Procesos de adsorción en la solución de problemas

El ININ hoy
PROCESOS DE ADSORCIÓN EN LA SOLUCIÓN
DE PROBLEMAS AMBIENTALES
Por Francisco Granados Correa, Depto. de Química,
comerciales o naturales, puesto que estos últimos
([email protected])
se descomponen con la radiación.
Los desechos radiactivos y metálicos presentes
Hasta el momento, no se ha encontrado un
en solución acuosa plantean graves problemas
adsorbente universal y adecuado para cualquier
en los tratamientos de descontaminación, por el
propósito, pero el conocimiento de las propiedades
gran volumen que ocupan y por su variada
adsortivas ha sido de gran importancia en muchos
composición química: En consecuencia, se
campos de la ciencia. El principal requisito para
emplean diferentes tratamientos como es el caso
que un proceso de adsorción sea eficaz y
de la adsorción en materiales sólidos que
económico es emplear un material con suficiente
concentra los contaminantes presentes en el
selectividad para diferentes especies químicas y
agua contaminada. La selección del sólido en
que cuente con una alta capacidad de adsorción.
particular está determinada por su capacidad y
En este aspecto, muchas investigaciones actuales
selectividad para remover ciertas especies
se han llevado a cabo sobre la adsorción de
químicas de un desecho líquido. En la literatura
muchos contaminantes para una gran cantidad
especializada se conocen numerosos compuestos
de adsorbentes1.
con buenas propiedades de adsorción (carbón
activado, aluminosilicatos, óxidos metálicos,
La adsorción es el proceso mediante el cual
ferrocianuros metálicos, resinas de intercambio
líquidos, gases, materia suspendida, coloides,
iónico, etc.).
moléculas, átomos o iones disueltos, son
atrapados o retenidos en la superficie de un
En los últimos años, el uso de materiales
material adsorbente. La adsorción se puede
inorgánicos empleados para la retención de
representar con la siguiente reacción química:
impurezas presentes en el agua ha sido de gran
A + B ’! A-B (1)
importancia, ya que permiten separar cantidades
u
pequeñas de sustancias de un gran volumen
de solución y son altamente selectivos, además
de tener un bajo costo y ser resistentes a procesos
químicos, a los cambios de temperatura y a
radiaciones. Adicionalmente ofrecen propiedades
más convenientes que los adsorbentes orgánicos
Granados-Correa y Jiménez., 2004; Granados et al., 2006; Inan et al.,
2006; Mufazzal y Ahmed, 2004; Mishra y Tiwari, 2002; Hernández y
Granados, 1999; Granados et al., 2004; Serrano et al., 2002; Biswick
et al., 2006; El-Shahawari y Nassif, 2006; Pathak y Choppin, 2006;
Granados et al., 2006.
1
Contacto
Nuclear 2 1
donde A es el adsorbato o sustancia adsorbida,
parámetros como: la concentración de la sustancia
B es el adsorbente y A-B es el compuesto
en el agua, la concentración del adsorbato, el pH
resultante.
de la solución acuosa que da origen a especies
químicas, aniónicas, catiónicas o neutras del
En un proceso de adsorción, el adsorbato -natural
contaminante en solución, y la temperatura del
o sintético- debe contar con una porosidad y
sistema.
área superficial o interna muy grande (entre 10
- 1500 m2 /g). Esta superficie grande hace que el
Factores que influyen en la adsorción de
material adsorbente pueda fijar sustancias
contaminantes en el agua
solubles por adsorción.
A continuación se mencionan algunos de los
La adsorción es una atracción electro-química y
factores que influyen notablemente sobre la
no un proceso mecánico. Las fuerzas moleculares
adsorción de contaminantes en soluciones
en la superficie del adsorbente se encuentran
acuosas:
en un estado de instauración y según la
naturaleza del enlace, la adsorción puede ser
• Tipo de especies químicas que se desea
físico (o fisiadsorción) en la cual las moléculas
eliminar: aniones, cationes, especies neutras,
están unidas a la superficie por fuerzas atractivas
contaminantes con peso molecular bajo,
débiles, generalmente fuerzas de Van der Waals;
compuestos con alta solubilidad, compuestos
o químico, en la que las fuerzas de adsorción
polares, entre otros.
son de naturaleza química (o quimiadsorción).
• Concentración del compuesto que desea ser
Las entalpías de adsorción que presentan estos
eliminado. Cuanta más alta sea la
dos procesos son muy diferentes: alrededor de
concentración, más adsorbente se necesitará.
20 kJ/mol para la fisiadsorción y cerca de 200
• Presencia de otros compuestos que compitan
kJ/mol para a quimiadsorción (Atkins, 1991). La
con el contaminante por los lugares de
formación de enlaces durante la adsorción
adsorción disponibles.
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2
química hace que el proceso sea más selectivo,
• pH del agua. Por ejemplo, los compuestos
es decir, que dependa marcadamente de la
ácidos se eliminan más fácilmente a pHs
naturaleza de las sustancias involucradas. La
bajos. cantidad de material que se acumula en el
adsorbato depende además de otros factores y
Con la finalidad de realizar una investigación
completa sobre la adsorción de un contaminante
Entalpía: magnitud termodinámica característica de un
cuerpo. Es numéricamente igual a la suma de su energía
interna más el producto de su volumen por la presión
exterior. Es la cantidad de energía que un sistema puede
intercambiar con el medio, a presión constante.
1
El mol se utiliza como unidad de medida para conocer el
número de átomos (en un elemento) o moléculas (en un
compuesto) por medio del peso de la muestra a analizar.
El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que
contiene tantas unidades elementales como átomos de
carbono hay en 12 gramos de carbono 12 (12C).
2
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Contacto
Nuclear
o grupo de contaminantes por un material
adsorbente en específico, se debe desarrollar una
serie de experimentos, como los mencionados
en la Tabla No. 1. Cabe mencionar que los estudios
de adsorción de contaminantes en soluciones
acuosas, generalmente se realizan bajo
experimentos estáticos (método batch) como una
función de la concentración del adsorbato y del
tiempo de agitación. Primeramente se establecen
u
Caracterización es tructural
del ads orb ente
Análisis cristalográficos: DR X
Caracterización s up erf icial
del ads orb ente
Es tudios de ads orción
Mecanis mos de ads orción
Área superficial (BET), diámetro de
poro, v olumen de poro, punto
isoeléctrico
Cinética de adsorción
Especiación química en solución y
sobre la superficie del sólido
Determinación de sitios activ os
(titulación ácido/base)
Efecto de pH, concentración del
adsorbato, concentración del
adsorbente
Modelos de complejación
superficial
I sotermas de adsorción, Freundlich,
Langmuir, Duv inin-R adushkev ich,
etc.
Estabilidad térmica: TGA
Morfología y análisis
microelemental: MEB, SEM
Determinación de parámetros
termodinámicos Emáx ., H0, So,
Go
Tabla No. 1. Procedimiento general para un proceso de adsorción
las condiciones de equilibrio del sistema donde
la concentración del adsorbato en equilibrio. Para
se ponen en contacto la fase sólida y acuosa
obtener la isoterma de un determinado
agitándose a diferentes periodos, para
contaminante se realiza un experimento en el
posteriormente determinar su porcentaje de
cual una solución de concentración conocida Co
adsorción. Con estos experimentos se estudia
se pone en contacto con una cantidad de
su cinética de adsorción y con los datos obtenidos
adsorbente, después de un tiempo de contacto
de ésta se prueban modelos matemáticos de
se mide la concentración del sobrenadante Ce, y
isotermas de adsorción establecidos en la
se calcula la cantidad de contaminante adsorbido
literatura como: Langmuir, Freundlich y Dubinin
por diferencias de concentración en el equilibrio
Radushkevich
qe, para posteriormente graficar los valores de -
(D-R),
que
explica
el
comportamiento de la adsorción.
log qe contra -log Ce, como se muestra en la
Figura No. 1.
Como el proceso de adsorción depende mucho
de la temperatura, se debe estudiar el
comportamiento de adsorción en función de
intervalos de temperatura establecidos para
obtener los parámetros termodinámicos:
velocidades de reacción, cambio de entalpía (∆H0),
energía promedio de adsorción (Emáx.), energía
libre de Gibbs (∆Go) y cambio de entropía del
sistema ∆S o , para explicar también el
comportamiento del sistema de adsorción.
Isotermas de adsorción
Figura No. 1. Isoterma de adsorción
La capacidad de adsorción de un sólido está
definida con base en las isotermas de adsorción
La pendiente de la isoterma es la constante K
en disolución. La isoterma de adsorción es la
de equilibrio de la reacción y representa la
relación de dependencia, a una temperatura
capacidad de adsorción, que es la facilidad con
constante, de la cantidad de adsorbato adsorbido
la cual el contaminante es adsorbido. i
por peso unitario de adsorbente, con respecto a
Contacto
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