Adsorción/desorción
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Definición de la operación unitaria
La adsorción es una operación unitaria en la cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material. La adsorción de una sustancia consiste en su acumulación en una determinada superficie de un cuerpo sólido o líquido. La misión de la adsorción consiste en la eliminación de algunos componentes de una fase fluida mediante un sólido que lo retiene, si la fase fluida es un líquido se denomina percolación. La adsorción es un fenómeno de superficie: las moléculas, átomos o iones adsorbidos están situados en la superficie de los poros del sólido, unidos por fuerzas de Van der Waals, o por verdaderos enlaces químicos (quimisorción), sólo los sólidos que posean una superficie específica elevadas serán adsorbentes de interés: carbón activo, gel de sílice, alúmina activada.La operación unitaria contraria a la adsorción se denomina desorción. Esta operación se realiza para la regeneración del lecho sólido colmatado de soluto, y para la recuperación del soluto adsorbido, si éste es económicamente interesante. En esta operación un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte quedando eliminado el líquido inicial.
Descripción de la operación unitaria
En la adsorción, el sólido adsorbente se encuentra llenado el interior de una columna de adsorción, formando un lecho fijo. A medida que se hace circular el gas o el líquido que contiene el soluto a adsorber , se va colmatando el sólido adsorbente, por lo que al cabo de un tiempo debe ser regenerado. La operación se realiza de forma semicontinua colocando dos lechos adsorbentes en paralelo: en un momento dado uno de ellos está en operación y el otro se está regenerando por la circulación a través de vapor de agua, aire o un gas inerte.De ésta forma el gas a depurar circula en continuo, mientras la aparición de cada lecho es discontinua. Un ejemplo peculiar de la operación de adsorción en lecho fijo es la cromatografía que está basada en la distinta adsorción de los componentes de una mezcla sobre un sólido adsorbente o un líquido sostenido por un sólido. Los componentes de la mezcla a separar quedarán retenidos con mayor o menor facilidad, y la suma de un eluyente permitirá recuperar por separado los distintos componentes de la mezcla.
Factores de un proceso de adsorción
a)Superficie específica y porosidad del sólido.
b)Tamaño de partícula.
c)Tamaño, estructura y distribución de los poros.
Tipos de adsorción
Hay dos tipos pricipales de adsorción:
1.Fisisorción: La fisisorción es la forma más sencilla de adsorción, y se debe a débiles fuerzas atractivas (fuerzas de Van der Waals) dado que éstas siempre están presentes, resulta que rápidamente cualquier superficie limpia expuesta al ambiente, acumula una capa de material fisiorbido. También se denomina adsorción física y la especie fisiorbida conserva su naturaleza química. En el caso de la fisisorción , las fuerzas que ligan el ión o molécula a la superficie y se encuentra a distancias atómicas, sentirá una atracción debida a la interacción con las moléculas de la superficie .
2) Quimisorción:La quimisorción ocurre cuando un enlace químico (intercambio de electrones) se forma. El grado de intercambio y lo simétrico que sea dependen de los materiales involucrados, por esto, la quimisorción es importante para la catálisis heterogénea done un catalizador sólido interacciona con un flujo gaseoso en lo que se llama reacción en lecho fluido.
Los materiales sólidos utilizados como adsorbentes pueden ser productos naturales o sintéticos y reúnen las siguientes características:
1) Alta capacidad de adsorción.
2) Propiedades físicas y tamaño de partícula adecuados para garantizar la resistencia mecánica y facilidad de manejo.
3) Coste bajo, tanto de la materia prima como del proceso de fabricación.
Principales variables y ecuaciones de diseño
En la cinética de la adsorción, encontramos la ecuación de Langmuir o isoterma de Langmuir que relaciona la adsorción de las moléculas en una superficie sólida con la presión de gas que se encuentre encima de la superficie sólida a temperatura constante: (donde θ es la fracción de cobertura de la superficie, P es la presión del gas o su concentración y α es una constante)
La isoterma de adsorción para un gas puro es la relación entre la cantidad adsorbida específica n (moles de gas por kilogramo de sólido) y P, la presión exterior de la fase gaseosa. La mayor parte de isotermas se pueden ajustar mediante una ecuación del virial modificada.
Equipos más empleados a escala industrial
Principalmente encontramos las columnas de adsorción, que pueden ser de dos tipos:
-Columnas de flujo descendente: En éstas se produce una más rápida obstrucción de poros por aglomeración de partículas coloidales lo que exige una limpieza y regeneración más frecuentes.
-Columnas de flujo ascendente: En ésta la densidad de las partículas aumenta a medida que pasa el tiempo en servicio, como consecuencia de la retención de materiales.
También encontramos el tanque agitado que está dotado con diferentes sensores que permiten realizar un seguimiento en tiempo real de los cambios del fluido debido a los procesos metabólicos de los microorganismos presentes.
Ejemplos de procesos químicos donde operan estas unidades
La adsorción se aplica industrialmente en muchos casos:
1)Para secar corrientes de gas por adsorción de su humedad sobre lecho de gel de sílice.
2)Para eliminar olores de una corriente por adsorción sobre el carbón activo.
3)Para decolorar líquidos.
4)Recuperar disolventes del aire ambiente evitando la contaminación por vapores orgánicos.
