1. Clasificacin y propiedades de los materiales qumicos de adsorcin Control de la contaminacin del aire Rentera Garca Cesar Horacio Ing. Qumica 7mo Semestre

2. Adsorcin La adsorcin es un proceso por el cual tomos, iones o molculas son atrapadas o retenidas en la superficie de un material La adsorcin es el proceso mediante el cual un slido poroso (a nivel microscpico) es capaz de retener partculas de un fluido en su superficie tras entrar en contacto con ste. Adsorcin qumica. El adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del adsorbente 3. Definiciones Adsorbato es la sustancia adsorbida y el adsorbente el material sobre el cual lo hace. El proceso inverso de la adsorcin es la desorcin. 4. Caractersticas de la adsorcin Puede utilizarse para fluidos y gases. La adsorcin es un proceso exotrmico y se produce por tanto de manera espontnea si el adsorbente no se encuentra saturado. 5. Caractersticas de los materiales adsorbentes El adsorbente dispone de nanoporos, lo que se conoce como centros activos, en los que las fuerzas de enlace entre los tomos no estn saturadas. Estos centros activos admiten que se instalen molculas de naturaleza distinta a la suya, procedentes de un gas en contacto con su superficie. 6. Aplicaciones Una de las aplicaciones ms conocidas de la adsorcin en el mundo industrial, es la extraccin de humedad del aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a travs de un lecho de almina activa u otros materiales con efecto de adsorcin a la molcula de agua. 7. Generalidades Los materiales slidos empleados como adsorbentes son productos naturales o sintticos. En cualquier caso, el proceso de fabricacin ha de asegurar un gran desarrollo superficial mediante una elevada porosidad. Los adsorbentes naturales (arcillas, zeolitas) tienen pequeas superficies. Los adsorbentes industriales y los carbones activados de buena calidad pueden llegar a tener entre 1.000 y 1.500 m2 /g. 8. Comportamiento del adsorbato A mayor temperatura, tambin disminuye la viscosidad del solvente, facilitando la movilidad del adsorbato y por lo tanto acelerando su velocidad de difusin hacia los poros. Todo lo anterior generalmente resulta en un aumento de la adsorcin al aumentar la temperatura. 9. Arcillas de adsorcin La almina {el xido aluminio (Al2O3) } se utiliza para absorcin de las emisiones provenientes de las cubas. El gel de slice es un desecante, es decir que quita la humedad del lugar en que se encuentra. Se encuentra muy generalmente en paquetes nuevos de aparatos pticos, electrnicos, etc. y sirve para absorber la humedad del aire que rodea al medio. 10. Almina La almina es el xido de aluminio (Al2O3). Se recurre al empleo de alminas cuando se precisan soportes de naturaleza cida y con baja capacidad de adsorcin. Las alminas comerciales que se utilizan como soporte de catalizadores, suelen presentarse como mezcla de diferentes fases cristalinas del xido de aluminio. La naturaleza y extensin de la superficie es por tanto muy variable, cambiando con ello su actividad. As, en el caso de la a-almina nos encontramos con un soporte de gran inercia desde el punto de vista qumico, y de alta resistencia mecnica. 11. Silicaalminas Son xidos mixtos de silicio y de aluminio. Son utilizadas cuando se precisan soportes que aporten una acidez supercial elevada. Se sintetizan mediante procesos de coprecipitacin o de hidrlisis en los que se forman cido ortosilcico e hidrxido de aluminio que condensan dando lugar a oxihidrxidos mixtos de silicio y aluminio. La relacin Al/Si es de gran importancia en la actividad supercial de estos materiales; se puede con- trolar fcilmente variando la proporcin de los reactivos precursores. Debe tenerse presente que la alta acidez superficial de las silicoalminas puede inducir reacciones indeseadas. Precisamente su actividad cataltica intrnseca tuvo una enorme trascendencia en la Industria Petroqumica ya que fueron ampliamente aprovechadas en procesos de craqueo del petrleo, hasta que en la dcada de los 60 fueron prcticamente sustituidas por zeolitas (silicoaluminatos cristalinos). 12. Otros xidos metlicos Adems de los xidos anteriores, se utilizan tambin, pero con menor frecuencia, xidos de magnesio, de titanio. de zircono, etc. Todos ellos son soportes de baja o muy baja actividad, y se emplean en reacciones como la deshidratacin y la deshidrogenacin de alcoholes. Ciertos soportes como el dixido de titanio. pueden presentar fuertes interacciones de tipo electrnico con determinados metales de transicin soportados; dichas interacciones son conocidas como efecto SMSl (strong metal support interactions) que tiene utilidad en procesos catalticos muy especcos, como son por ejemplo algunos procesos de sntesis. 13. Carbn Diferentes tipos de carbonos amorfos (negro de carbn: charcoal) o cristalinos del tipo del grato, pueden ser empleados como soportes de catalizadores; en cualquier caso, su uso est limitado fundamentalmente a procesos que transcurren en fase liquida. Los carbonos amorfos poseen, en particular el negro de carbn, supercies especcas muy elevadas, pero no presentan gran resistencia mecnica. ni permiten el desarrollo de procesos de regeneracin oxidativa, lo cual junto con su elevada capacidad de adsorcin desaconsejan su empleo para muchos procesos. 14. Arcilla: y otros silicato: naturales Las arcillas ms comnmente empleadas como soporte de catalizadores son: caolinita, bentonita (montmorillonita), paligorskita y sepiolita. Poseen supercie especca (externa) muy variable. Su utilizacin esta relativamente limitada a procesos muy concretos. 15. La adsorcin involucra la separacin de una sustancia de una fase acompaada por la acumulacin en la superficie de otra. Basados en el proceso especifico que se llevara a cabo, es posible elegir de una variedad de adsorbentes. 16. Medios de adsorcin La imagen muestra el proceso bsico de adsorcin. Material de la fase liquida es concentrado en la superficie del solido. La fase que adsorbe (solido) es llamado el adsorbente y el material que esta siendo adsorbido en la superficie de esa fase es el adsorbato. Ntese que la adsorcin, es diferente al proceso de absorcin que involucra la interpenetracin de un material en otro. 17. Dos tipos de adsorcin pueden ocurrir. El primero, fisisordcion, es un proceso fsico que ocurre debajo de 200 C. El material es adsorbido debido a las interacciones entre las molculas del adsorbente y el adsrbato. 18. El segundo tipo de adsorcin, es la quimisordcion, es un proceso qumico que comnmente ocurre arriba de los 200 C. La adsorcin ocurre por la formacin de compuestos qumicos. 19. Adsorbentes como los que se muestran, son fabricados de materiales sintticos o naturales y tienen una estructura amorfa o microcristalina. Son granulares y generalmente extremadamente porosos, con reas internas y de superficie extensas. Como ejemplos se incluyen las arcillas, alminas y silicatos. 20. Cuando se escoge un adsorbente, ambas propiedades fsicas y qumicas de dicho adsorbente deben de ser consideradas. Las propiedades fsicas que influyen en el diseo incluyen el rea superficial, la estructura de superficie, tamao, y distribucin de poros. Las propiedades que influyen en el diseo del adsorbente incluyen el grado de ionizacin de la superficie, y el grado en que estas propiedades qumicas varan con los parmetros del proceso y por el contacto con la solucin. En la foto de la izquierda se muestra un descante de arcilla. Y en la foto de la derecha un adsorbente de tamiz molecular. 21. Cuando el adsorbente se satura con adsorbato es desechado o regenerado. El adsorbente tpicamente es desechado cuando se lleva a cabo una quimisordcion, dado que el adsorbente ha sufrido un cambio qumico irreversible. Despus de una fisisordcion, el adsorbente puede ser regenerado por calentamiento a altas temperaturas. La foto a la derecha muestra un desecante hecho de silica gel. 22. Hay tres tipos de materiales adsorbentes: Carbones activados, materiales polimricos sintticos, y materiales carboneos. El carbn activado como el que se muestra abajo, es el adsorbente mas antiguo y mas utilizado. Es natural, para usos mltiples y se utiliza mucho como adsorbente base. Las imgenes de blanco y negro muestran de cerca los poros del carbn activado. 23. Los adsorbentes carboneos presentan una matriz de carbn en una manera no muy convencional. Uno o mas adsorbentes carboneos exticos han sido recientemente desarrollados como lo es el conocido fulereno, tambin conocido como futboleno. Adsorbentes polimricos sintticos, como el que se muestra debajo en el centro, son de resina con tecnologa de intercambio inico. Los adsorbentes polimricos tienen una estructura porosa arreglada en una matriz tridimensional. 24. Otra tecnologa innovadora de aplicacin actual para adsorcin es el uso de micelas. Se denomina micela al conglomerado de molculas que constituye una de las fases de los coloides. Es el mecanismo por la cual el jabn solubiliza las molculas insolubles en agua, como las grasas. Sin embargo en el caso de las micelas la adsorcin ocurre alrededor del conglomerado y generalmente el adsorbato es agua mientras que el material adsorbedor es hidrofobico y se encuentra en el centro. 25. Los adsorbentes tienen un amplio rango de usos y variedades . Algunos carbones activados son usados en la defensa militar contra la guerra. Cartuchos de carbn activado se colocan en mascaras antigases para adsorber los gases dainos. El carbn activado tiene 1,000,000 de millas cuadradas de rea superficial por kilogramo de adsorbente. La silica gel, contenida en los paquetes de la imagen se utiliza como agentes desecantes en las industrias de alimentos y electrnica. Otros ejemplos de adsorbentes incluyen las tierras de fuller y bauxita. Las tierras de fuller son utilizadas en las refineras petroleras, y tambin se utilizan para purificar aceites animales y vegetales. La Bauxita es un adsorbente utilizado para deshidratar corrientes gaseosas. 26. Ventajas: -El carbn activado es econmico -Puede ser diseado para aplicaciones especificas -Es posible regenerarlo despus de la fisisorcion Desventajas: Componentes no deseados pueden ser adsorbidos en la superficie del adsorbente en el lugar del adsorbato deseado. La regeneracin no es posible despus de la quimisorcion. 27. Equipo de adsorcin Columnas de contacto Los adsorbedores de columna de contacto se utilizan en la purificacin de soluciones. 28. Los adsorbedores de columna de contacto pueden operar en dos modos: como lechos empacados arreglados fijos, o lechos empacados en movimiento o de pulso. La operacin del lecho de empaque fijo que se muestra en la imagen es la forma mas antigua de adsorcion por columna de contacto. El adsorbente de empaque se coloca dentro de la columna y la solucion que se va a tratar fluye por encima, a traves, y alrededor de el. El lecho empacado debe de ser sacado para reemplazarlo o regenerarlo al utilizarse. 29. En un adsorbedor de lecho de empaque en movimiento o de pulso la solucin no tratada entra al adsorbedor por el fondo y fluye hacia arriba de la columna. Al mismo tiempo adsorbente fresco entra al adsorbedor desde arriba de la columna y sale por el fondo. El adsorbente utilizado es continuamente removido mientras que el adsorbente fresco es continuamente agregado, permitiendo una operacin mas eficiente. 30. En la operacin de adsorcin de arreglo de columnas de empaque de lecho fijo, estas pueden ser arregladas en serie o paralelo, y pueden funcionar en modalidad de flujo hacia arriba o hacia abajo. En las columnas de contacto en modo de serie el efluente de el primer empaque pasa a un segundo empaque. Si es necesario, lechos adicionales se pueden colocar en serie. El primer lecho empacado se quita para reactivacin cuando el adsorbente se satura con adsorbato. El siguiente empaque en la secuencia asume el rol principal y un empaque fresco se adiciona a la posicin final 31. En las operaciones de empaque en paralelo el efluente de todas las columnas es tratado antes de descargarse. Los lechos de empaques en paralelo son removidos de la operacin por etapas para que el sistema siga funcionando y tambin para poder variar parmetros de descarga. 32. Las operaciones de lecho empacado de pulso estn restringidas a la operacin de flujo hacia arriba. Equipo adicional es requerido para reciclar el adsorbente, el cual permite una operacin mas eficiente. 33. Se desea utilizar un adsorbente tan pequeo como sea posible. A tamaos pequeos el rea de superficie, y por lo tanto el radio del rea de contacto del empacamiento de adsorbato, es mayor. Esto aumenta la tasa de adsorcin. Sin embargo, las partculas de adsorbente no deben ser muy pequeas por que obstruirn el flujo correcto de la solucin a travs de la columna. 34. Ventajas: Series de lechos fijos tienen mayor eficiencia que una sola columna de lecho fijo Los lechos fijos en paralelo aseguran que la corriente cuente con la concentracin de contaminantes requeridos En los empaques de lechos de pulso o dinmicos no se requiere apagar el equipo para reponer o regenerar el adsorbente. Desventajas: Se requiere equipo adicional para los lechos de pulso La operacin en lechos en paralelo es ineficiente Los lechos fijos requieren que se pause el proceso para reemplazar el empaque 35. Adsorbedores de lechada de contacto Los adsorbedores de lechada de contacto utilizan una lechada adsorbente en polvo para adsorber el material deseado. Debajo se muestran unos adsorbedores de lechada de contacto que se utilizan en la produccin de acido clorhdrico. 36. En los adsorbedores de lechada de contacto el polvo de adsorbente se mezcla con la solucin que ser tratada y la mezcla es luego agitada. La agitacin distribuye al adsorbente a travs de la solucin . El adsorbente es despus removido de la solucin purificada por filtracin. La adsorcin de lechado de contacto puede ser llevada a cabo de varias formas : en una sola etapa (batch), mltiples etapas (mltiple batch), mltiples etapas a contracorriente y de forma continua 37. En el tratamiento batch de una sola etapa el adsorbente fresco se pone en contacto con el fluido en un contenedor completamente mezclado. Despus del tiempo de contacto requerido, el adsorbente es separado del fluido por filtracin. En este punto, el fluido purificado es de la calidad deseada y el adsorbente utilizado es desechado o regenerado. 38. En un batch de tratamiento de etapas mltiples la solucin pasa por muchas etapas individuales. El efluente de una etapa entra mientras la solucin es tratada en la siguiente etapa. En este tipo de tratamiento, Tambin conocido como tratamiento dividido, cada etapa implica una parte de la separacin total. 39. En las etapas mltiples a contracorriente la separacin por adsorcin es un sistema de dos pasos. Involucra el contacto entre la solucin sin tratar con un adsorbente utilizado una nica vez el cual, despus de este segundo uso, es desechado o regenerado. El fluido parcialmente tratado es entonces puesto en contacto con el adsorbedor fresco el cual, despus de la separacin, se convierte en el adsorbente que va a tratar una nueva solucin de alimentacin en el batch. 40. En un adsorbedor de lechada de contacto continuo una serie de tanques agitados son utilizados para alcanzar un flujo uniforme. La adsorcin toma lugar mientras que el adsorbente y solucin viajan a travs de una serie de tanques . Cuando la concentracin deseada a sido alcanzada, el adsorbente es filtrado de la solucin purificada. 41. Algunas aplicaciones comunes de la adsorcin por lechada de contacto se incluyen en la purificacin del agua, aplicaciones farmacuticas, y en decoloracin. Debajo se muestra un sistema de carbn activado para recuperacin de COV`S 42. Ventajas: El contacto contracorriente puede bajar los costos de operacin No es necesario apagar el equipo para mantener el catalizador fresco Desventajas: Los procesos de etapas multiples son mas caros que etapas individuales Se requiere equipo de filtracion adicional Sin regeneracion, el uso de adsorbedores de polvo de lechada de contacto pueden resultar caros 43. Referencias http://es.wikipedia.org/wiki/Adsorci%C3%B3n Introduccin a la ciencia de materiales: http://books.google.com.mx/books? id=LQdvFXZ6ndUC&pg=PA205&lpg=PA205&dq=materiales+d e+adsorcion&source=bl&ots=1A85J- OhTM&sig=_zDIMSTAQxM3RIDKQVcTNswrP http://html.rincondelvago.com/adsorcion.html CD de libro Principios Elementales de los Procesos Qumicos Felder Rosseau 44. ! Gracias por su atencin !