ELECTIVE MODULES

La adsorción es una de las técnicas más eficientes, prometedoras y ampliamente utilizada en los procesos de tratamiento de aguas residuales. Es una técnica de gran importancia tecnológica, siendo los adsorbentes utilizados también para otros fines (desecantes, catalizadores o soportes de catalizadores, separación de gases, protección respiratoria).32

En 1881 Kayser introdujo el término adsorción para indicar la condensación de gases sobre superficies libres y así diferenciarla de la absorción gaseosa, proceso en el cual las moléculas de gas penetran dentro del sólido. En 1909 McBain utilizó el término sorción

Lic. Diego D. Colasurdo Página | 21 para abarcar tres procesos: adsorción sobre las superficies, absorción dentro del sólido y condensación capilar que ocurre en el interior de los poros. Pero en general la palabra adsorción se emplea indistintamente para la condensación capilar o para la adsorción en superficies.33

La adsorción ha sido definida por la IUPAC como el enriquecimiento o vaciamiento de uno o más componentes en una interfase. El material que se encuentra adsorbido por el sólido es llamado adsorbato, para distinguirlo del adsortivo, que es un término que se le da al material en la fase condensada que es potencialmente capaz de ser adsorbido.

En el caso de la adsorción de una solución sobre un sólido, las moléculas de soluto se reparten desde la fase fluida al adsorbente, conduciendo a un cambio en la concentración de la solución, así como en el sitio de adsorción. El fenómeno de adsorción depende de la interacción entre la superficie del adsorbente y la especie adsorbida. La interacción puede deberse a: enlaces químicos, enlaces de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y fuerzas de van der Waals.

Los materiales utilizados como adsorbentes deben cumplir una serie de características tales como poseer una considerable superficie específica, alta capacidad de adsorción, buena capacidad de regeneración, prolongada vida útil y bajo costo. El adsorbente más empleado en los procesos de tratamiento de aguas residuales es el carbón activado, que puede presentarse en forma de polvo o granular.

La técnica de adsorción permite la remoción de una gran cantidad de contaminantes orgánicos e inorgánicos en baja concentración de manera simple, ya sea en estado gaseoso o en solución. Cuando el adsorbato es un electrolito que se disocia en solución acuosa, se generan interacciones electrostáticas; la naturaleza de éstas (atractivas o repulsivas) depende de la densidad de carga de la superficie del material, de las características químicas del adsorbato y de la fuerza iónica de la solución. Durante el proceso de adsorción, se va produciendo el incremento en la concentración de los adsortivos sobre la superficie de los adsorbentes. A lo largo del tiempo, la velocidad de adsorción y de desorción se igualan, alcanzando el estado de equilibrio dinámico.

En la adsorción se ponen en juego fuerzas intermoleculares entre el adsortivo presente en la solución y el adsorbente. A medida que una molécula se aproxima a la superficie sólida, se establece un equilibrio entre las fuerzas intermoleculares atractivas y repulsivas. Las fuerzas de dispersión, responsables de la condensación de los gases y la no idealidad de estos, son las que se establecen entre el adsorbato y el adsorbente. Estas interacciones no dependen de la naturaleza polar del adsorbente o adsortivo y, por lo tanto, se consideran no específicas, ya que las fluctuaciones en la densidad electrónica son las que inducen la

Lic. Diego D. Colasurdo Página | 22 dispersión de la nube electrónica en las moléculas vecinas. Dicha dispersión está dada por la Ecuación 1.1:

𝐸𝐷(𝑟) = −

𝐶

𝑟𝑚 [1.1]

donde C es una constante relacionada con la polarizabilidad del adsorbente y del adsortivo y m una constante empírica. La repulsión de corto alcance es el resultado de la interpenetración de las nubes electrónicas de adsorbato y adsortivo, y se expresa mediante la Ecuación 1.2:

𝐸𝑅(𝑟) =

𝐵

𝑟𝑛 [1.2]

donde B y n son constantes empíricas. Para muchos propósitos, se considera que el potencial de Lennard-Jones es un punto de partida satisfactorio para establecer estas interacciones en la fase fluida y sobre la superficie del sólido, por lo que la energía potencial total se expresa mediante la Ecuación 1.3:

𝐸𝐷𝑅(𝑟) =

𝐵 𝑟12−

𝐶

𝑟6 [1.3]

A partir de esta fórmula se puede generar un diagrama de energía potencial vs distancia intermolecular. Si bien estas interacciones se pueden aplicar a los sistemas gas- sólido y líquido-sólido, estas últimas son más complejas dado que se establecen fuerzas de interacción adsorbente-adsorbato, adsorbato-adsorbato y solvente-adsorbato. Así, las características del solvente influyen en el proceso favoreciendo la adsorción en el caso que el adsorbato no tenga afinidad con el solvente. La presencia de dos componentes en el caso de la adsorción en fase líquida implica la competencia entre el soluto y el solvente por los sitios activos de los adsorbentes, lo que ocasiona que no existan zonas vacías en la superficie del sólido, siendo el proceso cinéticamente más lento y complejo.34,35

Dado que las fuerzas que operan durante el proceso de adsorción pueden tener diversos orígenes, se pueden diferenciar dos tipos de procesos: adsorción física (fisisorción) y adsorción química (quimisorción):

• Fisisorción: Predominan las interacciones del tipo físicas, gobernadas por potenciales de interacción y fuerzas del tipo de van der Waals. Es un proceso reversible, donde la entalpía de adsorción es usualmente inferior a 80 kJ.mol-1_{, con interacciones} adsorbato-adsorbente no específicas. En este tipo de adsorción, el adsorbato no modifica la estructura al ser adsorbido. Existe la posibilidad de formar mono o multicapa sobre el material, dependiendo de la afinidad del soluto sobre el mismo, y el tipo de interacciones

Lic. Diego D. Colasurdo Página | 23 que presenten las moléculas de soluto entre sí. Son las mismas fuerzas que ocasionan la condensación de los gases y la desviación del comportamiento ideal de los mismos.

• Quimisorción: Se forman enlaces químicos entre la superficie del adsorbente y el adsorbato, siendo por lo tanto un fenómeno específico y generalmente irreversible, que ocurre en determinados sitios del material sólido (sitios activos). Esta interacción es más fuerte y la entalpía del proceso de adsorción se encuentra entre 80-420 kJ.mol-1_{, propio de} la formación de estos enlaces. A diferencia de lo que ocurre con la fisisorción, el proceso necesita ser activado, favoreciéndose con la temperatura, siendo por lo tanto un proceso endotérmico. Dado que se forman enlaces covalentes, el adsorbato modifica su estructura al adsorberse. A diferencia de lo que sucede con la fisisorción, en la quimisorción se produce la formación de una monocapa de saturación. Sobre esta monocapa de adsorbato, pueden establecerse interacciones entre las moléculas de adsorbato, formando multicapas. Previo a la quimisorción, tanto el adsortivo como el adsorbente deben interaccionar físicamente para formar enlaces químicos.

La Figura 1.2 muestra los diagramas de energía potencial vs distancia que se dan en los procesos físicos y químicos.

Figura 1.2. Energía potencial en función de la distancia: a) fisisorción;b) fisisorción de una molécula

disociada; c) fisisorción y quimisorción.

Uno de los aspectos que más diferencia a estos dos tipos interacciones entre adsorbato y adsorbente, es que la transformación química de una especie quimisorbida requiere una energía de activación elevada, que no es necesaria en la fisisorción, por lo

Lic. Diego D. Colasurdo Página | 24 que ésta última suele ocurrir a temperaturas menores. En todos los casos se establece con rapidez un equilibrio de adsorción que es reversible.

La Tabla 1.4 resume algunas de las características más importantes para estos dos tipos de adsorción:

Tabla 1.4. Principales diferencias entre la fisisorción y la quimisorción.

Fisisorción (adsorción física) Quimisorción (adsorción química) • Proceso exotérmico (entalpía

semejante a la de condensación) • Interacción no específica

• Formación de monocapa o multicapa • La molécula fisisorbida mantiene su estructura

• Reversible, rápida

• No hay transferencia de electrones

• Valores altos de entalpía, similares a los de la formación de enlace químico • Interacción específica, irreversible • Formación de monocapa

• Se requiere una energía de activación alta

• Está favorecida por el aumento de temperatura

Existen otros tipos de adsorciones, que podrían considerarse intermedias, que no pueden ubicarse en una u otra categoría.36 _{En condiciones favorables, ambos procesos ocurren de} forma simultánea o alternativa, pero la fisisorción es generalmente el mecanismo preponderante.