Adsorción

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Adsorción, donde hay partículas de adsorbato y una superficie adsorbente.

La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas de gases, líquidos o sólidos disueltos son atrapados o retenidos en una superficie,[1][2]​ en contraposición a la absorción, que es un fenómeno de volumen. Es decir, la adsorción es un proceso en el cual, por ejemplo, un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua mediante el contacto con una superficie sólida (adsorbente).[2]​ El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción.

Definición de la IUPAC

Incremento en la concentración de una sustancia en la interfaz de un condensado y una capa líquida o gaseosa debido a la operación de las fuerzas de superficie.

Nota 1: La adsorción de proteínas es de gran importancia cuando un material está en contacto con sangre o fluidos corporales. En el caso de sangre, albúmina, la cual es ampliamente predominante, es generalmente primero adsorbida, y entonces el reordenamiento ocurre en favor de otras proteínas menores acorde a la afinidad de la superficie frente a la selección de la ley de masas (efecto Vroman).

Nota 2: Las moléculas adsorbidas son aquellas que son resistentes al lavado con el mismo medio disolvente en el caso de adsorción de soluciones. Las condiciones de lavado pueden así modificar los resultados de medición, particularmente cuando la energía de interacción es baja.[3]

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 generalmente se clasifica 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 quedará cubierta por material adsorbido en el equilibrio.

El carbón activo es utilizado como adsorbente.

Para estos procesos, resultan interesantes los materiales con una gran superficie interna, (y por lo tanto poco volumen) ya sea en polvo o granulados, 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 una amplia gama de compuestos tóxicos, produciendo un efluente de muy alta calidad.

Tipos de adsorción[editar]

Los tipos de adsorción según la atracción entre soluto y adsorbente son:[4]

  • 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 o fisisorción: Se debe a las fuerzas de Van der Waals, y la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie; por ello es libre de trasladarse en la interfase.
  • Adsorción química o quimiosorción: Ocurre cuando el adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del adsorbente.

Fisisorción[editar]

La fisisorción es la forma más simple de adsorción, y se debe a débiles fuerzas atractivas, generalmente fuerzas de Van der Waals (véase fuerzas dispersivas). Dado que estas fuerzas son omnipresentes, resulta que cualquier superficie limpia expuesta al ambiente rápidamente acumula una capa de material fisisorbido.

Quimisorción[editar]

La quimisorción ocurre cuando se forma un enlace químico, definido en este caso como un intercambio de electrones. El grado de intercambio y lo simétrico que sea dependen de los materiales involucrados. A menudo hay un paralelismo con las situaciones encontradas en química de coordinación. La quimisorción es particularmente importante en la catálisis heterogénea -la forma más común en la industria-, donde un catalizador sólido interacciona con un flujo gaseoso, el reactivo o los reactivos, en lo que se denomina reacción en lecho fluido. La adsorción del reactivo en la superficie del catalizador crea un enlace químico, alterando la densidad electrónica alrededor de la molécula reactivo y permitiendo reacciones que normalmente no se producirían en otras circunstancias. No hay que confundir quimisorción con ataque superficial; la corrosión no es una quimisorción pero sí un ataque superficial.

Termodinámica de la adsorción[editar]

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 este.[5]

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.[5]

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).[5]

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). La termodinámica 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.[5]

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.[5]


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.[5]

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.[5]

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.[5]

La entalpía de inmersión H es la integral de la entalpía diferencial:[5]

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.[5]

Aplicaciones[editar]

Extracción de humedad[editar]

Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción en el mundo industrial, es la extracción de humedad del aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a través de un lecho de alúmina activa u otros materiales con efecto de adsorción a la molécula de agua. La saturación del lecho se consigue sometiendo a presión el gas o aire, así la molécula de agua es adsorbida por la molécula del lecho, hasta su saturación. La regeneración del lecho, se consigue soltando al exterior este aire comprimido y haciendo pasar una corriente de aire presecado a través del lecho.

Lo habitual es encontrar secadores de adsorción en forma de dos columnas y mientras una adsorbe, la otra es regenerada por el mismo aire seco de la columna anterior. Este sistema se conoce como pressure swing adsorbtion o PSA y conocido también como cambio de presión por vaivén.

Generación de nitrógeno[editar]

La otra aplicación más extendida es la obtención de nitrógeno, haciendo pasar un caudal de aire comprimido por el lecho adsorbente, compuesto por carbón molecular, especialmente manufacturado para ese propósito.

Usa el mismo sistema ya mencionado de pressure swing, de los secadores de adsorción. Una cámara llena de carbón es sometida a presión con aire comprimido, la molécula de oxígeno, es retenida por el nanoporo del carbón, mientras que la molécula de nitrógeno, de más tamaño, no consigue entrar en el nanoporo del adsorbente. Se consigue así disponer de gran cantidad de nitrógeno después del lecho adsorbente y el oxígeno queda retenido. En la segunda parte del ciclo, con la despresurización, el oxígeno se libera del nanoporo y se evacua a la atmósfera.

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.

Otros usos[editar]

Otras aplicaciones en las que se emplea este proceso de adsorción como separación son: purificación de agua,[1]tratamiento de aguas residuales, quitar olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites, jarabes de azúcar o en la deshumidificación de gasolinas.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. a b «Glossary». The Brownfields and Land Revitalization Technology Support Center (en inglés). Consultado el 8 de enero de 2017. 
  2. a b «absorption (chemistry)». Memidex (WordNet) Dictionary/Thesaurus (en inglés). Consultado el 8 de enero de 2017. 
  3. «Glossary of atmospheric chemistry terms (Recommendations 1990)». Pure and Applied Chemistry (en inglés) 62: 2167. 1990. ISBN 0-9678550-9-8. doi:10.1351/goldbook.A00155. 
  4. Ferrari, L.; Kaufmann, J.; Winnefeld, F.; Plank, J. (2010). «Interaction of cement model systems with superplasticizers investigated by atomic force microscopy, zeta potential, and adsorption measurements». Journal of Colloid and Interface Science (en inglés) 347 (1): 15-24. ISSN 0021-9797. PMID 20356605. doi:10.1016/j.jcis.2010.03.005. 
  5. a b c d e f g h i j Myers, Alan L. (2004). «Thermodynamics of Adsorption». En T.M. Letcher. Chemical Thermodynamics for Industry (en inglés). 

Bibliografía adicional[editar]

  • Brandt, R. K.; Hughes, M. R.; Bourget, L. P.; Truszkowska, K.; Greenler, R. G. (1993). «The interpretation of CO adsorbed on Pt/SiO2 of two different particle-size distributions». Surface Science (en inglés) 286 (1–2): 15-25. Bibcode:1993SurSc.286...15B. doi:10.1016/0039-6028(93)90552-U. 
  • Narayan, R. L.; King, T. S. (1998). «Hydrogen adsorption states on silica-supported Ru-Ag and Ru-Cu bimetallic catalysts investigated via microcalorimetry». Thermochimica Acta (en inglés) 312 (1–2): 105-114. doi:10.1016/S0040-6031(97)00444-9. 
  • Trens, P.; Durand, R.; Coq, B.; Coutanceau, C.; Rousseau, S.; Lamy, C. (2009). «Poisoning of Pt/C catalysts by CO and its consequences over the kinetics of hydrogen chemisorption». Applied Catalysis B: Environmental (en inglés) 92 (3–4): 280-284. doi:10.1016/j.apcatb.2009.08.004. 
  • Uner, D. O.; Savargoankar, N.; Pruski, M.; King, T. S. (1997). «The effects of alkali promoters on the dynamics of hydrogen chemisorption and syngas reaction kinetics on Ru/SiO2 catalysts». Studies in Surface Science and Catalysis. Studies in Surface Science and Catalysis (en inglés) 109: 315-324. ISBN 9780444826091. doi:10.1016/S0167-2991(97)80418-1. 
  • Uner, D. O. (1998). «A sensible mechanism of alkali promotion in Fischer Tropsch synthesis:Adsorbate mobilities». Industrial and Engineering Chemistry Research (en inglés) 37 (6): 2239-2245. doi:10.1021/ie970696d. 
  • VanderWiel, D. P.; Pruski, M.; King, T. S. (1999). «A Kinetic Study of the Adsorption and Reaction of Hydrogen on Silica-Supported Ruthenium and Silver-Ruthenium Bimetallic Catalysts during the Hydrogenation of Carbon Monoxide». Journal of Catalysis (en inglés) 188 (1): 186-202. doi:10.1006/jcat.1999.2646. 
  • Zupanc, C.; Hornung, A.; Hinrichsen, O.; Muhler, M. (2002). «The Interaction of Hydrogen with Ru/MgO Catalysts». Journal of Catalysis (en inglés) 209 (2): 501-514. doi:10.1006/jcat.2002.3647. 

Enlaces externos[editar]