ADSORCIONLABO Nº8.docx

FACULTAD DE QUIMICA INGENIERIA QUIMICA Y

AGROINDUSTRIAL

DEPARTAMENTO ACADEMICO DE FISICOQUIMICA

PRÁCTICA FENÓMENOS DE ADSORCIÓN

PROSESORA NORA ROJAS PEREZ

ALUMNOS DE LA ROSA HERRERA ERICK SAUL

TABLA DE CONTENIDO:

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN

MARCOS

2011

FECHA DE REALIZACION

FECHA DE ENTREGA

CÓDIGO

23/11/2011 28/11/2011 MA17FQ07,3

1.-RESUMEN………………………………………………..……..1

2.-INTRODUCCIÓN……………………………………………….2

3.-FUNDAMENTO TEÓRICO…………………………………….3

4.-DETALLES EXPERIMENTALES…………………………..….6

5.-TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS………………..7

6.-EJEMPLOS DE CÁLCULO…………………………….………8

7.-ANALISIS Y DISCUCIÓN DE RESULTADOS………………10

8.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…….…………..11

9.-BIBLIOGRAFÍA………………………….…………….………12

10.-APENDICE………………………………….………...……….13

1.-RESUMEN

El objetivo de la experiencia es entender el fenómeno de adsorción de un soluto (ácido

acético) sobre una superficie de un sólido poroso (carbón activado).en la práctica se realizó

a una temperatura de 20; 95 % de porcentaje de humedad a una presión de 756mmHg.

Se valoró el NaOH dando como resultado 0,064N, con este resultado se valoró el resto

de soluciones de ácido acético. Se usó carbón activado para mezclarlo con el ácido acético,

en los volúmenes indicados. Después de dejarse en reposo por un tiempo, se volvió a

valorar, dando como resultado volúmenes de NaOH menores de la valoración.

Con los datos, obtenemos las concentraciones equivalentes, masas adsorbidas y la

relación de masa adsorbida con masa de carbón activado de las soluciones. (tabulación de

resultados). Al momento de graficar, se obtuvo una recta con pendiente positiva, esta

grafica es de log(x/m) vs logC. Con la gráfica obtuvimos el k y n constante de Freundlich,

que son k= y n=.

El k y n teórico son de 1.2 y 0.8 respectivamente. Se llega a obtener un porcentaje de

error de 19,17% para la constante k de Freundlich y 74,62% para la constante n de

Freundlich. Se puede observar la relación de la cantidad absorbida con la concentración del

material en la solución. Al momento de agregar las soluciones al carbón activado tener

mucho cuidado para que no quede residuos en las paredes.

2.-INTRODUCCION

El siguiente informe tiene como finalidad comprender el mecanismo de adsorción, la función de adsorbatos y adsorbentes; así como también, construir la isoterma de adsorción de Freundlich-Langmuir.

Los experimentos sobre adsorción consisten en la medida de la relación entre la cantidad de gas o líquido adsorbido, sobre una determinada cantidad de adsorbente. Estas medidas se realizaran a una temperatura constante y los resultados se representan gráficamente en las llamadas Isotermas de Adsorción. Lo que se mide experimentalmente es el volumen del líquido o gas adsorbido por una cantidad de adsorbente, o la variación del peso que experimenta el adsorbente cuando ha estado en contacto con el adsorbato.

La calidad nutricional de los alimentos está en relación inversa a la cantidad de agua, las propiedades funcionales como textura, viscosidad, turbidez, así como las capacidades de hidratación, de emulsificación y de formación de espuma de las proteínas, son consecuencia de la interacción con los componentes del alimento y del estado físico del agua presente. La estabilidad del alimento depende en gran medida de su contenido de agua presente, ya que ésta es necesaria para el crecimiento microbiano, para la germinación de semillas, para que se efectúen reacciones tanto indeseables como deseables (enzimáticas, de oscurecimiento, rancidez hidrolítica desnaturalización de proteínas, rancidez oxidativa, estas dos últimas causadas por la disminución de humedad en el alimento). Por tal motivo, es importante determinar la capacidad de adsorción, ya sea de productos alimenticios, industriales o biológicos, para realizar un adecuado control de su conservación y garantizar que conserve sus propiedades funcionales.

Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción en el mundo industrial, es la extracción de humedad del aire comprimido, usando un sistema que se conoce como "pressure swing" o PSA. La otra aplicación más extendida es la obtención de nitrógeno, haciendo pasar un caudal de aire comprimido por el lecho adsorvente, compuesto por carbón molecular, especialmente manufacturado para ese propósito, y usa el mismo sistema ya mencionado. Los generadores de nitrógeno, usan este sistema y sus aplicaciones se han generalizado en la industria, en usos como la inertización de depósitos, de envases de productos alimenticios o farmacéuticos y en laboratorios, donde se usa el nitrógeno como gas portador o inertización de cámaras.

3.-FUNDAMENTO TEÓRICO:

PROCESOS DE ADSORCIÓN:

La adsorción es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra sobre la superficie de otra fase (generalmente sólida). Por ello se considera como un fenómeno subsuperficial. La sustancia que se concentra en la superficie o se adsorbe se llama "adsorbato" y la fase adsorbente se llama "adsorbente".

Por contra, la absorción es un proceso en el cual las moléculas o átomos de una fase interpenetran casi uniformemente en los de otra fase constituyéndose una "solución" con esta segunda.

El proceso de cambio iónico supone un intercambio de una sustancia o ión por otra sobre la superficie del sólido. El término adsorción incluye la adsorción y la absorción conjuntamente, siendo una expresión general para un proceso en el cual un componente se mueve desde una fase para acumularse en otra, principalmente en los casos en que la segunda fase es sólida.

La principal distinción entre sorción (adsorción y absorción) y cambio iónico es que las ecuaciones que describen la sorción consideran solamente una especie química, de manera que la distribución del soluto entre la disolución y el sólido responde a una relación simple, lineal o no. Las ecuaciones para el cambio iónico tienen en cuenta todos los iones que compiten por los lugares de intercambio.

En general, la adsorción desde una disolución a un sólido ocurre como consecuencia del carácter liofóbico (no afinidad) del soluto respecto al disolvente particular, o debido a una afinidad elevada del soluto por el sólido o por una acción combinada de estas dos fuerzas.

El grado de solubilidad de una sustancia disuelta es el factor más importante para determinar la intensidad de la primera de las fuerzas impulsoras. Cuanto mayor

atracción tiene una sustancia por el disolvente menos posibilidad tiene de trasladarse a la interfase para ser adsorbida.

La sorción y el cambio iónico son procesos de gran interés en hidrogeoquímica ya que regulan de manera notable el transporte de contaminantes químicos en acuíferos y suelos.

TIPOS DE ADSORCIÓN:

Cabe distinguir tres tipos de adsorción según que la atracción entre el soluto y el adsorbente sea de tipo eléctrico, de Van der Waals o de naturaleza química. La adsorción del primer tipo cae de lleno dentro del intercambio iónico y a menudo se le llama adsorción por intercambio, que es un proceso mediante el cual los iones de una sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie. Para dos absorbatos iónicos posibles, a igualdad de otros factores, la carga del ión es el factor determinante en la adsorción de intercambio. Para iones de igual carga, el tamaño molecular (radio de solvatación) determina el orden de preferencia para la adsorción. Este tipo de adsorción se comenta con detalle más adelante.

La adsorción que tiene lugar debido a las fuerzas de Van del Waals se llama generalmente adsorción física. En estos caso, la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, sino más bien está libre de trasladarse dentro de la interfase. Esta adsorción, en general, predomina a temperaturas bajas. La adsorción de la mayoría de las sustancias orgánicas en el agua con carbón activado se considera de naturaleza física.

Si el adsorbato sufre una interacción química con el adsorbente, el fenómeno se llama adsorción química, adsorción activa o quimisorción. Las energías de adsorción son elevadas, del orden de las de un enlace químico, debido a que el adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del adsorbente. Esta adsorción suele estar favorecida a una temperatura elevada.

La mayor parte de los fenómenos de adsorción son combinaciones de las tres formas de adsorción y, de hecho, no es fácil distinguir entre adsorción física y química. EQUILIBRIO DE ADSORCIÓN E ISOTERMAS DE ADSORCIÓN:

La adsorción de una especie química presente en la solución del suelo (adsorbato) por los constituyentes de la fase sólida del suelo (adsorbente) ocurre debido a la interacciones entre la superficie activa de las partículas sólidas y el adsorbato. La cantidad adsorbida de una determinada especie depende no sólo de la composición del suelo sino también de la especie química de la que se trata y de su concentración en la solución.

Para estudiar la adsorción de un compuesto químico sobre un suelo pueden ser usadas dos técnicas de laboratorio : experiencias en batch y experiencias con columnas.

Las experiencias en batch consisten en mezclar y agitar una cantidad determinada de suelo con disoluciones de diferentes concentraciones del soluto estudiado, por ejemplo, un metal pesado. Previamente, se tiene que determinar la concentración de este metal en el suelo.

La gráfica que representa el metal adsorbido, Cs, en función de la concentración de la disolución, Cm, es la isoterma de adsorción, cuya expresión general es

Cs = Kd CmDonde: Kd se llama constante de adsorción, coeficiente de distribución o coeficiente de partición. Cuando la isoterma no es lineal, hay otras aproximaciones para describir la distribución entre el suelo y la disolución. Las más utilizadas son las de Freundlich y Langmuir.

La ecuación general de la isoterma de Freundlich es:

Cs= K . (Cm)n

x/m= K . (Cm)n

Donde K es la constante de adsorción y n una constante cuyo valor varía entre 0 y 1.

4.-DETALLES EXPERIMENTALES

4.1 MATERIALES Y REACTIVOS:

Materiales: erlenmeyers con tapón, fiolas de 100 y 200 mL, embudos, porta

embudos, vasos de 250 y 100mL, bureta, pipetas, termómetros, probetas, bagueta.

Reactivos: carbón activado ácido acético fenolftaleína biftalato acido de potasio ,

papel de filtro solución de NaOH 0.1N

4.2 PROCEDIMIENTO:

Antes de iniciar verifiquemos que todos los instrumentos estén óptimas condiciones

antes de iniciar la práctica y estén completos.

La experiencia se inició con la preparación de 500 ml de ácido acético a 0.15 N.

Luego de esto se procedió a valorar el NaOH en el cual se gastó 16,95mL con esto se pudo

obtener la normalidad experimental el cual fue de 0.064N. Ya en la segunda parte se

preparó las soluciones a 0.12 ,0.09 ,0.06, 0.03y 0.015 N a partir de 0.15 N cada una con un

volumen de 100mL; aparte se pesó 6 muestras de carbón activado con una masa

aproximada 0.5g.después se depositó en los erlenmeyers cada masa. Por ultimo con la

ayuda de la pipeta se agregó las soluciones preparadas en cada erlenmeyer (por las

paredes). Se tapó los erlenmeyes y se agitó constantemente durante 30 min, luego de ello

se esperó aproximadamente 1 hora de reposoy se procedió a filtrar las soluciones que

contenían el carbón activado. Los primeros 10 mL fueron desechados y los siguientes mL.

Se utilizaron nuevamente para ser valorados. Ya con estos resultados se procedió a realizar

cálculos para determinar la absorción.

5.-TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES

TABLA 5.1: Condiciones experimentales(condicion)

PRESION (mmHg) TEMPERATURA(ºC) H. R. (%)

756 20 95

TABLA 5.2: tabla de datos:

MUESTRA CONCENTRACION (N) VNaOH(mL)

1 0,15 23,1

2 0,12 17,9

3 0,09 13,6

4 0,06 18,3

5 0,03 8,6

6 0,015 4,5

TABLA 5.3: Tabla de valoración con el carbono activado:

MUESTRAM BIFTALATO

(g)

CONCENTRACION

(N)VNaOH(mL)

1 0,5003 0,15 21.5

2 0,5002 0,12 15,3

3 0,5006 0,09 12,2

4 0,5004 0,06 --

5 0,5004 0,03 6,3

6 0,5001 0,015 2,6

TABLA 5.4: Tabla de cálculos:

CONC(N) Co(mol/L) C equilibrio

(mol/L)

Log C

equilibrio

X (g)

AdsorbidoX/m log X/m

0,15 0.1485 0,1382 -0,8595 0,3095 0,6186 -0,2085

0,12 0.1151 0,0984 -1,007 0,5018 1,0032 0,0014

0,09 0.0874 0,0784 -1,1057 0,2705 0,5404 0,2673

0,06 0.0578 -- -- -- -- --

0,03 0.0276 0,0203 -1,6925 0,2194 0,4384 -0,3581

0,015 0,145 0,0084 -2,0757 0,1833 0,3665 -0,4359

TABLA 5.5: Tabla de % de ERROR:

EXPERIMENTAL TEORICO % DE ERROR

CONSTANTE K 0.967 1.2 19,17

CONSTANTE n 0.203 0.8 74,62

6.-EJEMPLOS DE CÁLCULO:

a) Para hallar la normalidad inicial 0.15N:

(V.N)1 = (V.N)2

17.4x(V)=0.15x(0.5L)V=4.31ml

b) Para valorar el NaOH a 0.1N:W = (PM).N.V

Nx16,95mL=0.2226/204.228N=0.0643N

c) Para hallar la normalidad experimental a 0.15N:

VHac x NHac = Vgastado x NNaOH0.0643x23,1mL=Nx10mL

N=0.1485N

Se repite el mismo paso para cuando contenga el carbona activado.

VHac x NHac = Vgastado x NNaOH0.0643Nx21,5mL=Nx10mL

N=0.1382N

d) Para hallar X:X = ( C ۪-C ָ )xMxV

X=(0.1485-0.1382) mol/Lx0.05Lx60g/molX=0,3095

e) Para hallar el K y el N experimental para 0.03N y 0.015N:

log(x/m) = logK + nlogC

0,03N log(0,4385)=logK + nlog(0,0203) (+) 0,015N log(0.3665)=logK + nlog(0,0084)  

-0,794 = 2xlogK + n(-3,7687)

Resolviendo las 3 ocuaciones para obtener los valores de K y n se obtuvo estos valores:

n=0,203k =0,967

Hallando el % de error de n y K:

0,8 – 0,203 x 100 = 74,62(defecto) 1,2 – 0,97 x 100 = 18,17(defecto) 0,8 1,2

7.-ANALISIS Y DISCUCIÓN DE RESULTADOS

El trabajo se realizó a una temperatura de 20ºC. A la relación de cantidad de sustancia

adsorbida por un adsorbente y la concentración de equilibrio a una temperatura

constante se denomina isoterma de adsorción.

En las gráficas trazadas se obtuvieron puntos que salían de las líneas trazadas. Esto

posiblemente ocurrió porque no se usaron las masas correctas de carbón activado,

debido a algunos residuos en los bordes de los matraces o en el papel metálico.

En la gráfica log (x/m) vs log Ceq, se tuvo como resultado un recta con pendiente

positiva, con este resultado se puede saber el comportamiento del carbón activado en

soluciones liquidas ya que mientras aumenta la concentración de ácido acético en la

solución, entonces aumenta el volumen de la base titulante.

Para que el ácido acético haya sido adsorbido por el carbón activado sus moléculas

debieron de penetrar los poros del mismo, en consecuencia, los poros del carbón deben

de tener un diámetro mayor que las moléculas de impurezas, y en este caso se da.

8.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En la ecuación de Freundlich se puede observar la relación de la cantidad absorbida

con la concentración del material en la solución.

La adsorción de los líquidos por los sólidos es selectiva.

Se observa en las gráficas que a medida que aumenta la concentración del adsorbato,

aumenta la relación de la cantidad adsorbida por gramo de carbón activado.

Los erlenmeyers deben estar limpios y secos.

Se debe tener precisión al pesar las muestras para evitar errores al momento de la

construcción de las isotermas.

Al preparar las mezclas de carbón activado en el erlenmeyer, se debe procurar que la

solución de ácido acético arrastre toda la masa de carbón.

Las soluciones se deben preparar de manera simultánea para poder comparar los

resultados y observar el comportamiento de las distintas isotermas en un mismo

periodo de tiempo evitando así errores de tipo experimental.

Durante los experimentos es necesario tener en cuenta que la temperatura y la presión

se deben mantener constantes, ya que una variación de temperatura y presión

invalidarían los resultados obtenidos puesto que ambos parámetros afectan o perturban

el equilibrio de la adsorción de un material. Para ello debemos tocar los matraces de

manera correcta y evitar calentarlos.

9.-BIBLIOGRAFÍA

Castellan G, “fisicoquímica”, 1era ed, fondo educativo interamericano, Mexic, 1978

pag.14-1

MARON & PROUTTON. Fundamentos de Fisicoquímica Edit. Limusa, México 1994.

W. j. Weber, Control de la calidad del agua: procesos fisicoquímicos, editorial reverté

1979, pag. 276.

Rubens Sette Ramalho, Domingo Jiménez Beltrán, Federico de Lora. 1996.

Tratamiento de aguas residuales. Reverte. London.

http://www.agua.uji.es/pdf/leccionHQ17.pdf

http://es.patents.com/Insoluble-adsorber-resin-treating-drinking-water-sewage/

US4025705/es-US/

http://www.buenastareas.com/ensayos/Tratamiento-De-Agua-De-Pozo/530637.html

http://www.fortunecity.com/campus/earlham/850/cata1.html

10.-APENDICE

1. DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL FENÓMENO DE ADSORCIÓN, EXPLIQUE EL TRATAMIENTO DE AGUAS CON RESINAS SINTÉTICAS.

Uso del carbón activado. El tratamiento del agua residual con carbón activado suele estar considerado como un proceso de refinación de aguas que ya han recibido un tratamiento biológico normal. En este caso el carbón se emplea para eliminar parte de la materia orgánica disuelta así mismo es posible eliminar parte de la materia particulada también presente dependiendo de la forma en que entra con contacto el carbón y el agua.

Tratamiento con carbón activado granular (C.A.G).- Con frecuencia se suele emplear una columna con medio de contacto del agua residual con el carbón activado granular. El agua se introduce por la parte superior y se extrae por la parte inferior. El carbón esta soportada por medio de un sistema de drenaje situado en la parte inferior.

Normalmente es necesario disponer de un sistema para el lavado a contracorriente para la limpieza de superficies, a fin de limitar las pérdidas de carga producidas por la retención de materia particulada en el interior de la columna de carbón.

Otra opción es el tratamiento del agua con las resinas macroporosas para quitar ciertas sustancias orgánicas. Los polímeros usados como matriz en el proceso según la invención

se saben por sí mismo. Por ejemplo, los copolímeros que contenían unidades de monómero de un compuesto aromático del monovinil y por lo menos de un compuesto polivinilo aromático han probado ser particularmente ventajosos.

La porosidad de las resinas aromáticas de la polimerización del vinilo usadas en el proceso según la invención está generalmente en la gama de a partir el 20 a el 80% volumen, preferiblemente en la gama de a partir el 30 a el 60% volumen, y su superficie activa esta generalmente en la gama a partir de 10 a 1000 m.sup2 /g, preferiblemente en la gama a partir de 20 a 200 m.sup.2 /g.

2. EN REACCIONES QUÍMICAS EN FASE HETEROGÉNEA, EXPLIQUE EL EFECTO DE LA SUPERFICIE SÓLIDA.

Los procesos catalíticos se pueden dividir en dos grupos importantes: Homogéneos y heterogéneos. Los procesos catalíticos heterogéneos de mayor importancia industrial son los que emplean principalmente catalizadores sólidos.

Aparte del comportamiento catalítico específico, los sólidos tienen la ventaja de su mayor estabilidad térmica y su facilidad de separación de los fluidos reactantes. Son muy numerosos los ejemplos de reacciones de importancia industrial catalizadas por sólidos; en la siguiente tabla se presenta una serie de ellas.

Por diversas razones, los catalizadores sólidos se emplean generalmente en forma de partículas pequeñas (de diámetros raras veces mayores de 5 mm). En un lecho de estas partículas, la pérdida de presión es apreciable y puede afectar seriamente a la velocidad de reacción.

Una de las primeras teorías de la catálisis por superficies sólidas fue propuesta por Faraday en 1825, y en algunos aspectos aún se admite actualmente. Esta teoría establece que primeramente se produce una adsorción de los reactivos y que la reacción transcurre en

la capa de fluido adsorbido. De este modo, las moléculas reaccionantes se acercan unas a otras por condensación, aumentando la frecuencia de colisión y, consecuentemente, la velocidad de reacción.

  Hay muchas razones en contra de esta visión simple; p. ej., las substancias de mayor

capacidad de adsorción no son siempre los catalizadores más efectivos, sino que la acción catalítica es altamente específica y va más allá de la simple reunión de las moléculas reaccionantes.  

En la actualidad se admite que la adsorción es condición necesaria (pero no suficiente) para asegurar la reacción por la influencia de una superficie sólida.

3. INDIQUE LOS ADSORBENTES INDUSTRIALES MÁS IMPORTANTES, ALGUNAS DE SUS APLICACIONES.

Adsorbentes químicos

Pensados para derrame de líquidos peligrosos. Fabricados en fibras sintéticas e inertes, principalmente de poliproleno. Son ligeros y no generan polvo. Tienen una gran capacidad de adsorción que minimiza la generación de residuos que deben desecharse

Adsorbentes de mantenimiento

Están indicados para adsorber aceites y otros fluidos industriales no agresivos de forma limpia, segura y eficaz. Son ligeros y muy rápidos de utilizar. Además tienen una gran duración y un alto poder de adsorción. Adsorben la mayoría de los fluidos rápidamente

Adsorbentes de hidrocarburos

Productos innovadores de alta eficacia y con un mayor poder de adsorción que los convencionales. Al ser hidrófobos (repelen el agua) resultan adecuados para adsorber hidrocarburos en áreas donde el agua también puede estar presente, como por ejemplo, en zonas exteriores. No se disgregan ni se hunden cuando están saturados de aceite, pudiéndolos recuperar y desechar fácilmente

..GGRAFICAR LA ISOTERMA DE ADSORCION

x/m= K . (C)n

log(x/m) = logK + nlogC

TAMBIEN PIDE GRAFICAR LOS (X/m) VS LOG C Y GRAFICAMENTE DETERMINAR EL K Y EL N

QUIZA LA PRIMERA GRAFICA SE REFIERE A LA PRIMERA ECUACION…. LOS VALORES EN LAN EN LA TABULACION Y EL C NO ES EL Cº SINO EL C EN EQUILIBRIO