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INTRODUCCIÓN
El concepto de adsorción, se refiere a la unión de los átomos, iones o moléculas de un gas o de un líquido (adsorbato) a la superficie de un sólido o líquido (adsorbente). En los sólidos porosos o finamente divididos la adsorción es mayor debido al aumento de la superficie expuesta. De forma similar, la superficie adsorbente de una cantidad de líquido se incrementa si el líquido está dividido en gotas finas. En algunos casos, los átomos del adsorbato comparten electrones con los átomos de la superficie adsorbente, formando una capa fina de compuesto químico. La adsorción es también una parte importante de la catálisis y otros procesos químicos. En la absorción, las moléculas de la sustancia adsorbida penetran en todo el volumen del sólido o líquido adsorbente.
OBJETIVOS
Construir la curva de isoterma de adsorción de un producto secoDeterminar el valor de monocapa, de un producto seco según modelos matemáticos.
FUNDAMENTO TEORICO
La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados
o retenidos en la superficie de un material en contraposición a la absorción, que es
un fenómeno de volumen. Es decir, es un proceso en el cual por ejemplo un
contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua mediante el contacto con
una superficie sólida (adsorbente). El proceso inverso a la adsorción se conoce
como desorción
En química, la adsorción de una sustancia es la acumulación de una sustancia en
una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la formación
de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido o líquido.
Considérese una superficie limpia expuesta a una atmósfera gaseosa. En el
interior del material, todos los enlaces químicos (ya
sean iónicos, covalentes o metálicos) de los átomos constituyentes están
satisfechos. En cambio, por definición la superficie representa una discontinuidad
de esos enlaces. Para esos enlaces incompletos, es energéticamente favorable el
reaccionar con lo que se encuentre disponible, y por ello se produce de forma
espontánea.
La naturaleza exacta del enlace depende de las particularidades de los
especímenes implicados, pero el material adsorbido es generalmente clasificado
como fisisorbido o quimisorbido
La cantidad de material que se acumula depende del equilibrio dinámico que se
alcanza entre la tasa a la cual el material se adsorbe a la superficie y la tasa a la
cual se evapora, y que normalmente dependen de forma importante de la
temperatura. Cuanto mayor sea la tasa de adsorción y menor la de desorción,
mayor será la fracción de la superficie disponible que será cubierta por material
adsorbido en el equilibrio.
Para estos procesos, resultan interesantes materiales con una gran superficie
interna, (y por lo tanto poco volumen) ya sea en polvo o granular, como el carbón
activo, y llevan asociados otros fenómenos de transporte de material, como
el macro transporte y micro transporte de los reactivos.
La adsorción por carbón activado es una tecnología bien desarrollada capaz de
eliminar eficazmente un amplio rango de compuestos tóxicos. Produciendo un
efluente de muy alta calidad
Tipos de adsorción según la atracción entre soluto y adsorbente
Adsorción por intercambio: Ocurre cuando los iones de la sustancia se
concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en
los lugares cargados de la superficie (p. ej. en las cercanías de un electrodo
cargado).
Adsorción física: Se debe a las fuerzas de Van der Waals y la molécula
adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, y por ello está
libre de trasladarse en la interfase.
Adsorción química: Ocurre cuando el adsorbato forma enlaces fuertes en los
centros activos del adsorbente.
Termodinámica de la adsorción
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.
El adsorbente dispone de nanoporos, lo que se conoce como centros activos, en
los que las fuerzas de enlace entre los átomos no están saturadas. Estos centros
activos admiten que se instalen moléculas de naturaleza distinta a la suya,
procedentes de un gas en contacto con su superficie. La adsorción es un proceso
exotérmico y se produce por tanto de manera espontánea si el adsorbente no se
encuentra saturado.
La aplicación más importante de la termodinámica de la adsorción es la de
calcular los equilibrios de fase entre un sólido adsorbente y una mezcla gaseosa.
En este desarrollo, por simplicidad, solo tomaremos en consideración gases puros
(monocomponentes).
La base de todo este cálculo son las isotermas de adsorción, las cuales dan la
cantidad de gas adsorbido en los nanoporos como una función de
la presión externa (del gas). Latermodinámica solo puede aplicarse a las isotermas
de adsorción en el equilibrio. Esto significa que se debe poder llegar a cualquier
punto de la curva elevando o disminuyendo la presión; en otras palabras, las
curvas de adsorción y desorción tienen que coincidir. Esto ocurre solo si no
existe histéresis. La histéresis no se da en poros menores de 2 nm, sin embargo,
se observa en poros lo suficientemente grandes como para que en su interior se
condense gas para formar líquido.
La isoterma de adsorción para un gas puro es la relación entre la cantidad
adsorbida específica n (moles de gas por kilogramo de sólido) y P, la presión
exterior de la fase gaseosa. La mayor parte de isotermas se pueden ajustar
mediante una ecuación del virial modificada:
donde K es la constante de Henry (el valor de la isoterma de adsorción
dn/dP cuando la presión tiende a cero), m la capacidad de saturación del medio
sólido (mol kg-1) y Ci son los coeficientes del virial. Normalmente tres coeficientes
bastan para ajustar la curva a los datos experimentales.
Isotermas de adsorción del C2H4 en NaX. Ecuación (1) frente a datos
experimentales.
Nótese que las isotermas han de obtenerse a partir de la interpolación de datos
experimentales, aunque existen también modelos moleculares, al margen de la
termodinámica, de los que se pueden obtener teóricamente las propiedades del
sistema. La interpolación de las isotermas de adsorción respecto de la
temperatura se basa en la ecuación
donde es la entalpía de adsorción diferencial, negativa porque la adsorción es
un proceso exotérmico, como ya hemos comentado. El valor absoluto de se
denomina "calor isostérico".
Normalmente la entalpía diferencial se calcula a partir de la ecuación (2) haciendo
uso de dos o más isotermas de adsorción. El gran potencial desempeña un papel
fundamental en la termodinámica de la adsorción. Se define como
donde F es la energía libre de Helmholtz. Las variables independientes son
temperatura, volumen y potencial químico. Para adsorción en un gas puro, el gran
potencial se obtiene a partir de la integración de una isoterma:
Ω se expresa en J kg-1 de adsorbente sólido. El significado físico del gran potencial
es la variación de energía libre asociada a la inmersión isotérmica del adsorbente
'virgen' en el volumen del gas.
La entalpía de inmersión H es la integral de la entalpía diferencial:
Al igual que Ω, tiene unidades de J kg-1.
Una vez obtenidas la energía de inmersión (Ω) y la entalpía de inmersión (H), la
entropía de inmersión es:
A partir de estas ecuaciones se puede hacer todo el análisis termodinámico en un
sistema formado por un adsorbente y un gas. No debemos dejar de tener en
cuenta que la determinación de la ecuación (1), de donde hemos derivado todas
las demás, se hace a partir de mediciones experimentales.
MATERIALES
Productos secos: leche en polvoAgua puraSoluciones saturadas de sales giroscópicas Agente deshidratante: acido sulfúrico en grado reativoNaClVasos descartablesMaterial de vidrioTermómetroBalanza analíticaEstufa
METODOLOGIA
Construcción de la curva isoterma de adsorción
Escoger una muestra seca y homogénea :100 gr. De leche en polvo.
Determinar el % de humedad (%H) y % de materia seca(%m.s) en la muestr, para lo cual trabajar con 3-5g. de muestra. La muestra debe ser representativa.
%m.s =100-%HPreparar las soluciones saturadas y colocarlas en las campanas de vidrio o en su defecto preparar la solución deshidratante con acido sulfúrico y NaCl.Pesar exactamente 2g.de muestra (m) y colocarlos en los vasos descartables, pesar los recipientes que contienen la muestra (Wi)y tapar inmediatamente para evitar la ganancia de humedad Colocar adecuadamente los recipientes con su contenido en las campanas evitando que haga contacto con las soluciones.
Muestra
solución
higroscópica
RESULTADOS
H %H
%H=P1−P25
∗100
%H=47.7−47.45
∗100
%H=6%
m .s .=(%m.s.)(m) /100
m .s .=(94 ) (2 )100
m .s .=1.88
Ad=p . vaso+ p .muestrad(7 dias)
PESO DE MUESTRA SECA
m=2 g …… %H= 6 %
Agua adsorbida
Agua inicial
Ai=2(%h)(aw)/100
At=Ad+Ai
Vaso (n°)
Wi Wf Ad Ai At X % HR
1 3.2 3.2 0 0 0 0 0
2 3.1 3.1 0 0.012 0.012 0.00638 10
3 3.2 3.2 0 0.03 0.03 0.016 25
4 3.1 3.1 0 0.048 0.048 0.025 40
5 3.2 3.2 0 0.06 0.06 0.032 50
6 3.2 3.3 0.1 0.078 0.178 0.095 65
7 3.1 3.5 0.4 0.12 0.52 0.277 100
Agua total
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.550
5
10
15
20
25
30
35
f(x) = 34.7191715418319 x + 13.191642557406R² = 0.979640112334539
METODO B.E.T.
METODO B.E.T.Linear (METODO B.E.T.)
Vaso (n°)
% HR aw Peso vaso
P.vaso+ muestra
Peso muestra
P.vaso+muestra d(7dias)
1 0 0 1.2 3.2 2 3.2
2 10 0.1 1.1 3.1 2 3.1
3 25 0.25 1.2 3.2 2 3.2
4 40 0.40 1.1 3.1 2 3.1
5 50 0.50 1.2 3.2 2 3.2
6 65 0.65 1.2 3.2 2 3.3
7 100 1.00 1.1 3.1 2 3.5
CONCLUSIONES
Hemos logrado construir la curva de la isoterma de adsorción de un producto seco
Cuya ecuación es la sgte.:
Método B.E.T.