Adsorcion Carbon Activado

Universidad Nacional Mayor de San MarcosE.A.P. Ingeniería Agroindustrial

RESULTADOS

DATOS EXPERIMENTALES

TABLA N°1: Condiciones del laboratorio

Presión (mmHg) Temperatura (ºC) Humedad Relativa (%)

756 22 93

TABLA N°2: Valoración del NaOH

Masa del Biftalato acido de potasio (g) Vol. gastado de NaOH (mL)

0.2023 9.4

TABLA N°3: Preparación de soluciones

MuestraHAc de origen

N

Volumen necesario de

HAc

HAc preparado N

Volumen preparado (mL)

1 0.15 100 0.15 1002 0.15 80 0.12 1003 0.15 60 0.09 1004 0.15 40 0.06 1005 0.15 20 0.03 1006 0.15 10 0.015 100

TABLA N°4: Valoración del ácido acético y las masas del carbón activado utilizado.

MuestraConcentración

[HAc] N

Carbón activado

(g)

Volumen valorado HAc (mL)

Volumen gastado de NaOH antes de adsorción

(mL)

Volumen gastado de

NaOH después de adsorción

(mL)

1 0.15

0.5

10 16 13.7

2 0.12 10 10.9 9.7

3 0.09 10 8.5 7.5

4 0.06 20 10.6 8.8

5 0.03 20 5.0 3.5

6 0.015 20 2.6 1.0

DATOS TEÓRICOS

1


TABLA N°5: Carbón activado a 21 ºC (constantes teóricas)1

RESULTADOS

TABLA N°6: Normalidad corregida del NaOH

Normalidad aproximada (N)

Normalidad corregida (N)

0.1 0.1054

TABLA N°7: Normalidades corregidas del ácido acético

Normalidad aprox.Normalidad corregida antes

del filtrado (Co)Normalidad después del

filtrado (C)

0.15 0.16864 0.1443980.12 0.1149 0.1022380.09 0.08959 0.079050.06 0.055862 0.0463760.03 0.02635 0.018445

0.015 0.013702 0.00527

TABLA N°8: Masa de ácido acético adsorbido (x) y gramos del ácido adsorbidos por gramo de carbón (X/m)

MuestraPeso

molecular del HAc (g/mol)

Vol. de la solución

(L)

X: Masa de HAc

adsorbido (g)

m: Masa de carbón

activado (g)X/m

1

60.05 0.05

0.0728

0.5

0.14562 0.0380 0.07603 0.0316 0.06324 0.0284 0.05685 0.0237 0.04746 0.0253 0.0506

TABLA N°9: Datos para la GRÁFICA # 1 (X/m VS C)

X/m C

1 http://www.scielo.br/img/revistas/jbchs/v15n5/21956t4.gif

K n

2


0.1456 0.1443980.0760 0.1022380.0632 0.079050.0568 0.0463760.0474 0.0184450.0506 0.00527

TABLA N°10: Datos para la GRÁFICA # 2 (Log (X/m) VS Log (C))

Log (X/m) Log (C)

-0.837 -0.8395-1.119 -0.9904-1.199 -1.1021-1.246 -1.3337-1.324 -1.7341-1.295 -2.2782

TABLA N°11: Porcentaje de error

Valor teórico Valor experimental % de Error

K 1.2 0.1959 83.7

n 0.8 0.4703 41.2

EJEMPLO DE CÁLCULOS

- Se realizan los mismos cálculos para las concentraciones 0,09 N; 0,06 N; 0,03

N y 0,015N a partir de la solución de 0,15N. (Ver TABLA N°3)

3


A. Hallando las concentraciones verdaderas

NaOH

Reemplazando los valores, teniendo en cuenta que

(Ver TABLA N°6)

Acido acético 0,15 N

- Antes de agregarle el carbón activado

Para hallar la concentración verdadera de la solución de acido acético de 0,15N se utiliza la siguiente fórmula:

- Del mismo modo se hallan las concentraciones verdaderas de las soluciones

de acido acético de: 0,12N; 0,09 N; 0,06 N; 0,03 N y 0,015N (Ver TABLA N°7)

- Luego de filtrar el carbón activado

Para hallar la concentración verdadera de la solución de acido acético de 0,15N se utiliza la siguiente fórmula:

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- Del mismo modo se hallan las concentraciones verdaderas de las soluciones

de acido acético de: 0,12N; 0,09 N; 0,06 N; 0,03 N y 0,015N (Ver TABLA N°7)

B. Calculando los gramos de acido acético adsorbidos (X) y los gramos de acido acético adsorbidos por gramo de carbón (X/m)

- Hallando X

Donde:X= peso del soluto adsorbidoC0= concentración molar inicial de la soluciónC= concentración molar final o de equilibrio de la soluciónM= peso molecular del solutoV= volumen de la solución

Para el acido acético de 0,15 N:C0= 0,16864 N= 0,16864 MC= 0,144398 N= 0,144398 MM= 60,05g/mol (acido acético)V= 50 ml =0,05 L

Reemplazando en la ecuación superior

Se realiza el mismo procedimiento con las demás soluciones de acido acético. (Ver TABLA N°8)

C. Grafica Log(X/m) Vs Log (C)

Calculando las constantes n y k

- Hallando la pendiente (n) y (k)

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- Hallando el % error

o Constante n

o Constante k

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Al ser comparados los datos obtenidos de n y K con los valores teóricos, se obtuvo porcentajes de error de 32.55% y 13.75%, respectivamente.

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En la grafica mencionada se tuvo una 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 acido acético en la solución, aumenta el volumen de la base titulante.

Las causas de los errores pueden ser en la determinación de las concentraciones corregidas de cada disolución. Otro factor de error es que pudo haberse quedado un poco de muestra de carbón activado en el papel de aluminio cuando se realizó el transvase de este a cada matraz erlenmeyer.

También es probable que el error en la adsorción, fuera la calidad del reactivo carbón activado, si este no es lo suficientemente poroso, o se hubiera encontrado parcialmente hidratado, hubiera reducido considerablemente sus propiedades de adsorción.

CONCLUSIONES

A medida que aumenta la concentración del ácido acético (adsorbato) aumenta la relación entre la cantidad adsorbida por gramo de carbono.

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La adsorción de los líquidos por los sólidos es también selectiva, así un sólido determinados adsorberá un líquido más fácilmente que otro, por lo que este será desalojado por el primero.

La cantidad de material adsorbido, ácido acético, por peso unitario de carbón activado adsorbente, a una temperatura dada, depende de la concentración del soluto, acido acético.

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 ya que mientras más compleja sea la molécula, mejor será adsorbida.

Se observa en las graficas que a medida que aumenta la concentración del ácido acético (adsorbato), aumenta la relación de la cantidad adsorbida por gramo de carbón activado.

Conforme aumenta la temperatura disminuye la adsorción.

Un incremento en el área de la superficie eleva la adsorción.

Se comprueba que mediante un sólido (carbón activado) se puede eliminar una sustancia soluble en el agua.

La magnitud de absorción depende en gran parte del sólido que estamos tratando así como la capacidad de este para poder adsorber.

El carbón activado absorbe al acido acético debido a que en su superficie existen fuerzas de atracción entre sus moléculas, las cuales atraen a las moléculas de acido acético en un determinado porcentaje.

RECOMENDACIONES

Realizar los cálculos antes de preparar las soluciones para agilizar el proceso.

Medir exactamente los volúmenes requeridos con ayuda de las pipetas.

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http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtml


Colocar en la estufa las pipetas para que se sequen, de tal modo que la medición del volumen sea exacta.

Homogenizar bien las soluciones preparadas.

Rotular las fiolas con las concentraciones de las soluciones que contienen para evitar confusiones.

Mover el matraz suavemente en el momento de la valorización con NaOH

Al colocar el carbón activado en el erlenmeyer, procure que la solución de acido acético arrastre toda la masa de carbón.

Se debe ser precisos en el momento de valorar. A menor concentración de ácido acético, la reacción es más rápida respecto a la coloración de la solución que contiene fenoltaleína.

BIBLIOGRAFÍA

LIBROS:

Gilbert W.Castellan .” Fisicoquimica “ 2da. Edicion pag. 452-454

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PÁGINAS DE INTERNET:

http://es.wikipedia.org/wiki/Adsorci%C3%B3n

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

http://es.wikipedia.org/wiki/Isoterma_de_adsorci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Isoterma_de_Freundlich

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/059/htm/

sec_8.htm

http://www.cienciahoy.org.ar/ln/hoy105/catalisis.htm

http://www.scielo.br/img/revistas/jbchs/v15n5/21956t4.gif

APÉNDICE

1. Desde el punto de vista del fenómeno de adsorción, explique el tratamiento de agua con resinas sintéticas

En el caso de adsorbentes de intercambio la absorción es realmente, la reacción Química en la que se libera un ion del adsorbente al otro.

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http://www.cienciahoy.org.ar/ln/hoy105/catalisis.htm

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/059/htm/sec_8.htm

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/059/htm/sec_8.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Isoterma_de_Freundlich

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

http://es.wikipedia.org/wiki/Adsorci%C3%B3n


El tratamiento de agua, usando resinas tales como la de fenol –formaldehído exhiben propiedades de intercambio .La ventaja de las resinas sintéticas es que las propiedades de absorción –intercambio; se pueden variar por la selección de los reactivos para la reacción de polimerización, la condensación de alcoholes polihidroxilicos con formaldehído produciendo resinas que adsorben los iones calcio liberando iones hidrogeno o iones sodio:

2NaR + Ca → Ca R2 + 2Na

2HR + Ca → Ca R2 + 2H (NaR) representa sal de sodio de la resina de intercambio iónico y (HR) la forma ácida. Tratando la resina agotada con exceso de Na o H se pueden invertir las reacciones regenerando la resina.

Las resinas sintéticas preparadas mediante condensaciones de aminas aromáticas y formaldehído exhiben intercambio aniónico o adsorbente ácido, pasando agua por las columnas de resinas de intercambio básico y ácido, se obtiene agua desionizada.

2. En reacciones químicas en fase heterogénea, explique el efecto de la superficie sólida.

Los catalizadores se emplean en general para acelerar las reacciones lentas o que no podrían efectuarse de otro modo; pero también se utilizan para modificar el nivel de temperaturas de operación, o para influir en la distribución de producto, o bien, aunque más raramente, para retardar la reacción. 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.

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El mecanismo de la catálisis de superficie es muy complejo. Se supone que las reacciones de este tipo en fase fluida transcurren, al menos, según estas cinco etapas: Difusión de las moléculas reaccionantes, de la fase fluida, hasta la

superficie del catalizador. Adsorción de las moléculas, reaccionantes, en la superficie del catalizador. Reacción en la superficie catalítica. Desorción de los productos de la superficie catalítica. Difusión de los productos hacia la fase fluida.

Una ecuación para la velocidad de reacción que englobe todas las etapas es muy compleja, y las constantes cinéticas están tan íntimamente relacionadas con variables dependientes de cada etapa, que son muy difíciles de evaluar con exactitud. En general, se admite que sólo una de las etapas presenta resistencia apreciable a la reacción. Combinando algunas etapas en las reacciones más simples se obtienen ecuaciones relativamente sencillas. En otros casos es imposible basar las ecuaciones cinéticas en un mecanismo racional, por lo que hay que recurrir a correlaciones totalmente empíricas entre las variables de operación. Desgraciadamente, en tales casos las extrapolaciones a puntos alejados del intervalo experimental son poco seguras. 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. Otro factor a considerar en los lechos de partículas es la velocidad de transmisión de calor, que a veces es muy pequeña; cuando los efectos

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térmicos que acompañan a la reacción son apreciables, la velocidad de transmisión de calor puede ser el factor de operación más importante. Estos factores, así como el transporte de materia hasta la superficie de las partículas han sido objetos de muchas investigaciones, para predecir sus efectos sobre la reacción global.

Quimisorción y adsorción física:

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. La adsorción es debida a una atracción entre las moléculas de la superficie del adsorbente y las del fluido, el cual se denomina adsorbato. Experimentalmente se ha encontrado que la intensidad de esta atracción puede ser de dos órdenes de magnitud diferentes: en algunos casos, la atracción es ligera, de la misma naturaleza que la existente entre dos moléculas análogas, y se denomina adsorción física; en otros casos, las fuerzas de atracción son parecidas a las que intervienen en la formación de enlaces químicos, y el proceso se denomina adsorción química o quimisorción. Estos fenómenos difieren marcadamente en otros aspectos, como se indica a continuación.

Efectos térmicos.- La adsorción es un proceso exotérmico. en la adsorción física de gases, el efecto calorífico es del mismo orden de magnitud que el calor de condensación, es decir, de unos cientos de calorías por mol. En la quimisorción el efecto calorífico se asemeja más al que acompaña a una reacción química, siendo de 10 a 100 Kcal/mol., p. ej., el calor de adsorción del oxígeno por el carbón es de unas 80 Kcal/mol, comparable al calor de combustión del carbón ( 94 Kcal/mol). En este caso se forma realmente un compuesto estable, ya que cuando se intenta separar el adsorbato por evacuación aparece algo de monóxido de carbono en el oxígeno.

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Efecto de la temperatura.- Es importante distinguir entre la cantidad adsorbida y la velocidad de adsorción. Como los dos tipos de adsorción son exotérmicos, al aumentar la temperatura tiende a disminuir la cantidad adsorbida en el equilibrio. La adsorción física es rápida y se alcanza muy pronto el equilibrio, aún a temperaturas bajas. La quimisorción requiere de energía de activación (tabla siguiente); su velocidad es pequeña, excepto a temperaturas elevadas, y el equilibrio se establece lentamente. El efecto del aumento de la temperatura sobre la adsorción total se representa en la siguiente figura y se ilustra por la siguiente descripción de la adsorción de hidrógeno en una mezcla catalítica de óxidos de magnesio y cromo (Taylor y Williamson). Efecto de la presión.- El equilibrio de adsorción física está marcadamente influido por la presión, ya que por evacuación puede revertirse el proceso. Por el contrario la presión tiene un efecto muy pequeño sobre el equilibrio de quimisorción, y la capa unimolecular característica de este fenómeno se forma aún a presiones muy bajas. Sin embargo, para ambos tipos de adsorción, las velocidades aumentan con la presión.

Efecto de la superficie.- La adsorción física viene determinada únicamente por el área de superficie, mientras que la quimisorción es altamente específica; p. ej., el hidrógeno es químicamente adsorbido por el níquel, pero no por la alúmina, y el oxígeno por el carbón, pero no por la magnesia. Este comportamiento está de acuerdo con el hecho de que la quimisorción tiene las características de una reacción química, y depende tanto del estado físico de la

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superficie como de su composición química. La heterogeneidad de la superficie del catalizador está confirmada por el hecho de que el calor de adsorción disminuye gradualmente a medida que transcurre la quimisorción. La superficie contiene átomos de diferentes grados de saturación; los que se encuentran en las aristas de los cristales y en las grietas o protuberancias están, probablemente, menos saturados y, en consecuencia, son más activos. Una de las modernas teorías sobre la actividad superficial dice que esta se debe a ciertos defectos de red. El hecho de que pequeñas cantidades de aditivos, denominados promotores, aumenten la actividad de los catalizadores se explica satisfactoriamente en algunos casos al comprobar que los átomos del promotor penetran en la red cristalina del catalizador, originando distorsiones y tensiones en la red. En la actualidad está perfectamente establecido que la quimisorción y las reacciones químicas se efectúan en lugares preferentes de la superficie, denominados puntos, centros o lugares activos; para dar una idea del orden de magnitud indicaremos que el número total de centros activos para el cracking del cumeno es de 3.6 x 10 19 por gramos oo 1.2 x 10 17 por metro cuadrado. (Millss, Boedeker y Oblad). Otra diferencia a señalar es que la quimisorción está limitada a la formación de una capa monomolecular, lo que constituye otro indicio de reacción en la superficie, puesto que las fuerzas de valencia disminuyen rápidamente con la distancia; por el contrario, la adsorción física nunca está limitada a una capa monomolecular. Las consideraciones anteriores pueden, en lo que afecta a la cinética de reacción, resumirse en los siguientes puntos:

1. La adsorción es necesariamente una etapa preliminar para las reacciones catalizadas por superficies sólidas. 2. La quimisorción es invariablemente el tipo de adsorción implicada en tales casos, y tiene las características de una reacción química entre el adsorbato y las moléculas de la superficie. 3. Las superficies catalíticas son heterogéneas y la quimisorción tiene lugar preferentemente en los centros activos de la superficie.

.

3.- Indique los adsorbentes industriales más importantes, con algunas de sus aplicaciones.

Los materiales sólidos empleados como adsorbentes son productos naturales o sintéticos. En cualquier caso, el proceso de fabricación ha de asegurar un gran desarrollo superficial mediante una elevada porosidad. Los adsorbentes naturales (arcillas, zeolitas) tienen pequeñas superficies. Los adsorbentes industriales y los carbones activados de buena calidad pueden llegar a tener entre 1.000 y 1.500 m2/g. Otras características importantes que debe reunir un buen adsorbente son las siguientes:

Alta capacidad de adsorción. La relación dé equilibrio entre las fases influye en la eficacia con que se alcanza la capacidad final y, en muchos casos, controla la capacidad real del soluto.

Como quiera que los mecanismos de unión son muy complejos y no se han determinado con precisión aún, no se dispone de una norma satisfactoria mediante la cual puedan preverse, a priori las afinidades relativas entre un material poroso y una sustancia.

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Propiedades físicas y tamaño de partícula adecuados para garantizar la necesaria resistencia mecánica y facilidad de manejo, produciendo la menor pérdida de carga posible tanto en lechos fijos como en los móviles o fluidizados.

Coste bajo, tanto de la materia prima como del proceso de fabricación. Fácil regeneración; por desorción, especialmente en el caso de los

procesos continuos.

Tipos de poros dentro de una partícula de carbón

El carbón activado tiene una gran variedad de tamaños de poro los cuales pueden clasificarse de acuerdo a su función, en poros de adsorción y poros de transporte.Los primeros consisten en espacios entre placas grafíticas con una separación de entre una y cinco veces el diámetro de la molécula que va a retenerse. En éstos ambas placas de carbón están lo suficientemente cerca como para ejercer atracción sobre el adsorbato y retenerlo con mayor fuerza. Los poros mayores que los de adsorción son los de transporte, y tienen un rango muy amplio de tamaños, que van hasta el de las grietas que están en el límite detectable por la vista, y que corresponde a 0.1 mm. En esta clase de poros, sólo una placa ejerce atracción sobre el adsorbato y entonces lo hace con una fuerza menor, o incluso insuficiente para retenerlo. Actúan como caminos de difusión por los que circula la molécula hacia los poros de adsorción en los que hay una atracción mayor. Por lo tanto, aunque tienen poca influencia en la capacidad del carbón activado, afectan a la cinética o velocidad con la que se lleva a cabo la adsorción. Otra clasificación de los poros, es la de la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemists), que se basa en el diámetro de los mismos, de acuerdo a lo siguiente:

microporos: menores a 2 nm mesoporos: entre 2 y 50 nm macroporos: mayores de 50 nm (típicamente 200 a 2000 nm)

Los microporos tienen un tamaño adecuado para retener moléculas pequeñas, que aproximadamente corresponden a compuestos más volátiles que el agua, tales como olores, sabores y muchos solventes. Los macroporos atrapan moléculas grandes, tales como las que son coloreadas o las substancias húmicas -ácidos húmicos y fúlvicos- que se generan al descomponerse la materia orgánica. Los mesoporos son los apropiados para moléculas intermedias entre las anteriores Por lo tanto, la capacidad de un carbón activado para retener una sustancia determinada, no sólo está dada por su área superficial, sino por la proporción de poros cuyo tamaño es el adecuado: una a cinco veces el diámetro de la molécula de dicha sustancia.

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