Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

TEMA 5. Adsorción

1. Introducción

2. Adsorbentes industriales

3. Aplicaciones de la adsorción en Ingeniería Ambiental

4. Modelos isotermos de adsorción

4.1 Isoterma de Langmuir

4.2 Isoterma de Freundlich

Tema 5. Adsorción

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

1. Introducción

Adsorción física Adsorción química

Fuerzas de van der Waals Carácter exotérmico (1-10

kcal/mol) Rápida Reversible Formación de multicapas Ocurre en todos los sólidos y

en toda su superficie Poca selectividad Dependencia lineal con T

• Enlaces químicos• Carácter exotérmico (10-100

kcal/mol)• Lenta• Irreversible• Sólo monocapa adsorbida• Ocurre en ciertos sólidos y en

determinados puntos• Gran selectividad• Dependencia exponencial con

T (Arrhenius)

La adsorción es una operación de separación en la que ciertos componentes de una fase fluida se transfieren hacia la superficie de un sólido, donde quedan unidos mediante fuerzas de naturaleza física (débiles) o bien mediante verdaderos enlaces químicos.

Tema 5. Adsorción

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Tema 5. Adsorción

Proceso de decoloración por adsorción

1. Introducción

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

1. Introducción

Tema 5. Adsorción

ADSORCIÓN POR CICLOS

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

1. Introducción

Tema 5. Adsorción

ADSORCIÓN CONTINUA

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

1. Introducción

Ventajas de la adsorción como operación de separación

Frente a la destilación

Pueden separarse componentes con volatilidad relativa menor o igual a 1,2-1,5. Por ejemplo, la separación de isómeros es mucho más fácil mediante adsorción con zeolitas.

Si se trata de separar grupos de componentes que presentan rangos de puntos de ebullición que se solapan, sería preciso utilizar varias columnas de destilación, con el consiguiente aumento de los costes

El producto de interés está en concentración relativamente baja. En estas condiciones se necesitaría una relación de reflujo muy elevada en destilación, lo que provocaría un gran aumento en los costes energéticos.

Bajo consumo energético

Gran flexibilidad de elección del adsorbente

Elevada selectividad

Tema 5. Adsorción

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

2. Sólidos adsorbentes

Arcillas activadas

Alúmina

Carbón activo

Mallas moleculares: zeolitas

Sílica gel

Sólidos cristalinos microporosos en los que existen cavidades en las que pueden adsorberse moléculas de determinadas sustancias, dependiendo de las dimensiones de las cavidades. Tienen gran interés industrial como adsorbentes y catalizadores.

Canales

Tema 5. Adsorción

Forma granular: 50 μm- 12 mm

Resistentes, escasa caída de presión, fluyen con facilidad, etc.

Elevada superficie específica (1 millón m2/kg)

Adsorbentes industriales

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

3. Aplicaciones de la adsorción en Ingeniería Ambiental

En la industria alimentaria:

Decoloración en la industria azucarera

Decoloración de aceites en la refinación

En Ingeniería Ambiental:

Desulfuración del gas natural (eliminación del H2S)Eliminación de agua de efluentes gaseosos (secado)Eliminación de olores e impurezas desagradables de gases industriales como el dióxido de carbono o del aireRecuperación de compuestos orgánicos volátiles (acetona) de corrientes gaseosas

Procesos de potabilización de aguas:-Control de sabor y olor-Eliminación de microcontaminantes-Eliminación de exceso de desinfectante (cloro, ozono)

Depuración de aguas residuales: tratamiento terciario

Tema 5. Adsorción

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

Equipos de adsorción

Tema 5. Adsorción

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

4. Modelos isotermos de adsorción

Diseño de un proceso de adsorción

Selección del

adsorbente

Transferencia de materia

Capacidad de adsorción de soluto que tiene el sólido

El fluido que contiene el soluto o adsorbato se hace pasar por el sólido adsorbente a T cte y se mide la concentración de adsorbato a la salida

ISOTERMA DE ADSORCIÓN

Relación de equilibrio entre la concentración de adsorbato en la fase fluida y la concentración en las partículas de adsorbente a una temperatura determinada

Tema 5. Adsorción

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

4. Modelos isotermos de adsorción (cont.)

ISOTERMA DE ADSORCIÓN

Representación gráfica de la cantidad de soluto adsorbido (g de adsorbato/g de adsorbente) frente a la concentración de adsorbato en la fase fluida (en mg/l o ppm, para líquidos o en fracción molar o presión parcial para gases ).

Clasificación de Brunauer para las isotermas de adsorción

q

c

q

c

q

c c c

qq

Tip o I T ip o II

T ip o III T ip o IV Tip o V

Langmuir BET

Tema 5. Adsorción

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

4. Modelos isotermos de adsorción (cont.)

a. Todos los sitios del sólido tienen igual actividad para la adsorción

b. No existe interacción entre las moléculas adsorbidas

c. Cada unión adsorbato-adsorbente tiene la misma estructura y sucede por el mismo mecanismo

d. Cada sitio o poro del sólido puede albergar una sola molécula de adsorbato

4.1 Isoterma de Langmuir: adsorción en una sola capa

q: g adsorbato/g adsorbente

qo: máxima cantidad de adsorbato que puede adsorberse por g adsorbente

K: cte de equilibrio de adsorción

p: presión parcial del adsorbato

Dos casos extremos:

Bajas presiones q = qo K p

Altas presiones q = qo

Tema 5. Adsorción

oK pq

q = 1 + K p

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

oK pq

q = 1 + K p o o

p 1 1 = + p

q Kq q

p/q

p

Tema 5. Adsorción

4. Modelos isotermos de adsorción (cont.)

4.1 Isoterma de Langmuir: adsorción en una sola capa

o

1

Kq

o

1 q

Procesos de Separación en Ingeniería Ambiental

4. Modelos isotermos de adsorción (cont.)

4.2 Isoterma de Freundlich

a = k p1/n

log a = log k + (1/n) log p

a: Volumen de gas adsorbido por unidad de masa de adsorbente, m3/kg

p: Presión del gas

k y n: Parámetros característicos del adsorbente y adsorbato (n>1)

log a

log p

Tema 5. Adsorción

log k

1

n