MATERIALES ADSORBENTES: SÍNTESIS, CARACTERIZACIÓN Y APLICACIONES.
Sergio Acevedo 1* Ana María García 1 Liliana Giraldo 1. J.C Moreno2
1*. Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia,
Sede Bogotá. Avenida Carrera 30 No 45 -03, Bogotá (Colombia) saacevedoc@unal.edu.co
2. Departamento Química. Facultad de Ciencias. Universidad de los Andes. Carrera 1 No 18 A 10, Bogotá (Colombia)
1. INTRODUCCIÓN
Se presenta una corta descripción acerca de conceptos relacionados con materiales adsorbentes en cuanto a procesos de síntesis, caracterización y algunas aplicaciones. Entrando en materia y para definir qué es un material adsorbente y cuál es su función es conveniente analizar en qué consiste el proceso de adsorción y cuáles son sus principales características.
Diferentes autores han definido la adsorción (Figura 1) como un proceso mediante el cual los átomos que se encuentran en la superficie de un sólido atraen y retienen diferentes iones o moléculas tanto en fase líquida como en fase gaseosa a través de interacciones electrostáticas. Dichas interacciones son consideradas como una de las propiedades más importantes de los sólidos o materiales adsorbentes debido a que les confiriere alta capacidad de eliminación de sustancias y baja selectividad de retención (Rodríguez Reinoso, F Molina Sabio, M, 2001).
Figura1. Proceso de Adsorción. Schull, et. al, Nano Letters. 2006, Vol. 6, 1360-1363
 
multimoleculares y se diferencia de la adsorción química o quimisorción en que esta última es un proceso irreversible debido a la formación de enlaces químicos con la superficie que permiten la formación de la monocapa.
Teniendo en cuenta lo anterior, los materiales adsorbentes son sólidos que atraen y retienen moléculas en la superficie debido a que presentan elevada área superficial, porosidad (micro, meso y macroporos) y carácter ácido-base. En la Figura 2 se observan las principales características de un material adsorbente de tipo carbonoso como el carbón activado.
Figura 2.  Carbón activado. Autores
 
2. MATERIALES ADSORBENTES
 
 
Los precursores lignocelulósicos presentan altos contenidos de lignina y celulosa que le atribuyen un alto contenido de carbono fijo en su estructura, mientras que los huesos presentan un mayor contenido de mineral hidroxiapatita. En la Figura 4 se muestran las estructuras de los componentes de los materiales lignocelulósicos y de huesos de animal.
Figura 4.  Componentes de los materiales lignocelulósicos y de huesos- Tomado de 
http://www.e-limbo.org/articulo.php/Art/3290, http://cienciahoje.uol.com.br/noticias/2012/09/regeneracao-sem-rejeicao
Lignina
Celulosa
Hidroxiapatita
 
tipo más utilizados son el hueso de durazno, maíz, fibra de papel, caña de azúcar, cáscara de coco, cuesco de palma, cáscara de almendra, hueso de cereza, hueso de aceituna, cascarilla de arroz, turba canadiense entre otros.
3. SÍNTESIS DE MATERIALES ADSORBENTES
Dependiendo del precursor seleccionado para sintetizar adsorbentes carbonosos, existen dos formas para su obtención: los tratamientos químicos y los tratamientos térmicos o físicos.
Los tratamientos químicos implican la impregnación de los precursores con disoluciones de agentes químicos deshidratantes como ácidos, bases y sales a diferentes concentraciones durante un tiempo establecido acompañado de un proceso de carbonización a altas temperaturas en atmósfera inerte. Los agentes químicos más empleados son el ácido fosfórico, el hidróxido de potasio y el cloruro de zinc.
Por otra parte, los tratamientos físicos o térmicos requieren la carbonización de los precursores a altas temperaturas en atmósfera inerte y la exposición a gases oxidantes como el dióxido de carbono y el vapor de agua (García, A, et al, 2013).
Es importante mencionar que antes de utilizar el tratamiento químico o el tratamiento térmico los precursores deben pasar por tratamientos preliminares como el secado, la molienda y el tamizado para conseguir un tamaño adecuado de partícula.
Por ejemplo, al utilizar huesos para obtener carbón animal como adsorbente es necesario que los huesos sufran primero procesos de lavado para retirar residuos de carne y grasa. Una vez los huesos están completamente limpios se someten a procesos de corte para facilitar su manipulación y continuar con los tratamientos preliminares.
Las dos rutas de síntesis mencionadas permiten obtener materiales con características texturales y químicas diferentes, es decir, materiales con diferente desarrollo de porosidad, superficie interna y diferente contenido de grupos químicos oxigenados en la superficie, lo que les confiere la posibilidad de ser empleados en diferentes procesos. La caracterización de los materiales adsorbentes es lo que determina sus propiedades y con ello sus posibles aplicaciones.
4. CARACTERIZACIÒN
 
En la taba 1 se comparan algunas propiedades texturales y químicas de dos materiales adsorbentes para explicar mejor la influencia de estos parámetros sobre las posibles aplicaciones de dichos materiales.
Tabla 1. Parámetros físicos y químicos de materiales adsorbentes.
Caracterización Determinación Carbón activado
Volumen de poro
pHpcc   9,92 8,13
El carbón animal corresponde a un adsorbente preparado con huesos de bovino en atmósfera de nitrógeno a 1073 K. A través de sus parámetros texturales y químicos se puede observar que es un material con baja área superficial comparado con el carbón activado proveniente de cuesco de palma africana lo cual indica poca presencia de microporos. El volumen de poro del carbón animal depende de los mesoporos que se desarrollaron con el tratamiento térmico e indica que el material puede ser apto para atraer y retener moléculas cuyo tamaño se encuentre entre 2 y 50 nm. Teniendo en cuenta que este material tiene un mayor contenido de grupos básicos sobre la superficie por lo cual su pHpcc es básico, es posible que establezca interacciones electrostáticas con sustancias de carácter ácido.
El carbón activado fue preparado mediante un tratamiento químico con cloruro de magnesio y activado a 1073 K. Al tratarse de materiales precursores y rutas de síntesis diferentes, se observan notables diferencias entre las propiedades físicas y químicas de los carbones que se obtienen. En este caso, el carbón activado es microporoso con un alto contenido de grupos básicos en la superficie lo cual le permite tener una mayor afinidad hacia moléculas pequeñas y de carácter ácido.
5. APLICACIONES
 
Una aplicación en fase líquida de materiales adsorbentes consistió en remover 4- nitrofenol de disoluciones acuosas empleando carbón animal proveniente del tratamiento térmico de huesos de pollo, bovino y porcino.
Este tipo de aplicaciones resulta interesante debido a que el 4-nitofenol es una sustancia utilizada en la síntesis de diferentes compuestos como medicamentos, colorantes, fungicidas y plaguicidas, por lo cual es considerado un contaminante emergente en aguas residuales (Gil, M, et al, 2012).
Para la preparación del carbón animal se recolectaron los huesos y se sometieron a un tratamiento preliminar que consistió en el lavado, corte, secado, molienda y tamizado para conseguir huesos con un tamaño de partícula de entre 2 y 4 mm aproximadamente.
Posterior a esto, los huesos recibieron tratamientos térmicos en atmósfera de dióxido de carbono y nitrógeno a 773 y 1073 K durante 2 horas, en la Figura 5 se observan las modificaciones que sufre el material precursor en la preparación del carbón animal. Cuando se obtuvieron los carbones se caracterizaron utilizando isotermas de adsorción de nitrógeno a 77 K, la determinación del contenido de grupos básicos totales siguiendo el método Boehm modificado y la determinación de las entalpías de inmersión en diferentes líquidos de mojado (agua, tolueno, isopropanol y disoluciones acuosas de 4-nitrofenol) empleando un microcalorimetro de conducción de calor.
Figura 5.  Modificaciones de los huesos y cuesco de palma Africana en la obtención de carbón. Autores.
Precursor: huesos de bovino
Tratamiento preliminar Carbón animal
Fruto de Palma Africana   Precursor: Cuesco de Palma Carbón Activado
De acuerdo con la caracterización realizada al carbón preparado a partir de huesos de origen animal se obtuvieron carbones mesoporosos de baja área superficial y carácter básico que presentan interacciones con moléculas polares. Debido a estas características dichos carbones son adecuados para remover sustancias como el 4-nitrofenol que tiene carácter ácido, posibilidad de formar puentes de hidrógeno intermoleculares, puntos de ebullición elevados, solubilidad en agua y efecto de campo de grupos polares.
Se realizaron ensayos para remover el 4-nitrofenol de disoluciones acuosas de diferente concentración utilizando una determinada cantidad de carbón y de las disoluciones encontrando que se remueve hasta un 38.6% el 4-nitrofenol cuando se encuentra en disolución acuosa a altas concentraciones, es decir, concentraciones cercanas a las 500 mg/L.
Como se observó en dicho estudio, existe un porcentaje considerable de 4-nitrofenol que puede ser removido de disoluciones acuosas empleando materiales adsorbentes como el carbón animal lo cual constituye una buena alternativa para implementarla en el tratamiento de aguas residuales que contengan este tipo de contaminantes aprovechando que se da un valor agregado a residuos de las industrias cárnicas al preparar este tipo de materiales adsorbentes para reducir la carga contaminante de diferentes efluentes.
Otra aplicación importante de los materiales adsorbentes es la adsorción en fase gas como se mencionó anteriormente. Otro estudio realizado consistió en la adsorción de dióxido de carbono utilizando un carbón activado proveniente de un material lignocelulósico conocido como el cuesco de palma africana, el cual es considerado un residuo agroindustrial generado en la producción del aceite de palma.
La palma africana es una planta tropical propia de climas cálidos que crece en tierras por debajo de los 500 metros sobre el nivel del mar. Su origen se ubica en el golfo de Guinea en el África occidental. De ahí su nombre científico, Elaeis Guineensis Jacq., su denominación popular: palma africana de aceite. En Colombia la producción de esta planta es alta, ya que a nivel mundial se encuentra en cuarto lugar en la producción lo cual sugiere una alta disponibilidad del cuesco para la preparación de materiales adsorbentes (Fedepalma, 2012).
 
temperaturas de activación entre 773 y 1073 K durante 6 horas en atmósfera de dióxido de carbono (Juárez-Galán, J.M, et al, 2009).
Mediante las diferentes técnicas de caracterización se encontró que estos carbones activados de origen vegetal son sólidos micro-mesoporosos de carácter básico, lo cual facilita la entrada del dióxido de carbono al interior de los poros ya que el tamaño de esta molécula es inferior a 2 nm. El carácter básico de los carbones hace que exista afinidad por el dióxido de carbono debido a que la molécula es de carácter ácido y se favorecen las interacciones electrostáticas. En este estudio se encontró que utilizando este tipo de adsorbentes carbonosos la capacidad máxima de retención de dióxido de carbono es de 66 cm3g-1 lo cual es importante en procesos de descontaminación del aire.
6. CONCLUSIONES
Los materiales adsorbentes pueden ser preparados a partir de diversos precursores de tipo animal o vegetal que les confieren propiedades texturales y químicas diferentes, las cuales se les puede atribuir aplicaciones específicas. Resulta importante en el caso de los materiales carbonosos utilizar precursores que tengan altos contenidos de carbono y no tengan ningún valor agregado como es el caso de los residuos.
Diferentes técnicas de caracterización son utilizadas para conocer las propiedades texturales y químicas de los materiales adsorbentes con el fin de establecer algunas aplicaciones. En general, los carbones provenientes de materiales lignocelulósicos presentan mayores áreas superficiales, porosidad y grupos químicos superficiales en comparación con materiales minerales debido al contenido de carbono fijo en su estructura.
La preparación de materiales adsorbentes es una alternativa viable para llevar a cabo procesos de descontaminación del agua y el aire teniendo en cuenta que presentan una buena capacidad de eliminación de sustancias tóxicas al tener una baja selectividad de retención.
7. REFERENCIAS
Fedepalma. “La palma de aceite”. En línea. (6 julio de 2012), disponible en: http://portal.fedepalma.org/palma.htm.
García, A Mendez, A Sanchez, M Blanco, D Moreno-Piraján, J. CGiraldo L. 2013.  Adsorción simple y competitiva de iones metálicos zinc y cadmio sobre carbón activado a partir de semillas Mucuna deeringiana. Afinidad LXX 564 277-283.
Gil, M Soto, A Usma, J Gutiérrez, O. 2012. Contaminantes emergentes en aguas, efectos y posibles tratamientos.
Juárez-Galán, J.M. Silvestre-Albero, A. Silvestre-Albero, J. Rodríguez-Reinoso, F. Synthesis of activated carbon with highly developed ‘‘mesoporosity”. Micropor Mesopor Mat. 2009. 117(1-2): 519–521.
 
Moreno-Piraján J. C. 2007. Sólidos porosos: preparación, caracterización y aplicaciones. Bogotá, Colombia.
Rodríguez Reinoso, F Molina Sabio, M. 2001. El carbón activo en procesos de descontaminación. Departamento de Química Inorgánica. Universidad de Alicante. España.