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
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