OBJETIVOS
1.
Determinar
la isoterma de adsorción del ácido acético.
2.
Comparar el
comportamiento de una sustancia adsorbida en las distintas ecuaciones de adsorción.
INTRODUCCIÓN
En los
procesos de adsorción, uno o más componentes de una corriente de gas o de
líquido se adsorben en la superficie de un sólido y se lleva a cabo una
separación. En los procesos comerciales, el adsorbente generalmente tiene la forma
de partículas pequefias en un lecho fijo. El fluido se hace pasar por el lecho
y las partículas sólidas adsorben componentes del fluido. Cuando el lecho está
casi saturado, el flujo se detiene y el lecho se regenera térmicamente o por
otros métodos, de modo que ocurre una deserción. Así se recupera el material
adsorbido (adsorbato) y el adsorbente sólido queda listo para otro ciclo de
adsorción (McCabe, 2007).
Entre
las aplicaciones de la adsorción en fase líquida están la eliminación de
compuestos orgánicos del agua o de soluciones orgánicas, la eliminación de
impurezas coloreadas de sustancias orgánicas y la eliminación de diversos
productos de fermentación de las descargas de los fermentadores. Las
separaciones incluyen la de parafinas de compuestos aromáticos y la de
fructuosa de glucosa utilizando zeolitas (Geankoplis, 1998).
Las
aplicaciones de la adsorción en fase gaseosa incluyen la eliminación de agua de
hidrocarburos gaseosos, la de componentes azufrados del gas natural, la de
disolventes del aire y de otros gases, y la de olores del aire.
El
carbón activado es un material microcristalino que proviene de la
descomposición térmica de madera, cortezas vegetales, carbón, etc., y tiene
áreas superficiales de 300 a 1200 m*/g con un promedio de diámetro de poro de
10 a 60 A. Las sustancias orgánicas generalmente se adsorben carbón activado.
Un carbón activado ha de poseer una buena distribución de porosidad –poros de tamaños diferentes- que
permita el transporte de masas, y elevada superficie, para que el número de
centros activos (átomos de carbono con valencias residuales insaturadas que,
consecuentemente son más reactivos) (Smisek y Cerny, 1970) sea mayor, así como grupos superficiales de
composición química y en una cantidad y concentración apropiadas.
Figura 1. Algunos tipos comunes de isotermas de
adsorción (Geankoplis, 1998).
DESARROLLO EXPERIMENTAL
RESULTADOS
Tabla 1. Serie de matraces preparada
No. matraz
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
Ácido acético 0.5 N (mL)
|
25
|
20
|
15
|
10
|
7
|
3
|
0
|
Agua (mL)
|
0
|
5
|
10
|
15
|
18
|
22
|
25
|
Tabla 2. Alícuotas tomadas para titular con NaOH
Matraz
|
Volumen de alícuota tomado
|
1
|
1
|
2
|
2
|
3
|
5
|
4
|
5
|
5
|
5
|
6
|
5
|
7
|
5
|
Tabla 3. Volúmenes de NaOH 0.0958 N utilizados para
titular el ácido acético de las distintas alícuotas descritas en la tabla 2.
Matraz
|
NaOH
utilizado (mL)
1 2
|
NaOHprom
(mL)
|
|
1
|
2.3
|
2.4
|
2.35
|
2
|
2.4
|
2.2
|
2.3
|
3
|
6.9
|
6.9
|
6.9
|
4
|
4.9
|
4.8
|
4.85
|
5
|
3.4
|
3.4
|
3.4
|
6
|
2
|
2.1
|
2.05
|
7
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
Figura 2. Isoterma de Henry para la adsorción de ácido
acético sobre carbón vegetal.
Figura 3. Isoterma de Freundlich para la adsorción de
ácido acético sobre carbón vegetal.
Figura 4. Isoterma de Langmuir para la adsorción de
ácido acético sobre carbón vegetal.
Tabla 4. Datos estadísticos obtenidos para las
isotermas de Henry, Freundlich y Langmuir.
Isoterma
|
Prendiente (m)
|
Ordenada al origen (b)
|
Coeficiente de correlación (r)
|
Henry
|
0.9618
|
-0.0225
|
0.9425
|
Freundlich
|
1.2594
|
0.073
|
0.9832
|
Langmuir
|
2.0645
|
-3.282
|
0.9831
|
DISCUSIÓN
Según se observa en la tabla 3 el volumen utilizado de NaOH 0.0958
N para titular la alícuota de 5mL de la muestra del matraz No. 7 es de 1 mL, lo
cual es superior a lo esperado. Se supone que en éste matraz no había ácido
acético por lo que con una sola gota de NaOH habría bastado para llevar la
solución al pH de 8.0 requerido para provocar el vire de la fenolftaleína. No
hay otra explicación posible para esto más que un error experimental en éste
matraz. De cualquier forma para las tres isotermas éste dato fue eliminado,
para mejorar el ajuste y porque se salía del rango, además para la isoterma de
Freundlich no era posible obtener el logaritmo de un número negativo.
La tabla 4 resume los datos estadísticos obtenidos para las
isotermas de Henry, Freundlich y Langmuir. Se observa que para las tres
isotermas el coeficiente de correlación, r, es muy cercano a la unidad. La que
mejor se ajusta según éste parámetro es la isoterma de Freundlich. Sin embargo,
por ser valores tan cercanos no es suficiente considerar ese dato, sino también
las constantes obtenidas.
En la isoterma de Henry se obtuvo una ecuación, sin embargo, se esperaba que el valor de b
de la regresión fuera cercano a cero porque la isoterma de Henry no contempla
una ordenada al origen. No obstante el dato obtenido fue de -0.0225 g/g. Comparándolo con el intervalo
del eje y de la isoterma de Henry que va de 0 -0.5 g/g esto representa una
fracción ínfima inferior al 5% de éste intervalo. Por tanto se acepta que la
ordenada al origen es aproximadamente igual a cero, y el coeficiente de
correlación es de 0.9425 por lo que la curva se ajusta a la isoterma de Herny.
La isoterma de Freundlich da el mejor coeficiente de correlación,
r, de 0.9832, y con una ecuación de isoterma de x/m = 1.076*C^1.2544. Ésta curva se ajusta bien a la isoterma de
Freundlich.
Sin embargo, y dado esto último, se sabe que 1/n=1.2544 y la
isoterma de Henry requiere que 1/n=1 para obtener una línea recta. Según esto
la isoterma de Henry no debe ser la que mejor se ajusta porque el valor de n
difiere de 1 para ser tendencia tipo Henry.
La
isoterma de Langmuir tiene también un buen coeficiente de correlación, apenas
inferior a la de Freundlich, de 0.9831. Sin embargo, al tener una ordenada al
origen el cálculo de Xmáx tiene un valor negativo, hecho que no
puede ser, aunque tenga un buen ajuste. Por lo tanto, ésta isoterma se descarta
por ser físicamente imposible aunque matemáticamente plausible (Véase memoria de cálculo: isotermas).
Figura 5. Micrografía electrónica de carbón activado
(Physical Chemistry: Methods, Techniques and Experiments, Rodney J. Sime).
Figura 6. Isoterma de adsorción de ácido acético
sobre distintos tipos de carbón activado (Goodheat, 2011). Las siglas muestran
el tipo de carbón activado usado, las letras RH=Rice hunk, SD=Saw dust, y los
números representan la temperatura (ºC) a la que fue obtenido el carbón
activado.
Una vez decidido que será la isoterma de Freundlich la que mejor
se ajuste a la tendencia obtenida, tenemos que buscar los datos teóricos
obtenidos. Según Goodheat, 2011, los valores de k y n serán de 0.2855 y 0.9935,
respectivamente. De acuerdo a esto podríamos pensar que la isoterma de Henry
también se ajustaba bien a la curva, pues el valor de n es cercano a 1,
situación requerida por la isoterma de Henry. Sin embargo, estaremos olvidando
un parámetro de suma importancia, y es el tipo de carbono activado usado.
Goodheat hizo la determinación de las isotermas de adsorción de
ácido acético sobre diferentes tipos de carbón activado (dos factores, el tipo
de madera de proveniencia y la temperatura de fabricación). En la Figura 6 se
puede ver que para diferentes tipos de carbón activado las isotermas cambian de
forma evidente. Es por ello que debemos conocer qué tipo de carbón activado
utilizamos, pues la isoterma variará mucho y será difícil hacer una comparación
entre los datos teóricos y los experimentales.
También debe considerarse el valor del pH de las diferentes
soluciones de ácido acético utilizado. El pH afecta las isotermas de adsorción
según la figura 7.
Figura 7. Los experimentos obtenidos a diferente pH
muestran que hay un cambio en la cantidad adsorbida de ácido acético sobre
carbón activado en un rango de 3-9 (Hema, 2007).
Según Hema, 2007, la variación de la cantidad adsorbida respecto a
la variación de pH indica la fuerte interacción entre el carbón activado y el
ácido acético. La interacción es mayor a un pH de 6 debido a la competencia del
ion H+ por los sitios de adsorción. El porcentaje de adsorción decrece arriba
de éste pH debido a la presencia de los iones –COO-.
CONCLUSIONES
·
Las tres
isotermas de adsorción probadas, Henry, Langmuir y Freundlich, dan resultados
plausibles matemáticamente con valores de correlación cercanos a 1.
·
La isoterma
que mejor se ajusta a la adsorción de ácido acético sobre carbón activado es la
isoterma de Freundlich con un r=0.9832 y x/m = 1.076*C^1.2544.
·
Sería
importante conocer qué tipo de carbón activado usamos para poder hacer comparaciones
con los datos de la literatura.
·
Se debe
tener especial cuidado al hacer las titulaciones con NaOH y fenolftaleína pues
el vire debe ser apenas visible y no dejarse hasta que llegue al rosa intenso,
con lo que se obtendrían resultados inesperados.
APLICACIONES A LA INDUSTRIA FARMACÉUTICA
·
Extracción
de metabolitos y aceites esenciales, como el aceite de soja.
·
Purificación
del agua potable.
·
Tratamiento
de agua residual de procesos farmacéuticos.
·
Tratamiento
de intoxicaciones por toxinas y venenos.
·
Cromatografía
para purificación de sustancias de interés farmacéutico o síntesis de nuevas
moléculas.
·
Purificación
de anticuerpos.
BIBLIOGRAFÍA
-Adamson, A. y Gast, A. (1997). Physical
Chemistry of Surfaces (6ª ed.). Nueva York, E.U.A.: Jonh Wiley & Sons.
ISBN: 0-471-14873-3
-Castellan, G. (1987).
Fisicoquímica (2a ed). México: Addison Wesley Iberoamericana
-Connors, K. (2002). Thermodynamics of Pharmaceutical Systems. An
Introduction for Students of Pharmacy (1a ed.).Nueva Jersey, E.U.A.: John Wiley & Sons.
-Dean, J. (1999). Lange’s Handbook of Chemistry (15a ed.).
E. U. A.: McGraw-Hill. ISBN: 0-07-016384-7
-Geankoplis, C. (1998). Procesos de
transporte y operaciones unitarias (3ª ed.).
México: Compañía Editorial Continental.
-Goodheat, TO
y Dadge, TK. (2011). Adsorption of acetic acid, cadmium ions, lead ions and
iodine using activated carbon from Waste Wood and Rice Husks. J. Appl. Sci.
Environ. Manage, 15(2):407-410
-King, J. (2003). Procesos de separación
(1ª ed.). España: Editorial Reverté.
-Kopecký F., Kaclík P., Fazekaš T. (1996)
Laboratory manual for physical chemistry,
Farmaceutical faculty of Comenius
University, Bratislava
-Henley, E.J. y Seader, J.D. “Operaciones de
separación por etapas de equilibrio en Ingeniería Química”. Reverté, Barcelona.
1988.
-McCabe, W., Smith, J. y Harriot, P.
(2007). Operaciones unitarias en
ingeniería química (7ª ed.). España:
McGraw-Hill Interamericana. ISBN: 0-07-284823-5.
-Robert Treybal, Operaciones de transferencia de masa,
Mcgraw-hill Interamericana, 1988
ANEXOS
Memoria de cálculo
1.
Cálculo moles de NaOH utilizado
2.
Cálculo moles de ácido acético
(aa) titulado o residual en la alícuota
3.
Moles originales de ácido acético
6.
Gramos de ácido acético adsorbido
Matraz
|
NaOH
mol
|
aa
titulado
mol
|
aa
original
mol
|
aa
puesto
mL
|
aa
puesto
mol
|
aa
adsorbido
mol
|
aa
adsorbido
g
|
1
|
0.000225
|
0.000225
|
0.005628
|
25
|
0.012500
|
0.006872
|
0.412649
|
2
|
0.000220
|
0.000220
|
0.002754
|
20
|
0.010000
|
0.007246
|
0.435107
|
3
|
0.000661
|
0.000661
|
0.003305
|
15
|
0.007500
|
0.004195
|
0.251904
|
4
|
0.000465
|
0.000465
|
0.002323
|
10
|
0.005000
|
0.002677
|
0.160745
|
5
|
0.000326
|
0.000326
|
0.001629
|
7
|
0.003500
|
0.001871
|
0.112378
|
6
|
0.000196
|
0.000196
|
0.000982
|
3
|
0.001500
|
0.000518
|
0.031109
|
7
|
0.000096
|
0.000096
|
0.000479
|
0
|
0.000000
|
-0.000479
|
-0.028764
|
Isoterma
Isoterma de
Henry:
K=0.9618
Isoterma de
Freundlich:
Siendo
m=1.2594 y b=0.073
lnK=b=0.073
: K=1.076
1/n=m=1.2594 : n=0.794
Isoterma de
Langmuir:
Siendo
m=2.0645 y b=-3.282
1/xmáx=b=-3.282 xmáx=-0.3046 g
K=-6.777
Datos para las isotermas
Para la
isoterma de Henry
Matraz
|
Co
(M)
|
x/m
|
1
|
0.5
|
0.41264859
|
2
|
0.4
|
0.43510729
|
3
|
0.3
|
0.25190375
|
4
|
0.2
|
0.16074484
|
5
|
0.14
|
0.11237757
|
6
|
0.06
|
0.0311089
|
7
|
0
|
-0.02876395
|
Para la
isoterma de Freundlich
Matraz
|
ln
Co
|
ln
x/m
|
1
|
-0.30103
|
-0.38441964
|
2
|
-0.39794001
|
-0.36140364
|
3
|
-0.52287875
|
-0.59876538
|
4
|
-0.69897
|
-0.79386295
|
5
|
-0.85387196
|
-0.94932036
|
6
|
-1.22184875
|
-1.50711531
|
7
|
---
|
---
|
Para la
isoterma de Langmuir
Matraz
|
1/Co
|
m/x
|
1
|
2
|
2.4233695
|
2
|
2.5
|
2.29828373
|
3
|
3.33333333
|
3.96977028
|
4
|
5
|
6.22103941
|
5
|
7.14285714
|
8.89857291
|
6
|
16.6666667
|
32.1451392
|
7
|
---
|
---
|
Gracias por tu gran aporte
ResponderEliminar:)
EliminarDeberian poner los link de las bibliografias :c
ResponderEliminarSon libros. Los libros no tienen links.
Eliminar