sábado, 28 de marzo de 2015

Adsorción de ácido acético sobre carbón vegetal

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


4.      Moles de ácido acético puesto en el matraz

5.      Moles de ácido acético adsorbido


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
---
---

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