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INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLOGICASDEPARTAMENTO DE BIOFISICAPractica No. 8 “Adsorción I: Estudio de la Adsorción solido-solución”M. Vargas Castro, T. Vargas Ramírez, O. Ortega Suárez. Equipo: 2 Licenciatura en Químico Farmacéutico Industrial. Grupo: 4FV ResumenEn la...

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLOGICAS DEPARTAMENTO DE BIOFISICA Practica No. 8 “Adsorción I: Estudio de la Adsorción solido-solución”

M.J. Vargas Castro, T.I. Vargas Ramírez, O.A. Ortega Suárez. Licenciatura en Químico Farmacéutico Industrial. Resumen

Equipo: 2 Grupo: 4FV1

En la práctica se llevó a cabo la determinación de adsorbancia a diferentes concentraciones. Dicho proceso se realizó sobre una fase solido-liquido, en donde el carbón activado actuó como adsorbente y el ácido acético fungió el papel de adsorbato, poniendo a prueba las propiedades del sólido para comprobar su capacidad de adsorción. Palabras Clave: absorción, adsorción, adsorbato, adsorbente, equilibrio de adsorción, isotermas, materiales adsorbentes. Introducción Se llama sorción a los procesos químicos y físicos por los que una sustancia queda agregada o unida a otra sustancia, cada una proveniente de fases separadas. (McBain) Según como se produzca, la sorción se puede clasificar en diferentes tipos, los dos más comunes son la absorción y la adsorción. En 1909 McBain introduce el termino absorción para describir lo observado al estudiar la adsorción de hidrogeno por carbón. En dicho fenómeno se lleva a cabo una acumulación parcial de las moléculas del gas o del líquido sobre la superficie del sólido, en donde la sustancia penetra en el sólido y se distribuye por todo su volumen. En los casos en que las moléculas del gas o del líquido quedan solo en la superficie del sólido, el fenómeno es conocido como adsorción. El termino adsorción, fue propuesto por BoisReymond, y llega a la bibliografía en 1881 de la mano de Kayser. En esta época aparecen también los términos “isoterma” y “curva isoterma”, para definir los resultados de las medidas de adsorción a temperatura constante. La adsorción implica la concentración de uno o más componentes de un gas o un líquido en la superficie de un sólido. El sólido se denomina adsorbente y las moléculas adsorbidas en la superficie del sólido,

con mayor concentración que en la fase fluida, se conocen como adsorbato. Fuerzas que intervienen en la adsorción La adsorción se establece debido a las fuerzas de atracción entre las moléculas de fluido y la superficie sólida. Fisisorcion: Si las fuerzas son de tipo van der Waals, conllevan una fisisorcion sobre la superficie del adsorbente, resultado de interacciones intermoleculares débiles entre el sólido y el fluido. Quimisorcion: La adsorción activada o quimisorcion ocurre cuando se forman enlaces químicos entre las moléculas de fluido y la superficie adsorbente. Normalmente, la quimisorcion provoca la adsorción de una monocapa sobre la superficie adsorbente La energía de adsorción en fisisorcion es muy inferior a la que se implica en un enlace químico, y por tanto la reversibilidad del proceso se obtiene, bien sometiendo al sistema a un calentamiento o bien a vacío, de forma que se disminuya la presión del adsorbato. En cualquiera que sea la forma de aplicación de la adsorción como operación de separación o almacenamiento, resulta fundamental el conocimiento de las características del adsorbente y

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del equilibrio de adsorción que se establece entre este y los compuestos de la corriente que se va a tratar. Equilibrio de Adsorción Una de las formas más habituales de representación del equilibrio de adsorción es mediante la relación entre la cantidad adsorbida y la presión, en el caso de gases o vapores, o la concentración en la fase líquida, en el caso de adsorción de líquidos, para una temperatura determinada. Esta relación se conoce como isoterma de adsorción para un determinado sistema adsorbato-adsorbente. Las isotermas de adsorción, se pueden clasificar atendiendo a seis tipos:

Existen diversas teorías implicadas en el análisis del equilibrio de adsorción. 

Con la ecuación linealizada de Langmuir se puede determinar la cantidad de sustancia adsorbida. La ecuación linealizada de Langmuir es:

P 1 P + = a a m∗K am Donde: a= Cantidad de Soluto adsorbida P o C = Presión o concentración del adsorbato K = Constante de Langmuir am Adsorción máxima (monocapa)  Isoterma de Freundlich Existen además una serie de ecuaciones empíricas para el ajuste de datos de adsorción. La primera de ellas fue el modelo de Freundlich, que tiene en cuenta aquellos comportamientos no lineales entre la cantidad adsorbida y la concentración o presión parcial de la fase fluida. Propone una relación lineal entre las funciones logarítmicas de a y c Para aumentar el grado de ajuste de los datos experimentales que presentan un valor límite de la cantidad adsorbida, se propuso un modelo híbrido entre la isoterma de Langmuir y la de Freundlich, conocido como la isoterma de Sips (1948), o modelo de Freundlich generalizado.

Isoterma de Langmuir

Langmuir intenta explicar la isoterma Tipo I, como una adsorción en monocapa (mono molecular) en la cual gracias al equilibrio adsorción-desorción no hay formación de monocapa y representa adecuadamente ciertos casos de quimisorcion. Los fundamentos de esta teoría se basan en la teoría cinética de los gases. Así, se supone que el adsorbente dispone de un numero finito de sitios de adsorción, estando parte de ellos ocupados por moléculas de adsorbato y otra parte, libres. La velocidad de adsorción depende de la presión y del número de sitios libres, mientras que la velocidad de desorción es dependiente del número de sitios ocupados. El estado de equilibrio se obtiene cuando ambas velocidades de adsorción y desorción se igualan, para cierto valor de presión y proporción de sitios libres.

la isoterma de Freundlich describe la isoterma, pero no predice la adsorción máxima de am y presenta desviaciones a los valores elevados de adsorción. 1

Ecuación de Freundlich: a=m∗P n Ecuación linealizada de Freundlich:

log a=logm+

1 logP m

Donde: a= Cantidad de soluto adsorbida P ó C = Presión o concentración del adsorbato 1/n = Constante empírica que representa la velocidad de saturación del adsorbato

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m= Constante empírica que indica la capacidad de adsorción y la afinidad del adsorbato Materiales Adsorbentes La capacidad de adsorción es una de las características más importantes de un adsorbente. Se define como la cantidad de adsorbato que puede retenerse en el adsorbente por unidad de masa o volumen. La capacidad de adsorción se relaciona directamente con la superficie específica del material y con su volumen de poros, así como con el tamaño de poro promedio del material.  Carbón activo convencional: El carbón activo es una forma microcristalina y no grafítica de materiales basados en carbón amorfo, fabricado con el objeto de proporcionar un alto grado de porosidad y una elevada superficie específica.  El gel de sílice: Es un material amorfo compuesto por partículas esféricas de tamaños entre 2 y 20 nm que se agregan formando un material adsorbente. Se utiliza en la adsorción de agua a bajas temperaturas; en estas condiciones su capacidad de absorción de agua es superior a la de otros adsorbentes como las zeolitas o la alúmina activada. Deducciones Matemáticas Para Langmuir Para Freundlich Objetivos  Comprender el fenómeno de adsorción, así como el comportamiento del adsorbente y adsorbato.  Determinar la diferencia entre isoterma de Langmuir y Freundlich, así como su correspondencia con la isoterma obtenida experimentalmente.  Comprender que es una isoterma y la importancia de su obtención.  Discernir características que dotan de buena adsorción a un material según sus propiedades. Resultados y Discusión de Resultados

Fig. 1 Concentración del Ácido Acético vs Adsorción

Con base en la gráfica, es posible observar que, a mayor concentración del adsorbato, mayor será la adsorción en el adsorbente. Durante la fase experimental es posible determinar que la sustancia utilizada como adsorbato, o séase el ácido acético y el cual se encuentra en mayor concentración, es capaz de mantenerse en la superficie del carbón activado, es decir, el adsorbente. Dicho fenómeno de adsorción se debe a la heterogeneidad en la superficie del sólido. El carbón activado tiene una gran superficie de contacto por lo tanto de acción, lo que significa que en diferentes partes de esta superficie actúan fuerzas distintas sobre las moléculas del adsorbato. La estructura de este sólido, lo dota de un gran número de poros finos, los cuales forman una gran cantidad de depresiones y vacíos, lo que implica entonces que su capacidad de adsorción es muy grande. Por lo tanto, es comprensible que, a mayor adsorbato, sobre el carbón activado, este sea capaza de mantener una gran cantidad de ácido acético en su superficie y aumente la adsorción.



Langmuir C/a 0.25 0.27 0.37 0.52 0.68 0.9

C 0.025 0.05 0.1 0.2 0.3 0.45

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Fig. 2 Isoterma de Langmuir

Se sabe que para comprobar que un isoterma experimental corresponda al isoterma de Langmuir, es necesario establecer una relación entre la concentración de adsorbente y la adsorción. En base a la gráfica, es posible observar que la dependencia C/a en contra de la concentración (C) tiene como producto una línea recta lo que sugiere entonces que la ecuación de Langmuir describe a la isoterma obtenida experimentalmente. Por la gráfica se sabe que:

adsorción de líquidos, para una temperatura determinada. Dado el resultado de K que nos indica la constante de equilibrio de adsorción entonces podemos deducir que existe correspondencia de la isoterma experimental y la isoterma de Langmuir. Una causa capaz de explicar la incompatibilidad de ambas isotermas se debe a que la isoterma de Langmuir solo considera a solidos u adsorbatos homogéneos, pero como fue descrito con anterioridad, el adsorbente con el que dicho experimento se llevó a cabo, es decir, el carbón activado, es un material heterogéneo y que no forma solo una capa de moléculas. Por dichas razones, es posible realizar y comprobar la correspondencia con una isoterma de Freundlich. 

Freundlich. Log a -1.01 -0.74 -0.56 -0.42 -0.35 -0.30

Log C -1.60 -1.30 -1 -0.69 -0.52 -0.34

y= a + bx Obteniendo las constantes de regresión lineal m= 1.534 b=0.214 Para el cálculo de la constante de Langmuir: m=1/A max

A max=1/ m

A max= 1/1.534 = 0.65 Por lo tanto: a= 1/ (A max) (K)

Fig. 3 Isoterma de Freundlich

K= 1/ (A max) (b)

K= 1/ (0.65) (0.214) = 7.18 La A max es una cantidad que nos indica el número de moléculas indispensables para llenar una capa mono molecular compacta y que nos permite calcular la constante de equilibrio de adsorción, es decir, relación entre la cantidad adsorbida y la concentración en la fase líquida, en el caso de

La isoterma Freundlich considera la heterogeneidad del adsorbato y no se ve limitada por la formación de una sola capa de moléculas. Para comprobar su correspondencia con la isoterma obtenida experimentalmente es necesario establecer una relación logarítmica de la adsorbancia y la concentración del adsorbato, logrando con base en la gráfica observada una línea recta. Por la gráfica se sabe que:

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y= a + bx Obteniendo las constantes de regresión lineal: m=0.552 b= -0.061| Para el cálculo de la constante: a=log m m= 10a m= 10 -0.061

m=0.86 Para la constante n: b= 1/n

n=1/b

n=1/0.552

n= 1.81

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