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)
[email protected]
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.