida en función del tiempo ⇒
7UP>A PU58UPA 7:7o vs t
-
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• 7urva de ruptura 7:7o vs tiempo
• 5arámetros característicos/
• 5unto de ruptura 2rea;point3
• 8iempo de ruptura 2tb3/ t para 7:7o (.(J$(.(B
• 8iempo de saturación 2ts3/ t para 7:7o (.)B$(.))
• 7apacidad/ 7antidad de soluto que el adsorbente es capaz de retener por unidad de masa de adsorbente.
• 7apacidad -asta punto ruptura/ qb 2capacidad Htil del lec-o3
• 7apacidad -asta punto saturación/ qs 2capacidad total del lec-o3
6i se considera el caso de una solución binaria! %a sea gaseosa o líquida! que
contiene un soluto fuertemente adsorbido en concentración c o. El fluido se va a
pasar continuamente a trav&s de un lec-o relativamente profundo de
adsorbente que al principio esta libre de adsorbato. La capa superior de sólido!
en contacto con la fuerte solución entrante.! adsorbe al principio el soluto
rápida % efectivamente el poco remanente de soluto en la solución queda
prácticamente eliminado por las capas de sólido en la parte superior del lec-o.
41
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El efluente del fondo del lec-o está prácticamente libre de soluto como 7a ! en
la parte inferior de la figura 1. La distribución de adsorbato en el lec-o del
sólido se indica en la parte superior de esta figura! en a! en donde la densidadrelativa de las líneas -orizontales en el lec-o sirve para indicar la concentración
relativa de adsorbato. La capa superior del lec-o está prácticamente saturada
la ma%or parte de la adsorción tiene lugar en una zona de adsorción
relativamente estrec-a en el cual la concentración cambia rápidamente! como
se muestra. 9ientras continua flu%endo la solución! la zona de adsorción se
mueva -acia aba,o como una onda! con una rapidez generalmente muc-o más
lenta que la velocidad lineal del fluido a trav&s del lec-o. "espu&s de cierto
tiempo! como en b de la figura! apro#imadamente la mitad del lec-o esta
saturada con soluto! pero la concentración del efluente 7b es aun básicamente
cero. En c! en la figura! la parte superior de la zona de adsorción -a alcanzado
el fondo del lec-o % la concentración del soluto en el efluente -a aumentado
bruscamente -asta un valor apreciable 7c por primera vez. 6e dice que el
sistema -a alcanzado el punto de ruptura. A-ora la concentración de soluto en
el efluente aumentará con rapidez al pasar la zona de adsorción a trav&s del
fondo del lec-o en d -a alcanzado básicamente el valor final 7 o. La parte de lacurva de concentración del efluente entre las posiciones c % d se conoce como
ruptura. 6i la solución continua flu%endo! ocurre poca adsorción adicional
puesto que el lec-o para todos los propósitos prácticos! esta completamente en
el equilibrio con la solución de alimentación.
6i un vapor se esta adsorbiendo adiabáticamente de esta manera! a partir de
una mezcla gaseosa! la evolución del calor de adsorción produce una onda de
temperatura que flu%e a trav&s del lec-o de adsorbente en forma similar a la
onda de adsorción La elevación de la temperatura del lec-o en la salida del
fluido puede utilizarse algunas veces como indicador apro#imado del punto de
ruptura. En n el caso de la adsorción a partir de líquidos. El aumento en la
temperatura es relativamente peque+o de ordinario.
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La forma % el tiempo de la aparición de la curva de ruptura influ%e muc-o sobre
el m&todo de operación de un adsorbedor de lec-o fi,o. Las curva generalmentetienen formas de 6! pero pueden tener una gran pendiente o ser relativamente
planas %! en algunos casos! considerablemente distorsionadas. 6i el proceso de
adsorción fuese infinitamente rápido! la curva de ruptura seria una línea vertical
recta en la parte inferior de la figura 1. el punto de ruptura está mu% bien
definido en algunos casos en otros sucede lo contrario. 5or lo comHn! el tiempo
de ruptura decrece al crecer la altura el lec-o! al aumentar el tama+o el tama+o
de partícula del adsorbente! al incrementarse el flu,o del fluido a trav&s del
lec-o % al crecer el contenido inicial de soluto de la alimentación.
1.?.2 Eui-o -ara !" s!cado d! gas!s / El equipo para el secado de gases es
similar al anterior! con la diferencia de que se utiliza gas caliente para la
regeneración. El gas -Hmedo procede del lec-o que se está regenerando %
puede descargarse a la atmósfera o bien separar la ma%or parte del agua en un
condensador % recircular el gas al lec-o a trav&s de un sistema de calefacción.
6i 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 trav&s del lec-o! a la presión atmosf&rica! sin
calentamiento previo. 5arte del calor de adsorción! que está almacenado en el
lec-o como calor sensible! se utiliza para la desorción % el lec-o se enfría
durante la regeneración.
Un e,emplo importante de adsorción desde una fase líquida lo constitu%e el uso
de carbón activo para separar contaminantes de aguas residuales. 8ambi&n se
utiliza para separar trazas de sustancias orgánicas del abastecimiento municipal
de agua para me,orar el sabor % reducir la posibilidad de formación de
compuestas tó#icas en la etapa de cloración. 5ara estas aplicaciones los lec-os
4
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de carbón tienen varios metros de diámetro % -asta J( de altura! pudiendo
operar varios lec-os en paralelo.
1.?.$ Adsor*!dor!s d! +au! agi+ado/ un m&todo alternativo para eltratamiento de aguas residuales consiste en a+adir carbón en polvo a un tanque
con la disolución! utilizando agitadores mecánicos e in%ectores de aire para
mantener las partículas en suspensión. 7on partículas finas la adsorción es
muc-o más rápida que con carbón granular! pero en cambio se requiere un
equipo de gran tama+o para separar! por sedimentación o filtración! el carbón
agotado. El tratamiento con carbón en polvo puede realizarse por cargas! o
tambi&n de forma continua a+adiendo una determinada cantidad de carbón a la
corriente residual % retirando continuamente el carbón agotado.
1.?.) Adsor*!dor!s co+iuos/ La adsorción a partir de gases o líquidos
puede realizarse de forma realmente continua -aciendo circular el sólido a
trav&s del lec-o en contracorriente con el flu,o del fluido. Las partículas sólidas
descienden por gravedad! -aci&ndolas retornar despu&s a la parte superior de
la columna mediante un sistema de elevación con aire o de forma mecánica.
7on partículas finas se puede utilizar un lec-o con placas deflectoras o etapasmHltiples para prevenir la mezcla desde un e#tremo a otro. El @-%persorber es
un adsorbedor de lec-o fluido de mHltiple etapa construido como una columna
de destilación! pasando los sólidos fluidizados de una etapa a otra a trav&s de
tubuladuras de descenso.
1.?.7 Adsor*!dor!s Por E+a-as
Las soluciones líquidas! en donde el soluto que se va a separar se adsorbe mas
o menos fuertemente en comparación con el resto de la solución! se tratan en
soluciones por lotes! semi continuas o continuas de manera análogas a las
operaciones de mezclado$sedimentación en la e#tracción líquida. Las cascadas
4B
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continuas a contracorriente pueden simularse o llevarse a cabo en realidad
mediante t&cnicas como los lec-os fluidizados.
• Fi"+ració d! L&uidos -or Co+ac+o
Las aplicaciones típicas del proceso inclu%en/
1. La recuperación de solutos valiosos a partir de soluciones diluidas.
2. La eliminación de contaminantes indeseables de una solución.
"ebido a la frecuente % en e#tremo favorable distribución en el equilibrio de
solutos -acia el adsorbente! la adsorción se vuelve una -erramienta pedrosa
para el Hltimo punto mencionado.
• Eui-os 8 (6+odos
La etapa requiere el contacto íntimo entre dos fases insolubles durante el
tiempo suficiente para mantener una apro#imación razonable al equilibrio!
contacto que va seguido de la separación física de las fases.
El equipo utilizado para aplicar estos principios a la adsorción es variado %
depende de la aplicación del proceso. El líquido que se va a procesar % el
adsorbente están mezclados íntimamente en el tanque de tratamiento a la
temperatura deseada % durante el período requerido despu&s se filtra la fina
colada para separar el adsorbente sólido % el adsorbato que acompa+a allíquido.
Este equipo se adapta fácilmente a la operación en varias etapas colocando
tanto tanques % filtros adicionales como sea necesario. 6i la operación se va a
realizar en forma continua pueden sustituirse las centrífugas o el filtro giratorio
4
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continuo por el filtro prensa! o bien se puede de,ar que el sólido se sedimente!
en virtud de un tanque grande. El m&todo para mane,ar el adsorbente utilizado
depende del sistema particular que se est& considerando si el adsorbato es elproducto deseado! puede desorberse por contacto del sólido con un disolvente
distinto del que tenía la solución original.
FLUO CRU4ADO
• O-!ració ! ua So"a E+a-a
La operación es básicamente análoga a la absorción de gases en una sola
etapa! en donde la solución que se va a tratar corresponde al @gas % el
adsorbente sólido al @líquido. 5uesto que la cantidad de adsorbente utilizado es
por lo comHn mu% peque+a con respecto a la cantidad de solución tratada %
como el soluto por eliminar está mas frecuentemente adsorbido que todos los
demás componentes presentes! la adsorción del Hltimo puede ignorarse. 9ás
aHn! el adsorbente es insoluble en la solución. La solución que se va a tratar
contiene Ls masa de sustancia no adsorbida o disolvente la concentración de
soluto adsorbable se reduce de Ro a RJ masa soluto:masa disolvente. El
adsorbente se agrega con la e#tensión 6s masa sólido libre de adsorbato el
contenido en soluto adsorbato aumenta de `o a `J masa soluto:masa
adsorbente. 6i se utiliza adsorbente fresco! `o( en los casos de operación
continua Ls % 6s se miden e función de masa:tiempo.
El soluto separado del líquido es igual al recogido por el sólido
Ls2Ro$RJ36s2`J$`o3
6i la etapa es una etapa teórica o ideal! las corrientes efluentes están equilibrio!
de forma que el punto 2`J!RJ3 cae sobre la isoterma de adsorción en el
equilibrio.
4'
6s Lb adsorbente`o Lb soluto:lb adsorbente
Ls Lb disolvente Lb soluto:lb disolvente
sRJ
Ls`J
-
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Figura N° B: Adsorción en una sola etapa
A-"icacio!s d! "a !cuació d! Fr!ud"ic3
Esta ecuación puede aplicarse a la adsorción de este tipo/ La razón principal es
que generalmente se consideran peque+as concentraciones del solutoadsorbable. Esto puede escribirse de la siguiente forma para las unidades de
concentración utilizadas aquí
R\ m`n
R! en las condiciones finales en el equilibrio
`J 2RJ : m3J:n
5uesto que el adsorbente que se utiliza de ordinario no contiene al principio
adsorbato % como `( (! la sustitución de la ecuación en que el soluto
separado del líquido es igual al recogido da/
266 : L63 2R( $ RJ3 : 2RJ:m3J:n
esto permite los cálculos analíticos de la relación adsorbente:solución para un
cambio dado en la concentración de la solución! Ro a RJ .
4K
Línea de operación!5endiente $6s:Ls
7urva de equilibrio%\ vs. #
Ro
RJ
`o `J
Líneas deOperación
-
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Figura / Adsorción en una sola etapa! curvas en el equilibrio de 0reundlic-
OPERACIÓN EN 9ARIAS ETAPAS/
La eliminación de una cantidad dada de soluto puede lograse por gran
economía de adsorbente! si la solución se trata con peque+os lotes separados %
no con un solo lote % se filtra entre cada etapa. Este m&todo de operación esllamado algunas veces tratamiento por alimentación separada! la cual
generalmente se realiza por lotes! aunque tambi&n es posible la operación
continua. La economía es particularmente importante generalmente cuando se
utiliza carbón activado! un adsorbente bastante caro. >a a e#istir ma%or a-orro
cuanto ma%or sea el nHmero utilizado de lotes pero causa gastos ma%ores de
filtración % otros costos de mane,o. 5or lo tanto rara vez es económico utilizar
más de dos etapas. En la 0igura 4 se muestra el diagrama de flu,o % el
diagrama de operación para una operación normal de dos etapas ideales. En
cada etapa se trata la misma cantidad de solución con cantidades de
adsorbente 6J % 61! en las dos etapas respectivamente! para reducir la
concentración del soluto de Ro a R1. Los balances de materias son para la
etapa/
4)
Ro
RJ
nJnJ
nNJ
-
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L6 2Ro $ RJ 3 6J 2`J = `o3
R para la etapa dos L6 2RJ $ R1 3 61 2`1 = `o3Estas ecuaciones proporcionan las líneas de operación que se muestran en la
figura! cada una de ellas posee una pendiente adecuada a la cantidad utilizada
de adsorbente en la etapa respectiva.
Figura N°: Adsorción a corriente cruzada en dos etapas
APLICACIONES DE LA ECUACIÓN DE FREUNDLINC
Esta ecuación describe la isoterma de adsorción satisfactoriamente 5ara un
sistema de dos etapas es/
-
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5ara la etapa J/ 2 6 J : Ls 3 2 2 Ro $ RJ3 : 2 RJ : m 3 J:n 3
5ara la etapa 1/ 2 6 1 : Ls 3 2 2 RJ = R13 : 2 R1 : m 3J:n
3
La cantidad total de adsorbente es/
2 6 J [ 61:Ls 3 m J:n 2 2 Ro $ RJ3 : 2 RJ3 J:n 3 [ 2 2 RJ = R13 : 2 R1 3J:n 3
FLUO A CONTRACORRIENTE
O-!ració ! ,arias !+a-as:
7on esta operación se puede obtener ma%or economía. Un balance de soluto
en las Sp etapas es
Ls2Ro$RSp3 6s2`J$`Sp[J3
La cual proporciona la línea de operación ! a trav&s de las coordenadas de las
condiciones finales 2`Sp[J! RSp[J3 % 2`J! Ro3 % de pendiente 6s:Ls. El nHmero de
etapas teóricas requeridas se encuentra trazando la construcción de escalera
usual entre la curva de equilibrio % la línea de operación. Alternativamente sepuede encontrar la relación adsorbente:solución para un nHmero
predeterminado de etapas mediante la ubicación por prueba % error de la línea
de operación.
La relación mínima adsorbente:disolvente será la ma%or que tenga como
resultado un nHmero infinito de etapas para el cambio deseado en la
concentración. Esto corresponde a la línea de operación de má#ima pendienteque toca a la curva en el equilibrio dentro del rango especificado de
concentraciones. Al aumentar el nHmero de etapas en una cascada! la cantidad
de adsorbente que se requiere al principio decrece con rapidez! pero se
apro#ima al valor mínimo solo en forma asintótica.
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Figura N°1: Adsorción a 7ontracorriente en >arias Etapas
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E@!(-"o
Una solución acuosa que contiene un soluto valioso está colorada con
peque+as cantidades de una impureza. Antes de la cristalización! se va a
eliminar la impureza por adsorción sobre un carbón decolorante que sólo
adsorbe cantidades insignificantes del soluto principal. 9ediante una serie de
pruebas de laboratorio se agitaron distintas cantidades del adsorbente en lotes
de la solución original! -asta que se estableció el equilibrio se obtuvieron los
siguientes datos a temperatura constante/
g carbón:g solución ( (!((J (!((< (!((K (!(1 (!(<7olor en el equilibrio )! K!J !4
La intensidad de color se midió de acuerdo con una escala arbitraria!
proporcional a la concentración de la sustancia colorada. 6e desea reducir el
color al J(* de su valor original! ).. 7alcular la cantidad de carbón fresco que
se requiere por J((( g de solución 2a3 para una operación de una etapa! 2b3
para un proceso de dos etapas a corriente cruzada que utiliza la mínima
cantidad total de carbón % 2c3 para una operación de dos etapas acontracorriente.
6olución/
En primer lugar! se convierten los datos e#perimentales a una forma adecuada!
a fin de graficar la isoterma en el equilibrio. 5ara ello! definir R en unidades de
color por ;ilogramo de solución % ` como unidades de color adsorbido por
;ilogramo de carbón/
Gg car*óHg
so"uc
>Jco"or ! !"
!ui"i*rio
KJ coc. D!"
adsor*a+o( )!(!((J K! 2)!$
K!3:(!((JJ((((!((< !4 2)!$!43:(!((
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(!((K
Los datos en el equilibrio cuando se grafican sobre coordenadas logarítmicas!
dan una línea recta! de forma que se aplica la ecuación de 0reundlic-. La
pendiente de la línea es J!n %! en `4! R\La ecuación de 0reundlic- queda/ R\K!)J#J($B`J.
O-!ració ! ua !+a-a:
Ro )! unidades de color:;g de soluc
RJ (!J(2)!3 (!) unidad:;g soluc.
6ea Ls J((( g soluc. 5uesto que se va a utilizar carbón fresco! `o(.En la
figura el punto A representa la solución inicial el punto se ubica sobre la curva
en el equilibrio! en la concentración de color de la solución final. En ! `J 1(.
5or tanto/
6s:Ls 2Ro$RJ3:2`J$`o3 2)!$(!)3 : 21'($(3 (!(41 ;g carbón:;g soluc.
6s (.(412J(((3 41 g:J(((g soluc.
*M O-!ració ! dos !+a-as a corri!+! cru5ada
La cantidad mínima de carbón puede encontrarse! mediante un procedimiento
de prueba % error. Entonces! se supone el punto 7 sobre la curva en el
equilibrio! se trazan las líneas de operación A7 % " % se calculan los valores
de 6sJ % 6s1. La posición del punto 7 se cambia -asta que la suma de 6sJ %
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661 sea un mínimo. La posición de 7 se encuentra en su valor final! sus
coordenadas son 2`JBB! RJ4!4(3. `11'( 2en 3/
bgI'!K(1'(
3)I!(4(!42J(((
`o1`
31RJR2Ls6s
;gJ
34(!4I!)2J(((
`oJ`
3JRRo2Ls6s
1
J
=−
−=
−
−=
=−
−=
−
−=
6sJ[6s1 JJ!J
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So"ució a" !@!(-"o
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1.B EE/PLO: RESOLUCION DE /ODELO /ATE/ATICO
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ELE/ENTOS TIPICOS LECO FIOJ. Espacio libre sobre lec-o de resina 2suficiente para e#pansión durante etapa
de lavado3
1. "istribuidor de alimentación 2localizado encima de lec-o de relleno34. 6istema de soporte del lec-oporos≈ B(* >total! a 1((( m1:g3
6entido de flu,o/ Dabitual descendente 2no rotura ni finos3 5arámetros de dise+o/$ >elocidad superficial 2valores típicos ugas JB$( cm:s % u liq (.4 cm:s3
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$ 8iempo de ciclo 2valores típicos tb 1$1< -37aída de 5resión 2∆5
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B(
-
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2.1 CONCEPTO DE INTERCA/%IO IÓNICO
En este proceso se utiliza una fase sólida que contiene grupos de enlace! los
cuales transportan una carga iónica 2%a sea positiva o negativa3 ,unto con iones
desplazables de carga opuesta 2contraiones3
El intercambio iónico remueve del agua cruda aquellos iones indeseables
transfiri&ndolos a un material sólido! llamado intercambiador iónico! el cual los
acepta cediendo un nHmero equivalente de iones de una especie deseable que
se encuentra almacenada en el esqueleto del intercambiador de iones. Elintercambiador iónico tiene una capacidad limitada para almacenar iones en su
esqueleto! llamada capacidad de intercambio en virtud de esto! llegará
finalmente a saturarse con iones indeseables
R!acció d! I+!rca(*io Ióico
El intercambio iónico se e#presa como una reacción reversible que comprende
cantidades químicamente equivalentes.
Esta reacción se puede ilustrar con la siguiente ecuación tomando como
e,emplo el intercambio entre el ión sodio! Sa [! que se encuentra en los sitios
activos de la matriz P! % el ión calcio! 7a [1! presente en la disolución que
contacta dic-a matriz.
Una representación simplificada de lo que está sucediendo en los sitios activos
de la resina se puede ver en esta figura.
BJ
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Figura N° 11/ 6itios activos de la resina
A medida que la disolución pasa a trav&s de la resina! los iones presentes endic-a disolución desplazan a los que estaban originariamente en los sitios
activos. La eficiencia de este proceso depende de factores como la afinidad de
la resina por un ión en particular! el pD de la disolución si el grupo activo tiene
carácter ácido % básico! la concentración de iones o la temperatura.
Es obvio que para que tenga lugar el intercambio iónico! los iones deben
moverse de la disolución a la resina % viceversa. Este movimiento se conoce
como proceso de difusión. La difusión de un ión está en función de su
dimensión! carga electroestática! la temperatura % tambi&n está influenciada por
la estructura % tama+o de poro de la matriz. El proceso de difusión tiene lugar
entre zonas de distinta concentración de iones! de más concentrado a menos!
-asta que tengan la misma concentración.
2.1.1 Par(!+ros carac+!r&s+icos d! "os i+!rca(*iador!s ióicos
• Ca-acidad d! i+!rca(*io/ 6e define como la cantidad de iones que una
resina puede intercambiar en determinadas condiciones e#perimentales.
"epende del tipo de grupo activo % del grado de entrecruzamiento de la
matriz % se e#presa en equivalentes por litro de resina! o por gramo. 2 Un
B1
http://www.dow.com/liquidseps/resource/glossary.htm#d%20http://www.dow.com/liquidseps/resource/glossary.htm#d%20
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equivalente es el peso molecular en gramos del compuesto dividido por su
carga el&ctrica 3
• Ca-acidad !s-!cica +!órica/ 6e denomina así al nHmero má#imo de
sitios activos del intercambiador por gramo. Este valor suele ser ma%or que
la capacidad de intercambio! %a que no todos los sitios activos son
accesibles a los iones en disolución.
• S!"!c+i,idad/ 5ropiedad de los intercambiadores iónicos por la que un
intercambiador muestra ma%or afinidad por un ión que por otro. La
selectividad de una resina por un ión determinado se mide con el coeficientede selectividad! . La selectividad depende de las interacciones
electroestáticas que se establezcan entre el ión % el intercambiador % de la
formación de enlaces con el grupo ionog&nico. La regla principal es que un
intercambiador preferirá aquellos iones con los que forme los enlaces más
fuertes.
La estructura del poro % la elasticidad del intercambiador tambi&n influ%en en suselectividad! como ocurre con las zeolitas. 6u estructura de poro rígida les
permite actuar como tamices moleculares! impidiendo la entrada de ciertos
iones sencillamente por su tama+o.
2.1.2 E+a-as d!" -roc!so d! i+!rca(*io ióico ! co"u(a
• E(-au!+a(i!+o d! "a co"u(a: 7onsiste en introducir el intercambiador
en el interior de la columna evitando la formación de bolsas de aire entre sus
partículas para así obtener un lec-o uniforme. Esta operación se realiza
-abitualmente lavando el intercambiador con agua destilada! que además
resulta Htil para eliminar posibles impurezas
B4
http://www.iupac.org/goldbook/S05566.pdfhttp://www.iupac.org/goldbook/S05566.pdfhttp://www.iupac.org/goldbook/S05566.pdfhttp://www.iupac.org/goldbook/S05566.pdf
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• Acodicioa(i!+o d!" i+!rca(*iador / 9uc-as resinas comerciales se
venden en una forma iónica que puede no ser la adecuada para el
tratamiento que se desea realizar. 5or e,emplo! una resina básica fuerte quetenga como contraión un grupo OD$ % que! por necesidades del proceso!
sea deseable tener un ión 7l$. En la etapa de acondicionamiento se procede
a cambiar el contraión de la resina poni&ndola en contacto con una
disolución concentrada del ión que se desea tener. Una vez que se -a
conseguido este ob,etivo % la resina está en la forma iónica deseada! debe
eliminarse el e#ceso de esta disolución lavando la resina con agua destilada.
• E+a-a d! carga/ En esta etapa tiene lugar el intercambio de iones entre la
disolución a tratar % el intercambiador. La disolución a tratar se introduce en
la columna % flu%e gradualmente a trav&s del intercambiador. Las
condiciones de operación 2velocidad de flu,o! pD de la disolución etc.3
dependerán del tipo de intercambiador utilizado! % es importante optimizarlas
para obtener un buen rendimiento en cuanto a capacidad % selectividad.
7uando el intercambiador comienza a estar saturado con los iones de la
disolución que entra! se observa un aumento de la concentración de dic-osiones en la disolución que sale de la columna. Esta descarga de iones se
conoce como brea;t-roug-! e indica que el tratamiento de la disolución por
el intercambiador %a no está siendo efectivo. Una vez la concentración de
estos iones en la disolución de salida iguala a la de la concentración de
entrada! el intercambiador -a agotado toda su capacidad de intercambio en
las condiciones de operación.
• E+a-a d! r!g!!ració: La etapa de regeneración consiste en devolver el
intercambiador saturado a su forma iónica inicial! empleando una disolución
concentrada en el ión originariamente asociado al intercambiador 2por
e,emplo! un ácido mineral para una resina ácida fuerte3. Esta etapa es
importante en el proceso de intercambio iónico %a que el buen
B
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funcionamiento del intercambiador en sucesivos procesos de carga depende
de una regeneración eficiente.
5ara obtener el má#imo rendimiento de esta etapa es importante optimizar
parámetros como la concentración % volumen de disolución regenerante así
como la velocidad de flu,o.
La regeneración tiene dos inconvenientes importantes/
• El gasto económico en regenerante. 5uede reducirse reutilizándolo -asta
que pierda su eficiencia aunque esta opción tampoco es del todo económica
%a que implica establecer unas condiciones para su almacena,e.
• La generación de residuos! %a que despu&s de regenerar el intercambiador
se obtienen disoluciones altamente ácidas o básicas generalmente mu%
concentradas en metales que deben ser tratadas o eliminadas.
2.1.$ Fac+or!s u! a#!c+a "a ca-acidad d! i+!rca(*io
• 8ipo! concentración % cantidad de regenerante• 8ipo de regeneración 27o o 7ontra corriente3
• Saturaleza % contenido mineral del agua a tratar
• >elocidad del flu,o a trav&s de la resina
• 8emperatura del regenerante
• 5rofundidad del lec-o de resina
BB
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2.2 APLICACIONES
2.2.1. Sua,i5ació
La presencia en el agua de un alto contenido de los iones calcio % magnesio
27a! 9g3 precipita el ,abón % provoca la formación de compuestos incrustantes
que da+an las tuberías! calderas u otros materiales % equipos relacionados con
la utilización del agua para fines municipales e industriales.
5ara evitar este problema se recurre al tratamiento de agua con resina. Esta
tiene la propiedad de adsorber el calcio % el magnesio de las aguas que la
atraviesan! debido a que sus bases son permutables.
• 5ara remover el calcio % el magnesio
a3 7on los compuestos cálcicos
7a2D7O431 [ Sa1_ 7a_ [ 1SaD7O4
7a6O
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5uede observarse de las ecuaciones anteriores el intercambio de los cationes
que producen dureza por el del sodio que no la produce El m&todo de
suavización reduce el contenido mineral de las aguas incrementando el pD delagua! suficiente para reducir su capacidad % si e#isten el -ierro % el
manganeso! estos son removidos en el proceso! eliminando el problema de
color que ellos comunican al agua
2.2.2 D!s(i!ra"i5ació
El agua cruda contiene muc-os minerales en variadas concentraciones. Estos
minerales son cationes % aniones. 5or e,emplo! los 7ationes % aniones
presentes en el agua cruda % se elimina por desmineralización
Ca+io!s Aio!s Al[[[ D7O4$
a[[ 7l$
7a[[ 6O
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El paso del agua por rocas sedimentarias como la piedra caliza! provoca que
dos de los iones más comunes en aguas naturales sean el calcio % el magnesio.
Estos cationes divalentes! cuando se encuentran en altas concentraciones! sonlos responsables de la dureza del agua. El empleo de agua dura tanto para
usos dom&sticos como industriales! provoca problemas de formación de
depósitos e incrustaciones % dificulta la acción de los detergentes! %a que se
forman espumas % precipitados que reducen su eficiencia. Las zeolitas se
utilizan en la eliminación de la dureza de aguas dom&sticas e industriales por su
capacidad de intercambiar los iones calcio % magnesio presentes en el agua por
iones sodio alo,ados en su estructura. 5or esta misma razón! estos minerales
-an reemplazado a los fosfatos en la composición de los detergentes!
precisamente para me,orar su efectividad al secuestrar los iones calcio %
magnesio del agua. El K(* de la producción de zeolitas se emplea en esta
aplicación. Además! el uso de zeolitas naturales tiene la venta,a de ser
compatible con medidas de protección del medio ambiente.
En la eliminación de la dureza del agua tambi&n se emplean intercambiadores
iónicos más versátiles como carbón sulfonado! resinas sulfonadas de fenol$formalde-ído %! en los Hltimos a+os resinas de poliestireno sulfonado. En las
aguas naturales tambi&n -a% una peque+a fracción de iones -ierro %
manganeso! cu%a presencia es indeseable %a que pueden manc-ar los te,idos!
formar depósitos en tuberías! tanques u otros elementos! así como inducir su
corrosión. Estos iones pueden eliminarse mediante intercambio iónico! pero
este proceso tiene ciertas limitaciones %a que ambos iones pueden precipitar en
la superficie de la resina.
2.2.) A"ca"iidad d!" agua
BK
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En el agua tambi&n se encuentran distintos aniones como bicarbonato!
carbonato! -idró#idos! cloruro! sulfato! fluoruro! fosfatos etc. Los tres primeros
son los responsables de la alcalinidad del agua! que no es más que lacapacidad que tiene el agua de neutralizar ácidos. Es decir! un agua altamente
alcalina será capaz de aceptar muc-os iones -idrógeno antes de que su pD
empiece a descender. La alcalinidad se e#presa en t&rminos de mg:L de
carbonato de calcio. El agua altamente alcalina tiene un sabor amargo. En la
industria! la alcalinidad es un problema cuando se emplea agua -irviendo! %a
que el vapor de agua es rico en 7O1 que al condensar forma ácido carbónico
capaz de atacar el metal de las conducciones. 5ara eliminar los aniones
responsables de la alcalinidad del agua se utilizan resinas aniónicas de
intercambio! generalmente en forma cloruro! de modo que se intercambian los
aniones del agua por el cloruro de la resina. Otro proceso posible es emplear
una resina d&bilmente ácida.
2.2.7 E"i(iació d! /a+!ria Orgica
Es -abitual encontrar en aguas superficiales cierta cantidad de ácidos
orgánicos! como ácidos -Hmicos o taninos. La presencia de esta materiaorgánica en el agua para uso dom&stico puede conferirle olor! color % un sabor
desagradable! pero el inter&s en eliminar estos compuestos radica en su
tendencia a convertirse en tri-alometanos cuando se procede a la cloración del
agua. Estas sustancias pueden eliminarse empleando resinas aniónicas de
intercambio en forma cloruro! especialmente resinas acrílicas.
2.2.? E"i(iació d! i+ra+os
El uso e#cesivo de fertilizantes! el estiercol % los efluentes procedentes de
e#plotaciones ganaderas son los responsables de la contaminación del agua
por el anión nitrato SO4$. La presencia de cantidades elevadas de este anión
en el agua potable pueden provocar graves problemas en bebes menores de
meses 2sindrome del ni+o azul3
B)
http://hispagua.cedex.es/grupo1/noticias/cloro/thm.htmhttp://hispagua.cedex.es/grupo1/noticias/cloro/thm.htm
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La eliminación de este anión se puede realizar mediante resinas de intercambio
aniónico en forma cloruro.
2.2.B E"i(iació d!" Io A(oio
Las aguas residuales vertidas por industrias! redes de alcantarillado %
producidas en procesos agrícolas % ganaderos son las responsables de la
presencia del ion amonio en lagos! rios %! a la larga! en pozos de agua potable.
La presencia de amonio en el agua reduce la concentración de o#ígeno disuelto
necesario para la vida acuática % acelera la corrosión de metales % materiales
de construcción. 5ara la eliminación de amonio mediante intercambio iónico!
además de las resinas catiónicas convencionales! se emplean tambi&n
intercambiadores iónicos inorgánicos. Las zeolitas! por su selectividad a este
catión! son el material de elección en la fabricación de filtros para eliminar
amonio del agua! tanto en piscifactorías como en acuarios.
2.2. R!siduos Nuc"!ar!s
Los intercambiadores iónicos encuentran su aplicación en la industria de la
energía nuclear en varias de las etapas del ciclo de obtención del combustible
nuclear! en el tratamiento de efluentes contaminados con elementos
radioactivos % en la purificación del agua de refrigeración del nHcleo. En estos
procesos los intercambiadores se contaminan con elementos radioactivos %! por
tanto! deben considerarse % tratarse como un residuo radioactivo más. "e
-ec-o! las resinas de intercambio que se emplean en el tratamiento de agua de
refrigeración son la segunda fuente de residuos radioactivos de una central
nuclear.
eneralmente se emplean resinas de intercambio orgánicas! pero los
intercambiadores inorgánicos están siendo ob,eto de estudio % aplicación en
(
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varios de estos procesos %a que los primeros tienden a degradarse en las
condiciones t&rmicas % químicas de operación así como por la radiación! que
afecta a los enlaces carbono$carbono de la matriz polim&rica.
2.2. A-"icacio!s ! "a idus+ria a"i(!+aria
La tecnología de intercambio iónico se emplea en muc-os procesos de la
industria alimentaria. Además de las aplicaciones %a comentadas como la
purificación del agua 2proceso esencial en la industria de la cerveza3! los
intercambiadores iónicos se utilizan para desmineralizar líquidos azucarados %
,arabes! controlar la acidez! olor! color! sabor % contenido en sal del alimento %
tambi&n para aislar o purificar un aditivo o un componente del alimento.
2.2.1 A-"icacio!s ! "a idus+ria #ar(ac6u+ica
Los intercambiadores iónicos % resinas adsorbentes se utilizan ampliamente en
la industria farmac&utica en aplicaciones mu% diversas que pueden agruparse
en las siguientes categorías.
• 6e emplean resinas de intercambio en la recuperación % purificación de
diversos productos! como antibióticos! vitaminas! enzimas! proteínas. Este
proceso sustitu%e a la tecnología tradicional! que utilizaba la e#tracción con
disolventes.
• 7omo e#cipientes en la formulación de fármacos! para enmascarar el mal
sabor del principio activo! estabilizar el fármaco % acelerar la desintegraciónde la pastilla despu&s de su ingestión.
• "osificación controlada de fármacos/ El intercambiador iónico libera
lentamente el fármaco alo,ado en su matriz polim&rica.
J
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• Algunas resinas de intercambio iónico -an demostrado tener actividad
terap&utica! % se aplican en la reducción de colesterol en sangre! para
adsorber sales biliares! etc.
2.2.11 Agricu"+ura
El fenómeno de intercambio iónico es básico en la agricultura! %a que tiene un
importante papel en la absorción de nutrientes por parte de las plantas. "e
-ec-o! el suelo es un gran sistema intercambiador de iones! con capacidad
para calcio! magnesio! potasio! amonio! nitratos % fosfatos. Las zeolitas se -an
aplicado para controlar la liberación de nutrientes al suelo agrícola! %a que
tienen la venta,a que sustitu%en a los fertilizantes solubles que pueden
contaminar el agua % además que impiden la p&rdida de nutrientes por
disolución. 8ambi&n se emplean para retener la -umedad del suelo % para
elevar el pD en suelos ácidos. En los cultivos -idropónicos se emplean resinas
de intercambio para liberar lentamente los nutrientes que puedan necesitar las
plantas
2.2.12 idro(!+a"urgia
Los procesos de intercambio iónico se aplican en -idrometalurgia en la
recuperación % concentración de metales valiosos! como cobre! uranio % cromo!
así como en procesos especiales que emplean resinas de intercambio iónico
selectivas para la recuperación de oro! platino % plata. El empleo de resinas de
intercambio iónico es una posible solución al tratamiento de efluentesprocedentes de la industria de refinado de metales. La acumulación de metales
pesados en el medio ambiente es un serio problema para la salud debido a su
alta to#icidad! su capacidad de acumularse en los te,idos %! además!
