Adsorción

Nun confundir con absorción (química).

Adsorción
Sorción (es) y proceso de separación (es)

Adsorción, onde hai partícules d'adsorbato y una superficie adsorbente.

L'adsorción ye un proceso pol cual átomos, iones o molécules de gases, líquidos o sólidos disueltos son atrapaos o reteníos nuna superficie, en contraposición a l'absorción, que ye un fenómenu de volume. Esto ye, l'adsorción ye un procesu nel cual, por casu, un contaminante soluble (adsorbato) ye esaniciáu de l'agua por aciu el contautu con una superficie sólida (adsorbente). El procesu inversu a l'adsorción conozse como desorción.

Definición de la IUPAC Medría na concentración d'una sustancia na interfaz d'un entestáu y una capa líquida o gaseosa por cuenta de la operación de les fuercies de superficie. Nota 1: L'adsorción de proteínes ye de gran importancia cuando un material ta en contautu con sangre o fluyíos corporales. Nel casu de sangre, albúmina, que ye llargamente predominante, ye xeneralmente primeru adsorbida, y entós el reordenamientu asocede en favor d'otres proteínes menores acorde a l'afinidá de la superficie frente a la seleición de la llei de mases (efeutu Vroman). Nota 2: Les molécules adsorbíes son aquelles que son resistentes a la llavadura col mesmu mediu disolvente nel casu d'adsorción de soluciones. Les condiciones de llavadura pueden asina modificar los resultaos de midida, particularmente cuando la enerxía d'interacción ye baxa.

En química, l'adsorción d'una sustancia ye l'acumuladura d'una sustancia nuna determinada superficie interfacial ente dos fases. La resultancia ye la formación d'una película líquida o gaseosa na superficie d'un cuerpu sólidu o líquidu.

Considérese una superficie llimpia espuesta a una atmósfera gaseosa. Nel interior del material, tolos enllaces químicos (yá sían iónicos, covalentes o metálicos) de los átomos constituyentes tán satisfechos. Sicasí, por definición la superficie representa una discontinuidá d'esos enllaces. Pa esos enllaces incompletos, ye energéticamente favorable'l reaccionar colo que s'atope disponible, y por ello produzse de forma bonal.

La naturaleza exacta del enllaz depende de les particularidaes de los especímenes implicaos, pero'l material adsorbido xeneralmente clasifícase como fisisorbido o quimisorbido.

La cantidá de material que s'atropa dependi del equilibriu dinámicu que s'algamar ente la tasa a la cual el material se adsorbe a la superficie y la tasa a la cual se evapora, y que de normal dependen de forma importante de la temperatura. Cuanto mayor seya la tasa d'adsorción y menor la de desorción, mayor va ser la fracción de la superficie disponible que va quedar cubierta por material adsorbido nel equilibriu.

El carbón activo ye utilizáu como adsorbente.

Pa estos procesos, resulten interesantes los materiales con una gran superficie interna, (y polo tanto pocu volume) yá seya en polvu o granosos, como'l carbón activo, y lleven acomuñaos otros fenómenos de tresporte de material, como'l macro tresporte y micro tresporte de los reactivos.

L'adsorción por carbón activáu ye una teunoloxía bien desenvuelta capaz d'esaniciar conducentemente una amplia gama de compuestos tóxicos, produciendo un efluente de bien alta calidá.

Tipos d'adsorción

Los tipos d'adsorción según l'atracción ente soluto y adsorbente son:

• Adsorción por intercambiu: Asocede cuando los iones de la sustancia concentrar nuna superficie como resultáu de l'atracción electrostática nos llugares cargaos de la superficie (p. ex. nes cercaníes d'un electrodu cargáu).
• Adsorción física o fisisorción: Deber a les fuercies de Van der Waals, y la molécula adsorbida nun ta fixa nun llugar específicu de la superficie; por ello ye llibre de treslladase na interfase.
• Adsorción química o quimiosorción: Asocede cuando'l adsorbato forma enllaces fuertes nos centros activos del adsorbente.

Fisisorción

La fisisorción ye la forma más simple d'adsorción, y débese a débiles fuercies curioses, xeneralmente fuercies de Van der Waals (vease fuercies dispersivas). Puesto que estes fuercies son omnipresentes, resulta que cualquier superficie llimpia espuesta al ambiente rápido atropa una capa de material fisisorbido.

Quimisorción

La quimisorción asocede cuando se forma un enllaz químicu, definíu nesti casu como un intercambiu d'electrones. El grau d'intercambiu y lo simétrico que seya dependen de los materiales arreyaos. De cutiu hai un paralelismu coles situaciones atopaes en química de coordinación. La quimisorción ye particularmente importante na catálisis heteroxénea -la forma más común na industria-, onde un catalizador sólidu interacciona con un fluxu gaseoso, el reactivu o los reactivos, no que se denomina reacción en llechu fluyíu. L'adsorción del reactivu na superficie del catalizador crea un enllaz químicu, alteriando la densidá electrónica alredor de la molécula reactivu y dexando reacciones que de normal non se produciríen n'otres circunstancies. Nun hai que confundir quimisorción con ataque superficial; l'escomiu nun ye una quimisorción pero sí un ataque superficial.

Termodinámica de l'adsorción

L'adsorción ye'l procesu por aciu el cual un sólidu porosu (a nivel microscópicu) ye capaz de retener partícules d'un fluyíu na so superficie n'entrando en contautu con este.

L'adsorbente dispón de nanoporos, lo que se conoz como centros activos, nos que les fuercies d'enllaz ente los átomos nun tán enchíes. Estos centros activos almiten que s'instalen molécules de naturaleza distinta a la suya, procedentes d'un gas en contautu cola so superficie. L'adsorción ye un procesu exotérmico y produzse por tanto de manera bonal si'l adsorbente nun s'atopa enchíu.

L'aplicación más importante de la termodinámica de l'adsorción ye la de calcular los equilibrios de fase ente un sólidu adsorbente y un amiestu gaseoso. Nesti desarrollu, por simplicidá, solo vamos tomar en consideración gases puros (monocomponentes).

La base de too esti cálculu son les isotermas d'adsorción, que dan la cantidá de gas adsorbido nos nanoporos como una función de la presión esterna (del gas). La termodinámica solo puede aplicase a les isotermas d'adsorción nel equilibriu. Esto significa que se debe poder llegar a cualquier puntu de la curva alzando o menguando la presión; n'otres pallabres, les curves d'adsorción y desorción tienen de coincidir. Esto asocede solu si nun esiste histéresis. La histéresis nun se da en poros menores de 2 nm, sicasí, reparar en poros lo suficientemente grandes como por qu'en el so interior entiéstese gas pa formar líquidu.

La isoterma d'adsorción pa un gas puro ye la rellación ente la cantidá adsorbida específica n (moles de gas per kilogramu de sólidu) y P, la presión esterior de la fase gaseosa. La mayor parte d'isotermas pueden afaese por aciu una ecuación del virial modificada:

$P(n)={\frac {n}{K}}\left[{\frac {m}{m-n}}\right]y^{[C_{1}n+C_{2}n^{2}+C_{3}n^{3}+...]}\qquad para\qquad n<m\qquad (1)$

onde K ye la constante de Henry (el valor de la isoterma d'adsorción dn/dP cuando la presión tiende a cero), m la capacidá de saturación del mediu sólidu (mol kg^-1) y C_i son los coeficientes del virial. De normal tres coeficientes basten p'afaer la curva a los datos esperimentales.

Nótese que les isotermas han de llograse a partir de la interpolación de datos esperimentales, anque esisten tamién modelos moleculares, al marxe de la termodinámica, de los que pueden llograse teóricamente les propiedaes del sistema. La interpolación de les isotermas d'adsorción respectu de la temperatura basar na ecuación

${\bar {h}}=R\left[{\frac {\partial \ln P}{\partial (1/T)}}\right]_{n}\qquad (2)$

onde ${\bar {h}}$ ye la entalpía d'adsorción diferencial, negativa porque l'adsorción ye un procesu exotérmico, como yá comentemos. El valor absolutu de ${\bar {h}}$ denómase calor isostérico.

De normal la entalpía diferencial calcular a partir de la ecuación (2) faciendo usu de dos o más isotermas d'adsorción. El gran potencial desempeña un papel fundamental na termodinámica de l'adsorción. Defínese como

$\Omega =F-\sum _{i}n_{i}\mu _{i}=-PV\qquad (3)$

onde F ye la enerxía llibre de Helmholtz. Les variables independientes son temperatura, volume y potencial químicu.

Pa adsorción nun gas puro, el gran potencial llograr a partir de la integración d'una isoterma:

$\Omega =-RT\int _{0}^{R}{\frac {n}{P}}dP=-RT\int _{0}^{n}\left[{\frac {\partial lnP}{\partial n}}\right]_{T}dn\qquad (4)$

Ω espresar en J kg^-1 d'adsorbente sólidu. El significáu físicu del gran potencial ye la variación d'enerxía llibre acomuñada a la inmersión isotérmica del adsorbente 'virxe' nel volume del gas.

La entalpía d'inmersión H ye la integral de la entalpía diferencial:

$H=\int _{o}^{n}{\bar {h}}dn\qquad (5)$

Al igual que Ω, tien unidaes de J kg^-1.

Una vegada llograes la enerxía d'inmersión (Ω) y la entalpía d'inmersión (H), la entropía d'inmersión ye:

$S={\frac {H-\Omega }{T}}\qquad (6)$

A partir d'estes ecuaciones puede faese tol analís termodinámicu nun sistema formáu por un adsorbente y un gas. Nun tenemos de dexar de tener en cuenta que la determinación de la ecuación (1), d'onde derivemos toles demás, facer a partir de midíes esperimentales.

Aplicaciones

=== Extracción de mugor Uno de les aplicaciones más conocíes de l'adsorción nel mundu industrial, ye la estracción de mugor del aire comprimío. Consíguese faciendo pasar l'aire comprimío al traviés d'un llechu d'alúmina activa o otros materiales con efeutu d'adsorción a la molécula d'agua. La saturación del llechu consíguese sometiendo a presión el gas o aire, asina la molécula d'agua ye adsorbida pola molécula del llechu, hasta la so saturación. La rexeneración del llechu, consíguese soltando al esterior esti aire comprimío y faciendo pasar una corriente d'aire presecao al traviés del llechu.

Lo habitual ye atopar secadores d'adsorción en forma de dos columnes y mientres una adsorbe, la otra ye refecha pol mesmu aire secu de la columna anterior. Esti sistema conozse como pressure swing adsorbtion o PSA y conocíu tamién como cambéu de presión per vaivén.

Xeneración de nitróxenu

La otra aplicación más estendida ye'l llogru de nitróxenu, faciendo pasar un caudal d'aire comprimío pol llechu adsorbente, compuestu por carbón molecular, especialmente manufacturado pa esi propósitu.

Usa'l mesmu sistema yá mentáu de pressure swing, de los secadores d'adsorción. Una cámara enllena de carbón ye sometida a presión con aire comprimío, la molécula d'osíxenu, ye retenida pol nanoporu del carbón, ente que la molécula de nitróxenu, de más tamañu, nun consigue entrar nel nanoporu del adsorbente. Consíguese asina disponer de gran cantidá de nitróxenu dempués del llechu adsorbente y l'osíxenu queda reteníu. Na segunda parte del ciclu, cola despresurización, l'osíxenu lliberar del nanoporu y se evacua a l'atmósfera.

Los xeneradores de nitróxenu usen esti sistema y les sos aplicaciones xeneralizáronse na industria, n'usos como la inertización de depósitos, d'envases de productos alimenticios o farmacéuticos y en llaboratorios, onde s'usa'l nitróxenu como gas portador o inertización de cámares.

Otros usos

Otres aplicaciones nes que s'emplega esti procesu d'adsorción como separación son: purificación d'agua, tratamientu d'agües residuales, quitar golores, sabores o colores ensin deseyar por casu n'aceites, xarabes d'azucre o na deshumidificación de gasolines.

Ver tamién

• Absorción (química)
• Carbón activáu
• Isoterma de Freundlich
• Refrigeración solar

Referencies

Bibliografía adicional

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Enllaces esternos

• Esta obra remanez de la traducción parcial de Adsorption de Wikipedia - inglés, concretamente d'esta versión del 13 d'avientu de 2016, espublizada polos sos editores baxo la Llicencia de documentación llibre de GNU y la Llicencia Creative Commons Atribución-CompartirIgual 3.0 Unported.

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