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FUNDAMENTOS DE ADSORCIN
Dr.RobertoLeyvaRamosDr.RobertoLeyvaRamos
CentrodeInvestigacinyEstudiosdePosgradoFacultaddeCienciasQumicas
UniversidadAutnomadeSanLuisPotos
CentrodeInvestigaciCentrodeInvestigacinyEstudiosdePosgradonyEstudiosdePosgrado
FacultaddeCienciasQuFacultaddeCienciasQumicasmicas
UniversidadAutUniversidadAutnomadeSanLuisPotosnomadeSanLuisPotos
1. 1 ADSORCI1. 1 ADSORCINN
Adsorbatoosoluto
Adsorbente
1. INTRODUCCI1. INTRODUCCINN
Adsorcin es la acumulacin preferencial de una substancia en una
fase liquida o gaseosa sobre la superficie de un slido (IAS)
Los procesos de adsorcin son ampliamente usados en muchas
aplicaciones industriales y en la purificacin de agua potable o
tratamiento de agua residual
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1.2 PROCESO DE ADSORCI1.2 PROCESO DE ADSORCINN
Un proceso de adsorcin involucra la separacin de una substancia
en una fase fluida acumulando la sustancia en la superficie del
adsorbente slidoLos procesos de adsorcin son empleados para
purificar y separar substancias
1.3 CARACTER1.3 CARACTERSTICAS DE LOS ADSORBENTESSTICAS DE LOS
ADSORBENTES
Gran rea superficial o volumen de microporosEstructura porosa
para que las molculas del adsorbato se transporten a los sitios
activos
Un adsorbente deber tener una gran capacidad de adsorcin y rpida
velocidad de adsorcin
Microporos d < 2 nm
Mesoporos 2 < d < 50 nm
Macroporos d > 50 nm
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1.4 ADSORBENTES 1.4 ADSORBENTES COMERCIALCOMERCIALESES
Carbn Activado $1 Mil MillonesZeolitas Tamices Moleculares $100
MillonesGel de Slice $27 MillonesAlmina Activada $26 Millones
Almina Activada
Carbn Activado
1.5 CARB1.5 CARBN N ACTIVADACTIVADOO
Qu es el carbn activado?El carbn activado se prepara a partir de
materiales que contienen carbn, tales como carbn mineral
(antracita, bituminoso, lignito), madera, cscara de coco, residuos
agricolas, etc
Fabricacin de carbn activado
Pirolisis o carbonizacin
Activacin con gases oxidantes
HistoriaEn Egipto se usan carbones de madera (wood charcoals)
con fines medicinales
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1.6 APPLICA1.6 APPLICACCIONIONEESS DEL CARBDEL CARBN ACTIVADON
ACTIVADO
Fase LiquidaTratamiento de agua potable y residualAlimentos y
bebidas carbonatadasHidrometalurgiaProductos qumicos y
farmacuticos
Fase GaseosaPurificacin de gasesPurificacin de aireRecuperacin
de solventesCatalizadoresProduccin de gasesTratamiento de gases de
combustinCeldas combustibles
Concentracindelsolutoensolucin,mg/L
AdsorbenteAdsorbente
2. ISOTERMA DE ADSORCI2. ISOTERMA DE ADSORCINNDefinicin:La
Isoterma de Adsorcin es la relacinmatemtica entre lamasade soluto
adsorbido y la concentracin del soluto en
lasolucinunavezquesehaalcanzadoelequilibrio.
Soluto
q = Masa del soluto adsorbido, mg/g
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4.4. Placa de agitaciPlaca de agitacin magnn magnticatica5.5.
AdsorbenteAdsorbente6.6. Barra de agitaciBarra de agitacinn
1.1. BaBao de temperatura constanteo de temperatura
constante2.2. AdsorbedorAdsorbedor3.3. Recirculador de
aguaRecirculador de agua
Figura 1. Adsorbedor experimental de lote. Bolsa con
adsorbente
2.1 METODOLOGIA PARA OBTENER DATOS DE 2.1 METODOLOGIA PARA
OBTENER DATOS DE EQUILIBRIO DE ADSORCIONEQUILIBRIO DE ADSORCION
1. Bao de temperatura constante
2. Recirculador de agua3. Adsorbedor4. Adsorbente
25 C
1
2
3
4
Figura 2. Adsorbedor experimental de lote. Tubo de
centrifuga
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m
CVCVCVq
N
1iAiiAffA00
= =
a
N
1iiof VVVV +=
=
Balance de masa del adsorbato:
m)C(CVq AfA00 =
2.2. MODELOS DE ISOTERMAS DE ADSORCI2.2. MODELOS DE ISOTERMAS DE
ADSORCINN
KC1KCq
q m+
=
n1
kCq =
bC1aCq+
=
LangmuirLangmuir
PrausnitzPrausnitzRadkeRadke
ModelosdeIsotermas:ModelosdeIsotermas:
FreundlichFreundlich
LinealLineal CK q =
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Figura 3. Adsorcin de fenol sobre organobentonita. T=25C, pH=5.
La lnea representa la isoterma lineal o de Henry.
0 200 400 600 800 1000 1200
Concentracin de fenol en el equilibrio, mg/L
0
20
40
60
80
100
120
Mas
a de
feno
l ads
orbi
do, m
g/g
q = 0.0928 C
Datos experimentales
CK q =
Figura 4. Isoterma de adsorcin de Cd(II) sobre tres carbones
activados comerciales en polvo. Las lneas representan la isoterma
de Langmuir.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Concentracin de Cd(II) en el equilibrio, mg/L
0
10
20
30
40
50
60
Mas
a de
Cd(
II) a
dsor
bido
, mg/
g
Carbn en polvo CAECarbn en polvo DBCarbn en polvo BM
KC1KCq
q m+
=
mqq =
KCqq m=
KC 1
KC < 1
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Figura 5. Adsorcin de Cd (II) sobre tela de carbn activado a
T=25C. La lnea representa la isoterma de Freundlich.
Concentracin de Cd(II) en el equilibrio, mg/L
Mas
a de
Cd(
II) a
dsor
bido
, mg/
g
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1
2
3
4
5
6
Tela de Carbn Activado
n1
kCq =
Figura 6. Comparacin de las isotermas de Langmuir y Freundlich.
Adsorcin de Cr(VI) sobre un carbn activado bituminoso. T=25C,
pH=8.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Concentracin de Cr(VI) en el equilibrio, mg/L
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Mas
a de
Cr(
VI)
ads
orbi
do, m
g/g
C0.2811C1.25
q+
=
0.503C0.313q =
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Figura 7. Isoterma de adsorcin de pentaclorofenol sobre el carbn
activado F-300. T=25C.
Concentracin de PCF en el equilibrio, mg/L
Mas
a de
PC
F ad
sorb
ido,
mg/
g
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
50
100
150
200
250
Figura 8. Grafica de Scatchart de los datos de equilibrio de
adsorcin de pentaclorofenol sobre carbn activado comercial
F-300.
q
q/c
0 40 80 120 160 200 2400
50
100
150
200
Carbn F-300
KC1KCqq m
+=
KCqqKCq m=+
Kq-Kqq/C m=
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0 20 40 60 80 100 120
Concentracin de PCF en el equilibrio, mg/L
0
50
100
150
200
250
300M
asa
de P
CF
adso
rbid
o, m
g/g
Carbn BMCarbn CAECarbn DB
Figura 9. Adsorcin de PCF sobre varios carbones activados en
polvo. Las lneas representan la isoterma de Prausnitz-Radke.
bC1aCq+
=
aCq =
bC1aCq+
=
bC 1
= 1Cbaq
= 1
bC < 1
3. EFECTO DE LAS VARIABLES DE OPERACIN EN LA CAPACIDAD DE
ADSORCIN
3.1 NATURALEZA DEL ADSORBENTE3.1 NATURALEZA DEL ADSORBENTE
Al-OH + H+ Al-OH2+
Las caractersticas de la superficie determinan el tipo de sitios
activos donde se adsorbe el soluto.
a) Almina Activada:
2 Al-O- + Cd2+ (Al-O)2Cd
Al-OH2+ + H2AsO4 - Al-OH2+ H2AsO4 -
Al-OH + H2AsO4 - Al- H2AsO4 + OH-
Al-OH Al-O- + H+
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Sitios cidos
Carboxlico, 3-6
Lactnico, 7-9
Fenlico, 8-11
Carbonilo, 11-14
SASA-- + M+ M++ = SA= SA--MM
b) Carbn Activado:
2SA2SA-- + Pb+ Pb2+2+ = (SA)= (SA)22PbPb
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Concentracin de Fluoruro en el Equilibrio, mg/L
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Mas
a de
Flu
orur
o A
dsor
bido
, mg/
g
Carbn de huesoAlmina activadaCarbn activado
Figura 10. Isotermas de adsorcin de fluoruro sobre carbn de
hueso, almina activada y carbn activado. pH=5 y T=25 C.
c) Adsorcic) Adsorcin de fluoruro sobre varios adsorbentesn de
fluoruro sobre varios adsorbentes
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Concentracin de Fluoruro en el
Equilibrio, mg/L
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Mas
a de
Flu
orur
o A
dsor
bido
, mg/
g
Carbn de hueso, pH = 3Carbn de hueso, pH = 5Carbn de hueso, pH =
7ACNT, pH=3ACNT, pH=5ACNT, pH=7
Figura 11. Isotermas de adsorcin de fluoruro sobre carbn de
hueso y nanotubos de carbn. T=25 C.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Concentracin de Fluoruro en el
Equilibrio, mg/L
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Mas
a de
Flu
orur
o A
dsor
bido
, mg/
g
Al2O3/CNTs (pH=5)
Fibra de Intercambio Ionico (PAN) (pH=3.5)
Figura 12. Isotermas de adsorcin de fluoruro sobre carbn de
hueso, fibras de intercambio inico y almina soportada sobre
nanotubos de carbn. T=25 C.
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3.2 EFECTO DEL PH DE LA SOLUCI3.2 EFECTO DEL PH DE LA SOLUCINNLa
capacidad de adsorcin es muy dependiente del pH de la solucin ya
que afecta las caractersticas de la superficie, el tipo de especies
del adsorbato que se encuentran en solucin y las interacciones
entre la superficie y el adsorbato en solucin.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Concentracin de Fluoruro en el Equilibrio, (mg/L)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Mas
a de
Flu
orur
o A
dsor
bido
, (m
g/g) pH = 3
pH = 5pH = 7pH =10pH =11
Figura 13. Efecto del pH en la isoterma de adsorcin de fluoruro
sobre carbn de hueso. T=25 C.
Adsorcin de fluoruro sobre carbn de hueso
Carbn de Hueso
Figura 6. Efecto del pH en la isoterma de adsorcin de fluoruro
sobre carbn de hueso. T=25 C
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Concentracin de Fluoruro en el Equilibrio, (mg/L)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Mas
a de
Flu
orur
o A
dsor
bido
, (m
g/g) pH = 3
pH = 5pH = 7pH =10pH =11
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Figura 14. Distribucin de la carga superficial del carbn de
hueso
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
pH de la solucin
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0C
arga
de
la su
perf
icie
, mm
ol/g
PCC = 8.4
0 2 4 6 8 10 12 14pH
0
20
40
60
80
100
Dist
ribuc
in
de e
spec
ies,
%
HF
F-
Figura 15. Diagrama de especiacin del fluoruro.
F-
-
+
+
+
+
pH < PCC (8.4)
+
+
+
+ -
-
-
-
pH = PCC (8.4)
F-
-
+-
-
-
F-
pH > PCC (8.4)
AtraccinRepulsin
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3.3 EFECTO DE LA TEMPERATURA3.3 EFECTO DE LA TEMPERATURA
La isoterma de adsorcin representa el equilibrio termodinmico
entre el soluto adsorbido y el soluto en solucin y por esta razn,
es dependiente de la temperatura. La temperatura afecta el
equilibrio porque las interacciones entre la superficie y las
molculas en solucin dependen de la temperatura. En la literatura
sobre adsorcin en fase liquida se ha reportado que la temperatura
puede afectar el equilibrio de adsorcin de las tres formas
siguientes:
i)El equilibrio de adsorcin se favorece disminuyendo la
temperatura.ii)ii) El equilibrio de adsorcin se favorece aumentando
la temperatura.iii)iii) El equilibrio de adsorcin es independiente
de la temperatura.
Figura 16. Isotermas de adsorcin de Cd(II) sobre TCA oxidada con
solucin de HNO3.
pH=8.
0 5 10 15 20 25 30 35 40Concentracin de Cd(II) en el equilibrio,
mg/L
0
20
40
60
80
100
Mas
a de
Cd(
II) a
dsor
bido
, mg/
g
T = 15CT = 25CT = 35C
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Concentracin de amonio en el equilibrio, meq/L
Mili
equi
vale
ntes
de
amon
io a
dsor
bido
, meq
/g
0 20 40 60 80 100 120 140 1600.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
T = 15oC T = 25oC T = 40oC
Figura 17. Efecto de la temperatura en la isoterma de
intercambio de NH4+ sobre una clinoptilolita a pH=6.
Figura 18. Efecto de la temperatura en la constante K de la
isoterma de Langmuir.
T
(oC)
qm(meq/g)
K
(L/meq)
15 1.47 0.0890
25 1.55 0.108
40 1.74 0.115
Tabla 3. Constantes de la isoterma de Langmuir para el
intercambio inico de NH4+ sobre clinoptilolita.
RTH0
ineKK =
=
T1
RHKlnLnK in0
0.0031 0.0032 0.0033 0.0034 0.0035
1/T, K-1
-2.4
-2.3
-2.2
-2.1
Ln K
Hin= 7.41 KJ/mol = 1.77 Kcal/mol
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Concentracin de PCF en el
equilibrio, mg/L
0
50
100
150
200
250
300
Mas
a de
PCF
ads
orbi
do, m
g/g
T=15 CT=25 CT=35 C
Figura 19. Isoterma de adsorcin de PCF sobre un carbn activado
en polvo a pH=7.
4. ADSORCION DE ARSNICO
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Concentracin de As(V) en el equilibrio,
mg/L
0
8
16
24
32
40
Mas
a de
As(
V) a
dsor
bido
, mg/
g
CAG-Fe
Al10SBA-15
Almina Activada
Quitosano-Mo
Fe0 Nanoescala
Figura 20.Comparacin de las capacidades de varios
adsorbentes.
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Figura 21.Comparacin de las capacidades de varios
adsorbentes.
0 2 4 6 8 10Concentracin de As(V) en el equilibrio, mg/L
0
4
8
12
16
20
Mas
a de
As(
V) a
dsor
bido
, mg/
g
Carbonato Bsico de Itrio
Almina mesoporosa
Cascarn de huevo en polvo
HFG
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