ADSORCIN

ADSORCIN

I. INTRODUCCION

El uso de sustancias slidas para separar diferentes elementos desde soluciones lquidas o gaseosas es muy conocido y se llama ADSORCIN y funcionan por seleccin preferencial de los elementos de las soluciones en fase lquida o gaseosa respecto del sustrato slido adsorberte.

Este fenmeno es bien utilizado y difundido en varios procesos de la industria de la alimentacin con cientos de aplicaciones donde el fenmeno de la adsorcin es una vital herramienta de separacin y purificacin.

Hoy da la industria qumica emplea en gran nmero de procesos materiales porosos (zeolitas, carbonos activos, PILCS) que tienen la capacidad de retener en su superficie fluidos a escala molecular. En estos casos, la estructura que confina al fluido es el poro del material y el proceso de captura del fluido recibe el nombre de adsorcin.

A diferencia de la absorcin, en un proceso de adsorcin el fluido no se incorpora al volumen del material, sino que es retenido en su superficie

II. RESUMEN

El objetivo de la prctica es la de hacer un estudio de la adsorcin de un soluto sobre la superficie de un slido poroso y la aplicacin de la ecuacin de Freundlich. Las condiciones de laboratorio en que se realiz la prctica fueron de presin: 756 mmHg, temperatura: 22C y humedad relativa: 90%.

La adsorcin fsica consiste en preparar soluciones de HAc a partir de una solucin 0.15N, las soluciones de 250 ml tendrn una concentracin 0.12; 0.09; 0.06; 0.03 y 0.015N, estas fueron valoradas con una solucin de NaOH 0.1N (esta fue valorada con biftalato de potasio dando como resultado 0.08082N), se procedi a valorar todas las soluciones antes de agregarles carbn activado dando como resultado las siguientes concentraciones: 0.1406; 0.1115; 0.0824; 0.0542; 0.0287 y 0.0145N, luego se les agreg 0.5g de carbn activado y 50mL de solucin de 0,15 N al primer matraz, as sucesivamente hasta 0,015N (sexto matraz), agitamos por media hora los matraces. Despus de reposar las soluciones, filtramos y valoramos con NaOH con los datos obtenidos corregimos las concentraciones (Co) y de los filtrados calculamos la Cequilib que nos dio como resultado las siguientes concentraciones: 0.1382; 0.1018; 0.0800; 0.0457; 0.0214 y 0.0081N respectivamente.

En la grfica #2 log x/m vs. Log Cequiv tiende a ser una recta de la cual la pendiente es igual 0.2032 y la constante (interseccin con el eje Y) es igual a -1.0415 comparando con la ecuacin: log x/m = log K + nlogC se determin K = 0.091, dando como resultado un porcentaje de error de 43.1% y el valor hallado para n = 0.2032, dando como resultado un porcentaje de error de 52.9%.

En la adsorcin qumica a 4 vasos de 100 mL, se agreg aceite neutralizado (20mL) los calentamos a las temperaturas de 60, 70, 80 y 90C, luego aadimos tierra activada y agitamos. A cuatro tubos le agregamos una muestra de c/aceite neutralizado y a un 5to tubo la muestra patrn (aceite sin tratar), comparamos las tonalidades agregando aceite tratado hasta igualar el color de la muestra patrn. Las alturas obtenidas a las diferentes temperaturas fueron de: 3.4; 3.9; 4.4 y 5.5cm respectivamente. A la materia coloreada se calcul su concentracin a las diferentes temperaturas que fueron de: 0.559; 0.487; 0.432 y 0.345N.

Concluimos que la adsorcin depende de la naturaleza especfica del slido y de las molculas que estn siendo adsorbidos y en funcin de la presin o de la concentracin y la temperatura. Se recomienda agitar las muestras sin que quede carbn en las paredes del matraz y es muy importante pesar exactamente el carbn activado.III. PRINCIPIOS TEORICOS

Propiedades fsicas de los adsorbentes

Se han desarrollado muchos adsorbentes para una amplia gama de separaciones. Por lo comn, los adsorbentes tienen forma de pelotitas, pequeas cuentas o grnulos cuyo tamao va de cerca de 0.1 mm a 12 mm, y las partculas ms grandes se usan en los lechos empacados. Una partcula de adsorbente tiene una estructura muy porosa, con numerosos poros muy finos, cuyo volumen alcanza hasta el 50% del volumen total de la partcula. La adsorcin suele ocurrir como una monocapa sobre la superficie de los poros, pero a veces se forman varias capas. La adsorcin fsica, o de Van der Waals, por lo general sucede entre las molculas adsorbidas y la superficie interna slida del poro, y es fcilmente reversible.

El proceso de adsorcin global consta de una serie de pasos. Cuando el fluido pasa alrededor de la partcula en un lecho fijo, el soluto primero se difunde desde el volumen del fluido hacia toda la superficie exterior de la partcula. Luego, el soluto se difunde hacia el interior del poro hasta la superficie del mismo. Por ltimo, el soluto se adsorbe sobre la superficie. As, el proceso de adsorcin global es una serie de pasos.

Relaciones de equilibrio para adsorbentes

El equilibrio entre la concentracin de un soluto en la fase fluida y su concentracin en el slido se parece un poco a la solubilidad en equilibrio de un gas en un lquido. Los datos se grafican para dar isotermas de adsorcin, como se muestra en la figura siguiente. La concentracin en la fase slida se expresa como q, en kg de adsorbato(soluto)/kg de adsorbente(slido), y en la fase fluida (gaseosa o lquida) como c, en kg de adsorbato/m3 de fluido. Los datos que siguen una ley lineal se pueden expresar mediante una ecuacin parecida a la ley de Henry.

Donde K es una constante determinada experimentalmente, en m3/kg de adsorbente. Esta isoterma lineal no es comn, pero en la regin diluida se puede usar para aproximar los datos de muchos sistemas. La ecuacin de la isoterma de Freundlich, que es emprica, a menudo sirve para aproximar los datos para muchos sistemas de adsorcin fsicos y es particularmente til para lquidos.

Donde K y n son constantes y se -determinan experimentalmente. En una grfica log-log de q en funcin de c, la pendiente es el exponente adimensional n. Las dimensiones de K dependen del valor de n. Esta ecuacin a veces se usa para correlacionar datos para hidrocarburos gaseosos en carbn activado.

La isoterma de Langmuir tiene una base terica y est dada por la siguiente ecuacion, donde qo y K son constantes empricas:

donde q. es una constante, en kg de adsorbato/kg de slido, y K es una constante, en kg/m3. La ecuacin se dedujo suponiendo un nmero fijo de sitios activos disponibles para la adsorcin, que slo se forma una monocapa y que la adsorcin es reversible y alcanza una condicin de equilibrio. Cuando se grafica l/q en funcin de l/c, la pendiente es K/q, y la interseccin es l/q0. En casi todos los sistemas de adsorcin, a medida que aumenta la temperatura la cantidad adsorbida por el adsorbente va disminuyendo con rapidez, lo cual es til porque la adsorcin normalmente se hace a la temperatura ambiente y la desercin se puede efectuar aumentando la temperatura.

IV. DETALLES EXPERIMENTALES

Materiales

Erlenmeyers con tapn, fiola de 1L, de 100ml, embudos, porta embudos, vasos de 250 y 100ml, bureta, pipetas, termmetro, erlenmeyers, tubos de base plana

Reactivos

Carbn activado, tierra activada, cido actico, aceite neutralizado, fenolftalena, biftalato de potasio, papel filtro, solucin de NaOH 0,1N.

Procedimiento:

Adsorcin de cido actico sobre carbn activado.

Se prepararon 100mL cido actico en fiolas 0.12N, 0.09N; 0.06N0.03N; y 0.015N a partir de una concentracin inicial de 0.15N. Luego se pesaron 6 muestras de carbn activado y se disolvieron con 50mL de las soluciones preparadas a diferentes concentraciones en cada uno de los matraces; seguidamente se agit los matraces por un tiempo de 30 minutos y se dejo en reposo durante 2 horas. En el transcurso del tiempo se valor la base (NaOH) usando biftalato de potasio como patrn valorante; una vez valorada la base se valor cada una de las soluciones usando indicador fenolftalena.

Transcurridas las dos horas de reposo de las muestras, se filtraron desechando los primeros 10mL de cada filtrado y seguidamente se valoraron nuevamente con la base (NaOH).

Adsorcin qumica: Purificacin de aceites con tierra activada

Se verti 20mL de aceite neutralizado en 4 vasos limpios y secos despus se calent el aceite hasta 50C y se agreg 0.2g de de tierra activada, se mezcl agitando durante 5 minutos a temperatura constante y se filtraron en caliente usando papel filtro.

Del mismo modo se filtraron las dems muestras de aceite a temperaturas de 60C, 70C y 80C. Despus, se tomo una muestra de aceite sin tratar y se verti en un tubo a una altura aproximada de 1cm, y en otro tubo se verti aceite tratado a cierta temperatura y se envolvieron ambos tubos con papel blanco. Se coloca a contra luz y se agreg el aceite tratado a su respectivo tubo hasta que se observe homogeneidad en la coloracin de ambos tubos y se anot la altura del aceite tratado. Se realizaron los mismos procedimientos para los dems tubos.

V. TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES

TABLA N1Condiciones del laboratorio

7562290

TABLA N2Valoracin del hidrxido de sodio con biftalato de potasio

0.2509204.22815.20.08082

TABLA N3Concentraciones iniciales para el cido actico

0.151017.40.1406

0.121013.80.1115

0.091010.20.0824

0.062013.40.0542

0.03207.10.0287

0.015203.60.0145

TABLA N4Valoracin de las concentraciones del cido actico

0.151017.10.1382

0.121012.60.1018

0.09109.90.0800

0.062011.30.0457

0.03205.30.0214

0.0152020.0081

TABLA N5Gramos absorbidos (X) y gramos de HAc adsorbidos por gramo de carbn para la grafica de la isoterma de adsorcin de Freundlich (X/m vs C)

0.14060.13820.00240.00730.50180.0145

0.11150.10180.00970.02910.50120.0581

0.08240.08000.00240.00730.50130.0145

0.05420.04570.00850.02550.50190.0508

0.02870.02140.00730.02180.50190.0435

0.01450.00810.00650.01940.50150.0387

TABLA N6Datos para la grafica

0.01450.1382

0.05810.1018

0.01450.0800

0.05080.0457

0.04350.0214

0.03870.0081

TABLA N7Datos para la grafica

-1.8384-0.8595

-1.2358-0.9921

-1.8380-1.0968

-1.2944-1.3404

-1.3613-1.6692

-1.4122-2.0925

TABLA N8Datos experimentales y tericos de la grafica

0.2030.091

0.4310.16

52.943.1

TABLA N9Adsorcin qumica aplicada a la purificacin de aceite con tierra activada1.9

1

603.40.5590.559

703.90.4870.487

804.40.4320.432

905.50.3450.345

VI. EJEMPLO DE CLCULO

Adsorcin de cido actico sobre carbn activado

a) Con los datos obtenidos se calcula la concentracin inicial (C0) y en el equilibrio (C), de cido actico en cada matraz.

Para el cido actico 0.15N aproximadamente.

El mismo procedimiento se realiz para las dems soluciones que se prepararon las que fueron valoradas con el NaOH 0.08082N y cuyos resultados se encuentran en la tabla N3.

Las soluciones que fueron filtradas de los matraces en presencia del carbn activado tambin se valoraron con el NaOH 0.08082N, como en el caso de la solucin 0.15N se obtuvo lo siguiente:

De igual forma se procedi para los dems filtrados de los cuales se obtuvo sus concentraciones las cuales se encuentran indicadas en la tabla N4.

b) Usando los resultados de (a), se calcula los gramos de HAc adsorbidos (X) y los gramos de HAc adsorbidos por gramo de carbn (X/m)

Para calcular los gramos de HAc adsorbidos se sabe que:

Donde:

: Cambio de concentracin molar de la solucin. M: Peso molecular del soluto. V: Volumen de la solucin. X: Peso del soluto adsorbido.

Para la solucin 0.15N se tiene que:

Los gramos adsorbidos por gramo de carbn para esta solucin sern:

c) Se grafica la isoterma de adsorcin de Freundlich.

d) Grafique log(X/m) vs Log(C). De la grafica determine K y n. compare con los valores tericos

Los porcentajes de error que se calculan son:

Porcentaje de error para el K:

Porcentaje de error para n:

Adsorcin Qumica aplicada a la purificacin de Aceite de tierra activada.

a) Calcule la concentracin de materia coloreada remanente en los aceites, mediante la ecuacin:

Adsorcin Qumica

Concentracin de materia colorada mediante la ecuacin:

Dnde:

Para 1 muestra a 60C.

h1 (Ver Tabla N 9).

Se calcul por el mismo procedimiento para cada muestra a diferentes temperaturas (70, 80 y 90C). Ver tabla N 9

b) Grafique la concentracin relativa de materia coloreada en funcin de la temperatura. Interprete dicho grafico.

VII. ANALISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS

Al graficar log x/m VS log C se obtiene una ecuacin de recta con pendiente positiva cuyo valor es de 0.2032, que comparando con la ecuacin de Freundlinch se pudo obtener los valores de las constantes, donde n=0.2032 y tambin la interseccin es de -1.04215 que tomando el antilogaritmo nos da un valor (K) de 0.7865.

El Porcentaje de error obtenido es del 43.1 en defecto, este error se puede asociar al ajuste de los puntos a una recta, ya que hay algunos puntos que no se acomodan a la recta y por tanto hay variaciones de pendiente y su interseccin. Otro posible error , de distribucin de puntos, es que la solucin no haya llegado completamente al equilibrio, o tambin a que el carbn activado pudo adsorber agua al momento de pesar o al introducir al matraz y que en consecuencia se haya modificado su capacidad de adsorcin al cido actico.

VIII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La magnitud de absorcin depende de la naturaleza especfica del slido y de las molculas que estn siendo adsorbidas y es una funcin de la presin o de la concentracin y la temperatura. Segn la grfica de Freundlinch a medida que aumenta la concentracin del cido actico (adsorbato) aumenta la relacin entre la cantidad adsorbida por gramo de carbono; en una tendencia exponencial mas no directamente proporcional. El tipo de adsorcin realizada durante la prctica fue de tipo Fisisorcin, debido a que no hubo reaccin qumica entre los reactivos utilizados, es decir, no hubo formacin de enlaces.

Para obtener mejores resultados es recomendable considerar lo siguiente: Se debe agitar ligeramente y continua los matraces para obtener mejores resultados, se debe descartar los primeros 10mL al filtrar la solucin de los erlenmeyers ya que son pobres en cido actico a la adsorcin del papel y tambin valorar exactamente y con mucha precisin las soluciones antes y despus de filtrar.

IX. BIBLIOGRAFIA

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Glasstonne S. , Tratado de Qumica Fsica, 7ma ed., Ed. Aguilar, Espaa, pag 1675-1100.

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Pons Muzzo G., Fisicoqumica, 6ta ed., Ed. Universo, Lima, 1985, pag 4736-479.

Atkins P.W., Fisicoqumica, 2da. Ed., Ed. Adisson Wesley, Iberoamericana, Mxico, 1988, pag 892-915.

Crockford H. Fisicoqumica, 1ra ed., Ed, adrid, adrid, 1961, pag 385-394.

X. APENDICE

CUESTIONARIO

1) Desde el punto de vista del fenmeno de adsorcin, explique el tratamiento de agua con resinas sintticas

En los llamados absorbentes de intercambio, la absorcin es realmente una accin qumica en la que se libera un in absorbente al absorberse otro.

El ablandamiento del agua, usando resinas sintticas, es un ejemplo de este fenmeno. La capacidad de una resina va desde 4 a 9 m equiv. De cido por gramo de resina seca. En este caso se consigue la regeneracin atando la resina agotada con una solucin de Carbonato de Sodio.

Pasando sucesivamente por columnas de resinas de intercambio bsico (forma de hidrgeno) y cido, se puede obtener agua desionizada de calidad comparable con el agua destilada.

La resina de intercambio consiste en partculas de aproximadamente 20 a 50 mallas, que cuando uno se usa, se conservan en una solucin de regeneracin de Carbonato de Sodio al 8%, la solucin de Carbonato se decanta y la resina se enjuaga son tres porciones de agua destilada, dejando que la resina se sedimente.

2) En reacciones qumicas en fase heterognea, explique el efecto de la superficie slida.

La teora de la catlisis de contacto comienza con el concepto de Lagmir de que un gas es absorbido sobre la superficie de un slido en una capa cuyo espesor es la de una sola molcula. Adems, no es necesario que toda la superficie se cubra con el gas absorbido. En efecto, hay partes cubiertas y otras desnudas; pero solo en las primeras es donde se lleva a cabo la reaccin y, por lo tanto, son las que condicionan la velocidad.

3) Indique los adsorbentes industriales mas importantes, con algunas de sus aplicaciones.

El carbn activado, al colocarse entre las paredes, tiende a adsorber todos los gases que aparecen como consecuencia de las imperfecciones del vidrio o por difusin a travs del vidrio o por difusin a travs del vidrio

Como aplicaciones de la adsorcin desde las soluciones podemos mencionar la clarificacin de los licores del azcar por el negro de humo, la remocin de la materia colorante de diversas soluciones; y la recuperacin de tintes desde las soluciones diluidas en numerosos solventes.

Tambin la adsorcin se ha utilizado para la recuperacin y concentracin de las vitaminas y otras sustancias biolgicas y ahora encuentra su utilidad en el mtodo denominado de anlisis cromatogrfico.

Los agentes activos superficiales hallan una extensa aplicacin en los detergentes, pinturas, lubricacin y en otra multitud de campos. Todas las superficies se cubren de capas slidas, liquidas o de gas, y el problema de su remocin es a veces importante. Las sustancias que desplazan estos materiales adherentes se denominan agentes humectantes que disminuyen las tensiones interfaciales por adsorcin preferente y permiten as que se humedezca la superficie por un liquido. Si a esta accin acompaa la dispersin del film desplazado, tenemos un detergente, es decir, una sustancia adecuada para la eliminacin de la suciedad y grasa. Entre los agentes humectantes tpicos usados en el comercio se encuentran los alcoholes alifticos, alcoholes sulfonados superiores, naftalenos alquisulfnicos y jabones de diversas clases.

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