Adsorcin slido-lquido

Ing. Gabriela Barraza J.

Adsorcin lquido-slido

Proceso muy utilizados dentro de los sistemas de tratamiento terciario de las aguas residuales.

Se emplea para: Retener contaminantes de naturaleza orgnica, presentes en

concentraciones bajas, lo que dificulta su eliminacin por otros procedimientos.

Eliminacin de compuestos fenlicos, hidrocarburos aromticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloreadas, as como otras que comunican olor y sabor a las aguas.

La operacin es menos efectiva para sustancias de pequeo tamao molecular y estructura sencilla, que suelen ser fcilmente biodegradables y, por ello, susceptibles de tratamiento biolgico.

Adsorbentes ms empleados

Gel de slice, la almina, carbn activo. Resinas sintticas: eliminacin de compuestos polares.

Fcilmente regenerables. Adsorbente ms utilizado para el tratamiento de

aguas residuales: carbn activo. Primeros estudios sobre la aplicacin de este

adsorbente al tratamiento de aguas residuales se remontan a 1935

En la dcada de los aos 50 ya se utilizaba para el tratamiento de efluentes industriales procedentes de la fabricacin de pesticidas

Hacia 1960, comienza a considerarse de inters su posible aplicacin al tratamiento de aguas residuales urbanas.

Factores de proceso

El sistema adsorbente-adsorbato Superficie especfica y porosidad del slido. Tamao de partcula. Tamao, estructura y distribucin de los poros. Afinidad respecto del adsorbato, que depende de los grupos

funcionales existentes en la superficie del adsorbente. Presin parcial o concentracin del adsorbato en la fase fluida

Las tres primeras son muy importantes en las etapas de

transferencia de masa por adsorcin: Difusin del soluto desde el seno de la fase fluida hasta superficie

externa del adsorbente. Difusin de las molculas de adsorbato hasta el interior de los poros

para alcanzar la superficie libre de los mismos. Adsorcin de las molculas de soluto sobre la superficie del slido,

por fuerzas de tipo fsico o qumico.

Factores de proceso

En sistemas hidrodinmicos bien agitados (elevada velocidad relativa entre fases) la difusin externa es muy rpida y resulta cinticamente controlable el proceso de difusin interna, siendo determinante al respecto, el tamao de las partculas del adsorbente y el dimetro de poro del mismo.

Factores de proceso

Las condiciones del medio pH:

Afecta al grado de ionizacin de los compuestos cidos o bsicos.

pH cido facilitae la adsorcin sobre carbn activo.

Temperatura: Influye sobre la velocidad del proceso y el

estado final de equilibrio.

Factores de proceso

Los factores econmicos. Inversin necesaria, incluida la planta de

regeneracin del adsorbente si la hubiese, como los costes de operacin.

Precio del adsorbente, la capacidad del mismo que determina la dosis necesaria y las posibilidades tcnico-econmicas de su regeneracin.

Factores de proceso

En el lmite, se establece un equilibrio entre la concentracin del adsorbato en disolucin y la masa del mismo adsorbida por unidad de masa (o de superficie) del adsorbente; en muchos casos esta relacin de equilibrio se puede formular mediante ecuaciones relativamente sencillas, como la ecuacin de Freundlich.

El soluto se adsorber ms fcilmente cuando la afinidad de aqul por la superficie sea superior a su afinidad por el disolvente.

Por tanto, la energa de unin entre la superficie y la sustancia considerada depende de la naturaleza de los solutos que han de adsorberse.

Aspectos cinticos y termodinmicos del proceso,: Determinan el tiempo de contacto necesario y, as, el tamao de las

instalaciones.

Adsorbentes

Productos slidos naturales o sintticos. 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.

Adsorbentes

Otras caractersticas importantes que debe reunir un buen adsorbente: Alta capacidad de adsorcin. La relacin d equilibrio entre

las fases influye en la eficacia con que se alcanza la capacidad final y, en muchos casos, controla la capacidad real del soluto.

Propiedades fsicas y tamao de partcula adecuados para garantizar la necesaria resistencia mecnica y facilidad de manejo, produciendo la menor prdida de carga posible tanto en lechos fijos como en los mviles o fluidizados.

Costo bajo, tanto de la materia prima como del proceso de fabricacin.

Fcil regeneracin; por desorcin, especialmente en el caso de los procesos continuos.

Tipos de poros dentro de una partcula de carbn.

Clasificacin de los poros, segn la de la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemists), que se basa en el dimetro de los mismos, de acuerdo a lo siguiente: Microporos: menores a 2 nm Mesoporos: entre 2 y 50 nm Macroporos: mayores de 50 nm (tpicamente 200 a 2000 nm)

Los microporos tienen un tamao adecuado para retener molculas pequeas, que aproximadamente corresponden a compuestos ms voltiles que el agua, tales como olores, sabores y muchos solventes.

Tipos de poros dentro de una partcula de carbn.

Los macroporos atrapan molculas grandes, tales como las que son coloreadas o las substancias hmicas -cidos hmicos y flvicos- que se generan al descomponerse la materia orgnica.

Los mesoporos son los apropiados para molculas intermedias entre las anteriores.

Por lo tanto, la capacidad de un carbn activado para retener una sustancia determinada, no slo est dada por su rea superficial, sino por la proporcin de poros cuyo tamao es el adecuado: una a cinco veces el dimetro de la molcula de dicha sustancia.

El carbn activo como adsorbente

Se fabrica a partir de diversas sustancias carbonosas de origen animal, vegetal o mineral.

Se emplea antracita, carbones grasos o bituminosos, coque de petrleo, turba, madera, cscara de nuez, coco o almendra, huesos, as como otros productos residuales de naturaleza lignocelulsica.

La materia de partida es amorfa y la estructura porosa se produce durante la activacin.

Propiedades del carbn activo final dependen tanto de la materia prima como del mtodo de activacin empleado.

Carbones obtenidos a partir de cscara de coco tienen mayor densidad y presentan distribucin de tamao de poro ms estrecha, lo que hace que estos carbones sean muy adecuados para la adsorcin de molculas pequeas, como en las aplicaciones de purificacin de gases.

El carbn activo como adsorbente

En la preparacin se aplican procesos trmicos que implican la deshidratacin del material y la calefaccin en ausencia de aire (carbonizacin), seguidos por el tratamiento oxidante (activacin) a alta temperatura (200-1000 C), que desarrolla una estructura porosa en el carbn y crea una gran superficie interna.

La activacin: Oxidacin selectiva de los hidrocarburos residuales en el slido, que

se realiza con anhdrido carbnico, vapor de agua, aire u otro agente oxidante

Se puede emplear un tratamiento qumico hmedo a ms bajas temperaturas mediante agentes tales como el cido fosfrico, el hidrxido potsico o el cloruro de zinc.

Presentaciones del carbn activado

Presentacin de adsorbentes

Equilibrio en la adsorcin

Adsorbato

Absorbente

Solucin

coloreada

Co

ncen

traci

n d

el so

luto

en

so

luci

n

Tiempo

Equilibrio en la adsorcin

Tiempo necesario para que adsorbato y lquido alcancen un considerable equilibrio depende de: Concentracin del adsorbente

Tamao de partcula del slido

Viscosidad del lquido

Intensidad de agitacin.

Aplicacin de la ecuacin de Freundlich

Donde:

m y n = constantes de la ecuacin Y = Concentracin del soluto soluble en la solucin X = Concentracin del soluto soluble en el slido (adsorbente)

nmXY

solucinm

colorUnidades

solucinkg

colorUnidadesY

3

carbnkg

colorUnidadesX

Isotermas tpicas de Freunlich

Donde valores de n: Entre 2-10 = Buenas

caractersticas de adsorcin

Entre 1-2 = Moderada a difciles caractersticas de absorcin

Menor a 1 = Pobres caractersticas de adsorcin

Curva de equilibrio: Isoterma de Freunlich

Colocar un volumen conocido en una serie de recipientes.

Adicionar diferentes concentraciones de adsorbente a un volumen conocido de solucin coloreada. Agitar y mantener el tiempo necesario para que alcance el equilibrio. Mantener la temperatura constante.

Filtrar.

Medir la absorbancia de las muestras. Calcular unidades de color.

Color inicial (Y0) le corresponde a la muestra 1 (0% adsorbente).

Graficar la isoterma de Freunlich. Calcular los parmetros m y n de la

ecuacin de Freunlich

0% 0.2 % 0.4% 0.6%

0 1 2 3

Curva de equilibrio: Isoterma de Freunlich

Kg carbn/kg solucin

Y

UC/kg solucin en el

equilibrio

X

UC/kg adsorbente

Log Y Log X

0 Y0

C1 Y1 Log Y1 Log X1

C2 Y2 Log Y2 Log X2

C3 Y3 Log Y3

Log X3

Graficar Log Y vs. Log X

1

1

10 XC

YY

2

2

20 XC

YY

3

3

30 XC

YY

Isoterma de Freunlich

X

UC/kg adsorbente

Y

UC/kg solucin en el equilibrio

Calculo parmetros m y n de ecuacin de Freunlich

Pendiente = n

Intercepto = Log m

Y = mXn

Log Y= Logm+nlogX

Log Y

Log X

Balance de materia

Operacin de una etapa

Operacin de 2 etapas en corrientes cruzadas

Operacin en 2 etapas en contracorriente

Operacin de una etapa

G; Y0 G; Y1

L; X0

L; X1

Soluto extrado = Soluto adsorbido

X0 = 0 (Adsorbente nuevo)

En el equilibrio

Esta relacin permite el calculo de la relacin adsorbente/solucin para un cambio dado en la concentracin de Y0 a Y1

1100 LXGYLXGY

0110 XXLYYG

01

10

XX

YY

G

L

nmXY 11

1

10

X

YY

G

L

n

m

Y

YY

G

L1

1

10

G; Y0 G; Y1

L; X0

L; X1

n

m

YX

1

11

2 etapas en corrientes cruzadas

1 2

L1; X0 L2; X0

L1; X1 L2; X2

G; Y0 G; Y1 G; Y2

111010 XLGYXLGY

01110 XXLYYG

01

101

XX

YY

G

L

nmXY 11

1

101

X

YY

G

L

222021 XLGYXLGY

02221 XXLYYG

02

212

XX

YY

G

L

mmXY 22

2

212

X

YY

G

L

n

m

Y

YY

G

L1

2

212

Etapa 1 Etapa 2

n

m

Y

YY

G

L1

1

101

L1; X0 L2; X0

1 2

L1; X1 L2; X2

G; Y0 G; Y1 G; Y2

n

m

YX

1

11

n

m

YX

1

22

2 etapas en corrientes cruzadas

01

21

Y

G

LL

Cantidad total de adsorbente:

nn

m

Y

YY

m

Y

YY

G

LL1

2

21

1

1

1021

Cantidad mnima de adsorbente:

nY

Y

nY

Y n 11

1

1

0

1

2

1

Esta expresin nos permite

encontrar el valor de Y1 (Mtodo analtico)

Clculo de Y1: Mtodo grfico Operacin a corrientes cruzadas en 2 etapas

2 etapas en contracorriente

1 2

G;

Y0

G;

Y1

G;

Y2

L;

X0

L;

X2 L;

X1

1120 LXGYLXGY

2110 XXLYYG

21

10

XX

YY

G

L

2201 LXGYLXGY

0221 XXLYYG

02

21

XX

YY

G

L

mmXY 22

2

21

X

YY

G

L

n

m

Y

YY

G

L1

2

21

G;

Y2

1 2

G;

Y0

G;

Y1

L;

X0

L;

X2 L;

X1 Etapa 2

Etapa 1

1 2

G;

Y0

G;

Y1

L;

X0

L;

X2 L;

X1

1200 LXGYLXGY

0120 XXLYYG

01

20

XX

YY

G

L

mmXY 11

1

20

X

YY

G

L

n

m

Y

YY

G

L1

1

20

G;

Y2

Balance total

n

m

Y

YY

G

L1

2

21

n

m

Y

YY

G

L1

1

20

=

11

2

1

1

2

1

2

1

Y

Y

Y

Y

Y

Y n

Esta expresin nos permite

encontrar el valor de Y1 (Mtodo analtico)

Clculo de Y1: Mtodo grfico Operacin en 2 etapas en contracorriente