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Fenómenos de Sorción

Adsorción
by

Luis Hernandez Alvarez

on 26 May 2015

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Fenómenos de Sorción
La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapadas o retenidas en la superficie de un material, en contraposición a la absorción, que es el proceso donde la sustancia es succionada hasta el interior del sorbente y allí mantenida
La adsorción es el proceso mediante el cual un sólido poroso (a nivel microscópico) es capaz de retener partículas de un fluido en su superficie tras entrar en contacto con éste.
La adsorción es un proceso exotérmico y se produce por tanto de manera espontánea si el adsorbente no se encuentra saturado.
Procesos de adsorción:
En los procesos de adsorción, uno o más componentes de una corriente de gas o de líquido se adsorben en la superficie de un sólido y se lleva a cabo una separación.

En los procesos comerciales, el adsorbente generalmente tiene la forma de partículas pequeñas en un lecho fijo. El fluido se hace pasar por el lecho y las partículas sólidas adsorben componentes del fluido.
Cuando el lecho esta casi saturado, el flujo se detiene y el lecho se regenera térmicamente o por otros métodos, de modo que ocurre una desorción. Así se recupera el material adsorbido (adsorbato) y el adsorbente sólido queda listo para otro ciclo de operación.
ADSORBENTES COMERCIALES:
1.Carbón activado:
Éste es un material microcristalino que proviene de la descomposición térmica de madera, cortezas vegetales, carbón, etc., y tiene áreas superficiales de 300 a 1200 m²/g con un promedio de diámetro de poro de 10 a 60 A. Las sustancias orgánicas generalmente se adsorben en carbón activado.
2. Gel de sílice:
Este adsorbente se fabrica tratando con ácido una solución de silicato de sodio y luego secándola. Tiene un área superficial de 600 a 800 m²/g y un promedio de diámetro de poro de 20 a 50 A.
3. Alúmina activada:
Para preparar este material se activa el óxido de aluminio hidratado calentándolo para extraer el agua. Se usa ante todo para secar gases y líquidos. Las áreas superficiales fluctúan entre 200 y 500 m²/g con un promedio de diámetro de poro de 20 a 140 A.
4. Zeolitas tipo tamiz molecular:
Estas zeolitas son aluminosilicatos cristalinos porosos que forman una red cristalina abierta que tiene poros de uniformidad precisa. Por tanto, el tamaño uniforme del poro es diferente al de otros tipos de adsorbentes que tienen una gama de tamaños de poro. Las diversas zeolitas tienen tamaños de poro que van de cerca de 3 a 10 A.
5. Polimeros o resinas sintéticas:
Se fabrican polimerizando dos tipos principales de monómeros. Los que se generan a partir de compuestos aromáticos como el estireno y el divinilbenceno se usan para adsorber compuestos orgánicos no polares de soluciones acuosas. Los que provienen de ésteres acrílicos se utilizan para solutos más polares en soluciones acuosas.
Aplicaciones:
Mecanismos susceptibles de producir adsorción:
Existen varios tipos de mecanismos susceptibles de producir la adsorción, y algunos son:
1) Intercambio iónico:
Es decir el reemplazo de iones adsorbidos en el sustrato por otros iones. Es el caso por ejemplo de adsorción de Amonio cuaternarios en sustitución de iones hidrógeno en el proceso de protección contra la corrosión.
2) Emparejamiento iónico:
Es decir la adsorción de iones (surfactantes) en sitios cargados no ocupados. Es el caso de la adsorción de surfactantes catiónicos o anfóteros sobre sustratos cargados negativamente, en el proceso de suavización de ropa o en la eliminación de electricidad estática del cabello.
Puente hidrógeno:
Es decir el proceso clásico de enlace polar entre el hidrógeno de una molécula y un átomo cargado negativamente (O, S) en la superficie, o viceversa.
Adsorción por polarización de electrones Pi:
Lo cual ocurre cuando se produce una atracción entre un núcleo aromático y un sitio positivo en la superficie del sustrato.
Adsorción por fuerzas de London-Van der Waals:
Las cuales se producen entre sustratos y moléculas no polares, y que son las fuerzas de cohesión de los líquidos orgánicos, a menudo llamadas fuerzas de dispersión porque la frecuencia de oscilación de los electrones que es
responsable de estas fuerzas está ligada con el índice de refracción del medio.
6) Adsorción por rechazo hidrofóbico:
Cuando el empaquetamiento de moléculas de surfactante a la interfase asegura un enlace lateral entre la cola lipofílica de una molécula y las moléculas vecinas, y permite a la molécula escapar al ambiente acuoso.
El proceso de adsorción procede hasta tanto la energía haya alcanzado un mínimo. Cuando todos los sitios del sustrato están ocupados, o cuando el empaquetamiento de las moléculas adsorbidas produce fuerzas contrarias, la adsorción alcanza el equilibrio.
Separación de plásmidos mediante adsorción en partículas macroporosas o membranas perfusivas.
Inmovilización de enzimas en una superficie sólida para que su actividad catalítica se retenga y pueda ser utilizada.
La fisisorción o adsorción física es la forma más simple de adsorción, y es debida a débiles fuerzas de atracción.
La quimisorción o adsorción química ocurre cuando un enlace químico, definido en este caso como un intercambio de electrones, se forma. El grado de intercambio y lo simétrico que sea dependen de los materiales involucrados.
La ecuación de Langmuir o isoterma de Langmuir o ecuación de adsorción de Langmuir relaciona la adsorción de moléculas en una superficie sólida con la presión de gas o concentración de un medio que se encuentre encima de la superficie sólida a una temperatura constante.
La expresión de la ecuación es la siguiente:



donde theta es la fracción de cobertura de la superficie, P es la presión del gas o su concentración, y alpha es una constante.
La constante es la constante de adsorción de Langmuir y es mayor cuanto mayor sea la energía de ligadura de la adsorción y cuanto menor sea la temperatura.
GRACIAS
Adsorción y Absorción
La capacidad de adsorción esta definida en base a los isotermas de adsorción. La isoterma de adsorción es la relación de dependencia, a una temperatura constante, de la cantidad de adsorbato adsorbido por peso unitario de adsorbente, con respecto a la concentración del adsorbato en equilibrio.
Isoterma de Langmuir
En su desarrollo se supone que el soluto se adsorbe como película monomolecular en la superficie del adsorbente. Es la isoterma más frecuentemente utilizada y viene dada por:

X/M = (K*b*Ce)/(1+K*Ce)
donde:

X = peso de soluto adsorbido (adsorbato) (mg)
M = peso de adsorbente (g)
K = constante de equilibrio (cm adsorbente/mg adsorbato)
Ce = concentración de equilibrio del soluto (mg/l)
b = constante que representa el cubrimiento en monocapa por unidad de peso de adsorbente (mg de adsorbato/g adsorbente)
3
La ecuación anterior pude escribirse en forma lineal tomando los inversos de ambos miembros:

1/(X/M) = (1/K*b)(1/Ce)+ (1/b)

La representación de 1/(X/M) en función de (1/Ce) conduce a una línea recta, que permite la determinación de los parámetros K y b a partir de la pendiente y la ordenada al origen respectivamente.
Isoterma de Freundlich
La isoterma de Freundlich viene expresada por:

X/M = k Ce

donde X/M y Ce tienen el mismo significado que en la isoterma de Langmuir, k y n, son constantes que dependen de diversos factores ambientales.
1/n
La ecuación de Freundlich puede volverse a escribir en forma lineal tomando logaritmos en ambos lados de la ecuación:


log (X/M) = (1/n) log Ce + log k.

La ecuación anterior indica que una representación logarítmica de (X/M) en función de Ce conduce a una línea recta que permite la determinación de los parámetros k y n a partir de la pendiente y la ordenada para Ce=1
Isoterma de BET
BET corresponde a las iniciales de Brunauer, Emmet y Teller que desarrollaron este modelo.

Este modelo supone que las capas de las mléculas se adsorben en la parte superiior de moléculas previamente adsorbidas. Cada capa se adsorbe de acuerdo con el modelo de Langmuir.
La isoterma de BET se expresa mediante la ecuación:
La constante b tiene el mismo significado que en la isoterma de Langmuir y k es una constante que se relaciona con la energía de adsorción, Cs es la concentración de soluto a saturación en todas las capas.
La representación de los datos isotérmicos, siguiendo el modelo de BET conduce a una curva de la forma de S.
La ecuación de BET puede reagruparse en forma líneal como sigue:





Esta ecuación indica que la representación de Ce/(Cs-Ce)(X/M) en función de Ce/Cs llevaría a una línea recta. Pueden estimarse las constantes k y b a partir de la pendiente y la ordenada al origen.
Se entiende por enzima inmovilizada (EI) aquella física/químicamente asociada a, o contenida en, un soporte/matriz no esencial para su actividad.
La inmovilización permite la utilización de las enzimas en procesos continuos, lo que permite aumentar su productividad, ó bien para facilitar la separación del catalizador de sus productos, simplificando la etapa posterior de purificación.
Inmovilización de enzimas
Inmovilización de enzimas
Ejemplos de enzimas inmovilizadas
Un soporte para inmovilización debe tener las siguientes propiedades:
Elevada resistencia mecánica, química y biológica
Insolubilidad
Hidrofilicidad
Elevada razón área/volumen
Regenerabilidad
Bajo costo
Por regla, no todas estas propiedades están simultáneamente presentes en un determinado soporte: necesario evaluar todas las alternativas.
Soportes
Los soportes orgánicos presentan:
Buena relación área/volumen
Muy flexibles en su configuración
Bajo costo en algunos casos (residuos orgánicos)
Los soportes inorgánicos a su vez presentan:
Mayor resistencia
Mayor regenerabilidad
Propiedades físicas (ej. porosidad) controlables
Soportes
Los métodos de inmovilización se pueden dividir en:
Sistemas de inmovilización
Este un método simple de inmovilización, en el que el soporte es mezclado con las enzimas, en condiciones apropiadas de pH y fuerza iónica, dejados en contacto por un determinado periodo y después lavado para remover la proteína no adsorbida.
Este método permite valores elevados de carga enzimática (hasta 1 gramo de enzima por gramo de soporte).
Las interacciones implicadas son resultantes de fuerzas de van der Waals, efectos hidrofóbicos y de carga iónica
Sistemas de inmovilización - Adsorción
La selección del soporte pasa por su capacidad de retener la enzima, sin dejar desorber nuevamente al seno del liquido, actividad enzimática obtenida, posibilidad de regeneración y costo.
Como ejemplos de soporte tenemos materias orgánicas neutras (carbón activo y celulosa) y cargadas (quitina, intercambiadores aniónicos y catiónicos), además de materia inorgánica (bentonita, alúmina, vidrio y sílica porosa).
Sistemas de inmovilización - Adsorción
Ejemplo: preparación de invertasa inmovilizada
Sistemas de inmovilización - Adsorción
Procesos de adsorción
Zona A

El adsorbente está totalmente saturado y ya no puede admitir más adsorbato. Se ha alcanzado por lo tanto el equilibrio de adsorción. La concentración de adsorbato en el agua equivale a la concentración en la entrada (Co).
Zona B

El equilibrio de adsorción aún no se ha alcanzado, de modo que el adsorbato está todavía siendo adsorbido.
Esta sección se conoce, en consecuencia, como zona de transferencia de materia (ZTM).
Zona C

Dado que en la zona B se ha extraído por completo el adsorbato del agua, el adsorbente está aquí aún sin carga. La concentración de adsorbato es, por tanto, igual a cero.
El perfil de concentración migra con el tiempo a través del lecho fijo, en el sentido de flujo. En el momento t + Δt se corresponde (
curva azul
). Ya no queda adsorbente sin carga en todo el lecho sólido. La concentración de adsorbato a la salida (c*) es mayor que cero. Este estado recibe el nombre de ruptura y la evolución de la concentración de adsorbato a la salida a lo largo del tiempo se conoce como curva de ruptura.
La forma del perfil de concentración informa sobre la medida en que se aprovecha la capacidad del adsorbente hasta alcanzar la ruptura.
5.-
3.-
2.-
1.-
¿Cuáles son las OPERACIONES alternativas?
La isoterma de desorción para un producto dado y una temperatura determinada, no es superponible a la isoterma de adsorción; en teoría las dos curvas deberían seguir el mismo trazado pero los experimentos permiten demostrar que no siempre ocurre así.
Ésta no coincidencia de las dos curvas se denomina Histéresis.
Histéresis de las isotermas de adsorción
Adsorción:
Fenómeno de acumulación de partículas sobre la superficie de un sólido o líquido.

Fase adsorbida:
La sustancia atraída hacia la superficie.

Adsorbente
: Es aquel que adsorbe (el adsorbato) a su superficie.

Cuando no se puede distinguir el fenómeno de adsorción de la absorción se habla de: sorción.

En el caso de la adsorción se antepone el prefijo ad-. En el tratamiento cinético la palabra adsorción indica siempre el hecho de ser sorbido y desorción el ser desprendido.
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