INGENIERA DE ALIMENTOS - II

INGENIERA DE ALIMENTOS - II2013

PRCTICA: ADSORCIN MEDIANTE CARBON ACTIVOI. INTRODUCCIN:El nombre de carbn activado se aplica a una serie de carbones porosos preparados artificialmente, atreves de un proceso de carbonizacin, para que exhiban un elevado grado de porosidad y una alta superficie interna.El carbn activado es un adsorbente muy verstil ya que el tamao y la distribucin de sus poros en la estructura carbonosa pueden ser controlados para satisfacer las necesidades de tecnologa actual y futura.Los carbones activados comerciales son preparados a partir de materiales precursores con un alto contenido en carbono, especialmente, materiales orgnicos como, madera, huesos, cscaras de semillas de frutos, como tambin, carbn mineral, breas, turba y coque. La eleccin del precursor es fundamentalmente una funcin de su disponibilidad, precio y pureza, pero el proceso de fabricacin y la posible aplicacin del producto final deben ser igualmente tomados en cuenta. Los carbones activados tienen un alto costo que va desde US $ 1200 hasta US $14,000 la tonelada.En Mxico, el 85% del carbn activado que se usa en la industria qumica es de importacin, siendo los principales pases abastecedores: Estados Unidos, los Pases Bajos, Inglaterra, Alemania, Canad y Francia.El inters por este tipo de material se basa en algunas de sus propiedades: a) estabilidad trmica.b) resistencia al ataque cido. c) carcter esencialmente hidrfobo (repelente al agua). d) bajo costo relativo.

1.1. OBJETIVOS: Comprender los fenmenos de superficie como la adsorcin y su representacin en isotermas. Determinar experimentalmente el nmero de moles como mximo que puede adsorber el carbn activo. Determinar experimentalmente el rea superficial de una muestra de carbn activo.

II. MARCO TERICO:Adsorcin:La adsorcin es un proceso por el cual tomos, iones o molculas son atrapadas o retenidas en la superficie de un material -en contraposicin a la absorcin, que es un fenmeno de volumen-. Es decir es un proceso en el cual un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua por contacto con una superficie slida (adsorbente). El proceso inverso a la adsorcin se conoce como desorcin.En qumica, la adsorcin de una sustancia es su acumulacin en una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la formacin de una pelcula lquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo slido o lquido.Considrese una superficie limpia expuesta a una atmsfera gaseosa. En el interior del material, todos los enlaces qumicos (ya sean inicos, covalentes o metlicos) de los tomos constituyentes estn satisfechos. En cambio, por definicin la superficie representa una discontinuidad de esos enlaces. Para esos enlaces incompletos, es energticamente favorable el reaccionar con lo que se encuentre disponible, y por ello se produce de forma espontnea.La naturaleza exacta del enlace depende de las particularidades de los especmenes implicados, pero el material adsorbido es generalmente clasificado como fisisorbido o quimisorbidoLa cantidad de material que se acumula depende del equilibrio dinmico que se alcanza entre la tasa a la cual el material se adsorbe a la superficie y la tasa a la cual se evapora, y que normalmente dependen de forma importante de la temperatura. Cuanto mayor sea la tasa de adsorcin y menor la de desorcin, mayor ser la fraccin de la superficie disponible que ser cubierta por material adsorbido en el equilibrio. Para estos procesos, resultan interesantes materiales con una gran superficie interna, (y por lo tanto poco volumen) ya sea en polvo o granular, como el carbn activo, y llevan asociados otros fenmenos de transporte de material, como el macro transporte y micro transporte de los reactivos.La adsorcin por carbn activado es una tecnologa bien desarrollada capaz de eliminar eficazmente un amplio rango de compuestos txicos. Produciendo un efluente de muy alta calidad.Isoterma de Freundlich:Es una isoterma de adsorcin, que es una curva que relaciona la concentracin de un soluto en la superficie de un adsorbente, con la concentracin del soluto en el lquido con el que est en contacto. Fue desarrollada por el matemtico, fsico y astrnomo alemn Erwin Finlay Freundlich.Normalmente la isoterma de Freundlich se usa habitualmente para formular ecuaciones cinticas para la reaccin de sntesis de amoniaco sobre catalizador de hierro.No es vlida cuando la presin es muy elevada, pero suele ser ms precisa que la isoterma de Langmiur para isotermas intermedias.

Isoterma de Langmuir:Por su sencillez, su fcil deduccin y su utilidad para determinar el rea superficial del material, en esta prctica vas a ajustar los datos experimentales con una ecuacin de la isoterma de Langmuir.Primero, vamos a deducir una relacin del tipo n f C s T para la adsorcin en monocapa sin ms que suponer que la superficie del substrato es homognea y que la Hads es constante y no vara con el grado de recubrimiento. En estas condiciones, un equilibrio de adsorcin qumica puede tratarse de modo anlogo a un equilibrio qumico en un sistema homogneo. Por ejemplo, la adsorcin de cido actico en disoluciones acuosas por carbn activo (C) implica el siguiente equilibrio:

Donde k1 y k2 son las constantes cinticas de los procesos de adsorcin y desorcin, respectivamente, y C representa un centro activo en la superficie del substrato capaz de dar adsorcin con una molcula de cido actico.Suponiendo que:a) la velocidad de adsorcin Vads es proporcional a la concentracin de soluto (cido actico, en nuestro experimento) y al nmero de centros activos libres (n max- nads)b) la velocidad de desorcin Vdes es proporcional al nmero de molculas adsorbidas nads. Podemos plantear las siguientes ecuaciones cinticas empricas:

Caractersticas del carbn activo: El carbn activado puede tener un rea superficial mayor de 500 m/g, siendo fcilmente alcanzables valores de 1000 m/g. Algunos carbones activados pueden alcanzar valores superiores a los 2500 m/g. Bajo un microscopio electrnico, la estructura del carbn activado se muestra con una gran cantidad de recovecos y de grietas. A niveles ms bajos se encuentran zonas donde hay pequeas superficies planas tipo grafito, separadas solamente por algunos nanmetros, formando microporos. Estos microporos proporcionan las condiciones para que tenga lugar el proceso de adsorcin. La evaluacin de la adsorcin se hace generalmente mediante nitrgeno gaseoso a 77 K bajo alto vaco. El carbn activo saturado se puede regenerar mediante la aplicacin de calor. Los aerogeles de carbn, que son ms costosos, tienen superficies efectivas muy altas y encuentran uso similar al carbn activado en aplicaciones especiales.Tipos de carbn activo:Los diferentes tipos de carbn se clasifican segn su contenido de carbono fijo: La turba: la primera etapa en la formacin de carbn, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto ndice de humedad. El lignito: variedad de carbn, de calidad intermedia entre el carbn de turba y el bituminoso. Desde el punto de vista geolgico, el lignito es de origen reciente pues se encuentra en los estratos del cretcico y del terciario. Suele tener color negro pardo y estructura fibrosa o leosa. Tiene una capacidad calorfica inferior a la del carbn comn debido al gran contenido de agua (43,4%) y bajo de carbono (37,8%); el alto contenido de materia voltil (18,8%) provoca la desintegracin rpida del lignito expuesto al aire. El calor del lignito es de 17.200 kJ por kg. Es muy frecuente en los pases de Europa del este y Espaa, en especial en la provincia de Teruel y en la cuenca del Llobregat. el carbn de peor calidad, tiene un contenido de carbono mayor. El carbn bituminoso o hulla, tiene un contenido an mayor, por lo que su poder calorfico tambin es superior, segn McKenzie- Taylor se formara a partir de la turba en condiciones alcalinas y anaerobias. La antracita, carbn duro que tiene el mayor contenido de carbono fijo y el menor contenido de material voltil de todos los tipos de carbn. Contiene aproximadamente un 87,1% de carbono, un 9,3% de cenizas y un 3,6% de materia voltil. Tiene un color negro

Propiedades del carbn activo:Desde el punto de vista de la composicin qumica, el CA es carbn prcticamente puro, igual que el diamante, el grafito, el negro de humo y los diversos carbones minerales o vegetales. En el CA los tomos de carbono casi siempre se encuentran combinados en forma de placas grafticas. Estas placas son planas, estn separadas y tienen distintas orientaciones, por lo que existen espacios entre ellas. Estos espacios se denominan poros y son los que brindan al CA su principal caracterstica: una gran rea superficial y, por lo tanto, una alta capacidad adsorbente. El rea de la mayora de los carbones activados comerciales est entre 500 y 1.500 m2/g.

El CA acta como adsorbente debido a un desequilibrio de fuerzas en la superficie de las placas grafticas. Este desequilibrio provoca atracciones intermoleculares que causan la condensacin del adsorbato gaseoso o la precipitacin del adsorbato de la solucin. El CA, adsorber una molcula con mayor fuerza si existen dos placas grafticas lo suficientemente cercanas a la misma como para atraerla. Una molcula con mayor peso molecular se retendr con mayor fuerza, siempre y cuando su tamao le permita caber entre las placas grafticas.

El CA tiene una gran variedad de tamaos de poros que pueden clasificarse, en poros de adsorcin y poros de transporte. Los poros de adsorcin consiste en espacios entre placas grafticas con una separacin de entre una y cinco veces el dimetro de la molcula que va a retener. Los poros mayores son los de transporte, en esta clase de poros, slo una placa ejerce atraccin sobre el adsorbato y lo hace con una fuerza insuficiente para retenerlo, estos poros actan como caminos de difusin; tienen poca influencia en la capacidad del CA, pero afecta a la cintica o velocidad con la que se lleva a cabo la adsorcin.

El CA adsorbe bien todo tipo de molculas orgnicas. No as las inorgnicas, excepto algunas como los molibdatos, los cianuros de oro, el dicianuro de cobre, el cloruro de mercurio, el yodo y las sales de plata, entre otros. La mayora de las molculas orgnicas que tienen ligados tomos de cloro, bromo o yodo se adsorben con mayor fuerza.

El CA puede fabricarse a partir de todo tipo de material carbonoso, cada materia prima brindar caractersticas y calidades distintas al producto. El tamao de los poros y su distribucin depende bsicamente de la materia prima y no del mtodo de activacin.Aunque el CA puede fabricarse a partir de un sinnmero de materiales carbonosos, solamente se utilizan a nivel comercial la madera de pino, el carbn mineral ligntico, el carbn mineral bituminoso y la concha de coco, debido a su disponibilidad, bajo costo y a que los productos obtenidos a partir de ellos tienen las propiedades que cubren toda la gama de aplicaciones que el CA puede tener.Mtodos de activacin del carbn:

III. MATERIALES Y MTODOS:3.1. Materiales.3.1.1. Material biolgico: Disolucin de cido actico 0.5 molar aproximadamente. Carbn activo nuevo.

3.1.2. Material de vidrio/instrumentos: Balanza analtica (mx. 220 g). Cronmetro. Pipetas de 1, 5, 10 ml. Bureta de 25 y 50 ml. Vasos de precipitacin de 50 y 100 ml. Matraz aforado de 250 ml. 3.1.3. Reactivos: Disolucin de NaOH 0.1 molar aproximadamente. Fenolftalena.

3.1.4. Material auxiliar: Vasos descartables. Papel de filtro. Coladeras cuentagotas.

3.2. Metodologa. Preparar una disolucin de cido actico 0.5 molar (0.5 moles/litro) a partir de cido actico glacial (100% puro). Aadir 1 gramo aproximadamente de carbn activo a dichas concentraciones. Agitar y mantener la suspensin durante 1 hora. Una vez alcanzado el equilibrio de adsorcin, se filtra las muestras con ayuda de papel de filtro. Las muestras filtradas se valoran con NaOH 0.1 M e indicador de fenolftalena. Se anotar el gasto de NaOH producido. El volumen de muestra utilizada ser de 10 ml y se adicionar 4 gotas de indicador. El volumen gastado ser cuando la muestra vire a un color rosado. Se calcular la cantidad de cido actico adsorbido.

Muestra123456

W carbn (g) aprox.111111

Agua destilada (ml)01020304045

CH3COOH 0.5 M (ml)50403020105

Tiempo (h)111111

IV. RESULTADOS Y DISCUSIN:Tabla N 1: Tratamiento de los resultados experimentales.

Tabla N 2: Datos calculados para obtener las diferentes grficas.

Grfica N 1: Isoterma de adsorcin de cido actico sobre carbn activo.Discusin: La grfica implica de forma ms completa el proceso que conduce a la formacin de multicapas, ya que la isoterma correspondiente que tienen forma no dan lugar a la representacin de Langmuir a una lnea recta, y por consiguiente la teora expuesta del mismo no es aplicable en estos casos. En el experimento, Determinacin de las isotermas de adsorcin para el cido actico sobre el carbn activo, se observ que la cantidad de cido actico adsorbido disminua segn disminua la concentracin de este en le disolucin cido actico - agua, esto debido a que a mayor concentracin de adsorbato mayor ser la cantidad de este adsorbida por el absorbente. la velocidad de adsorcin del carbn activado aumentaba segn se dilua el cido actico esto debido a que al diluirse el adsorbato este disminuye su tensin superficial facilitando as la adsorcin.

Grfica N 2: Ajuste lineal de la isoterma de Langmuir.Discusin: En el caso de la Isoterma de Langmuir se grafic m/x (gramos de adsorbente por gramos absorbidos) vs 1/C y se obtuvo un ajuste a una recta que arroj una correlacin de 0.995 donde significa que el ajuste es la adecuada ya que el valor es muy prximo a uno. la isoterma de Langmuir dice que slo es posible usar si la adsorcin ocurre en una monocapa, cuando la superficie es homognea. Pero esto es falso porque la mayora de las superficies slidas no son uniformes y la velocidad de adsorcin depende de la posicin de la molcula adsorbida. Posibles fuentes de error se deben sobre todo a que el sistema pudo no haber llegado al equilibrio. Otra fuente de error, es que se asume que el carbn activado slo tiene interacciones con el cido actico ms no con el agua, cuando en realidad tambin se dan interacciones entre el carbn activo y el agua.

Grfica N 3: Isoterma de Freundlich.Discusin: En el caso de la Isoterma de Feundlich, se grafic Log10(x/m) vs Log10(C); realizando el mismo tipo de ajuste que en la Isoterma de Langmuir (una recta) el factor de correlacin fue de 0.9683, siendo un ajuste tambin muy aceptable porque el valor de R2 es muy prximo a uno. La grfica N 3 dio como resultado una lnea recta cuya pendiente es positiva que es igual a W/(n mx.b) que es una constante. Esta isoterma es til para predecir el comportamiento del carbn activo en la mayora de las aplicaciones en fase lquido, evidenciando que a medida que aumenta la concentracin del cido actico en una solucin aumenta a cantidad o el volumen de la base titulante retardando la llegada al equilibrio.

CALCULO DEL REA SUPERFICIAL DEL CARBN ACTIVO.?? = [NA. ??

Dnde: = rea molecular del cido actico (2.1*10-19).NA = Nmero de Avogadro. (6.0221367*1023). = rea superficial del carbn activo expresado en m2/g. N mx. = 0.004765763.

= 602.701571. m2/g.El carbn activado puede tener un rea superficial mayor de 500 m/g, siendo fcilmente alcanzables valores de 1000 m/g. Algunos carbones activados pueden alcanzar valores superiores a los 2500 m/g. A modo de comparacin, una cancha de tenis tiene cerca de 260 m.Bajo un microscopio electrnico, la estructura del carbn activado se muestra con una gran cantidad de recovecos y de grietas. A niveles ms bajos se encuentran zonas donde hay pequeas superficies planas tipo grafito, separadas solamente por algunos nanmetros, formando microporos. Estos microporos proporcionan las condiciones para que tenga lugar el proceso de adsorcin. La evaluacin de la adsorcin se hace generalmente mediante nitrgeno gaseoso a 77 K bajo alto vaco.

V. CONCLUSIONES: A medida que aumenta la concentracin del cido actico (adsorbato), aumenta la relacin entre la cantidad adsorbida por gramo de carbono. Se verifico la exactitud y linealidad de la isoterma de Langmuir y de Freundlich. Por el ajuste realizado a los datos experimentales de la prctica se pudo determinar que la isoterma que representa la adsorcin del cido actico es la isoterma de Langmuir, ya que el factor de correlacin de esta isoterma (0.995) es mayor que la correlacin de la isoterma de Freundlich (0.9683), indicando que la primera describe el comportamiento de la adsorcin con respecto a la concentracin delsoluto.VI. RECOMENDACIONES: Cuando se emplea carbn activado en los procesos de adsorcin es recomendable el empleo de filtros especiales para obtener una filtracin ms eficiente. El carbn activo antes de ser utilizado debe estar seco. Cuando se emplea carbn activado pulverizado en los procesos de adsorcin es recomendable el empleo de filtros especiales para obtener una filtracin ms eficiente.

VII. BIBLIOGRAFA: lvarez, T.; Ruiz B., "Estudio comparativo de las superficies determinadas por adsorcin de N2 y de CO2 en materiales carbonosos", Revista de la Real Academia de Ciencias Exactas, Fsicas y Naturales. Madrid (85), 4, 1991. Aranovich, G.L.; Donohue M.D., Vapor Adsorption on Microporous Adsorbents, Carbon (38), 701708, 2000. Basal, R. C.; Donet J.B.; Stoeckli F., Active Carbon, New York, Ed. Marcel Dekker Inc., 1988. Brunauer, S., Surface Area Determination, Butterworths, Londres, Ed. Everett, D.H., Ottewill, R.H., (70), 1970. CEFIC. European Council of Chemical Manufacturers' Federations: Test Methods for Activated Carbon, Brussels, 1986, pg. 7. Daud W.M.A.W.; Ali W.S.W., Sulaiman M.Z., The Effects of Carbonization Temperature on Pore Development in Palm-Shell-Based Activated Carbon, Carbon (38), 19251932, 2000.

CUESTIONARIO:1. Describa diversos tratamientos de regeneracin de carbn activo mediante la va qumica.Los mtodos para regenerar el carbn activo se basan en: Paso de vapor a baja presin a travs del lecho, para evaporar y eliminar el disolvente ocluido. Si el carbn usado slo ha adsorbido algunos productos muy voltiles, puede practicarse la regeneracin del mismo mediante vapor, que adems es til para quitar la obstruccin de la superficie de los grnulos y esterilizar el carbn. Extraccin del adsorbato mediante un disolvente, un cido 0 un lcali. Se citan desarrollos que emplean un disolvente a 100'C y a pH elevado, con prdidas de carbn del orden del 1 %. Regeneracin por va trmica. Tratamiento del carbn con gases oxidantes. Es frecuente el uso de una de las dos primeras tcnicas en combinacin con las siguientes; as, el carbn activo se regenera fcilmente por oxidacin de la materia orgnica y su posterior eliminacin de la superficie del carbn en un horno. La regeneracin del carbn se lleva a cabo, sobre todo, por va trmica -proceso que requiere fuertes inversiones-, utilizando hornos de pisos (por ejemplo, tipo Herreshoff) mltiples, de tipo rotatorio o de lecho fluidizado. En los de tipo rotatorio, el carbn avanza a contracorriente con una mezcla de gases de combustin y vapor sobrecalentado. Las prdidas de carbn pueden llegar hasta el 10% por regeneracin, por lo que al cabo de unas 10 a 12 regeneraciones se habr sustituido, estadsticamente, toda la masa de carbn inicial. En el horno de cmara mltiple el carbn es calentado hasta una temperatura suficientemente elevada (900-930C) en una atmsfera aire-vapor (reactivacin trmica con baja concentracin de oxgeno para evitar que se inflame el carbn) para quemar el monxido de carbono y el hidrgeno pro-ducido por la reaccin de reactivacin. Se recupera del 90 al 95% del material, con una capacidad de adsorcin algo inferior a la del nuevo carbn.

2. Que tipos o calidad de carbn activo existen en el mercado.El mercado para el carbn, menos exigente del punto de vista de la calidad, es el domstico. Las razones son que no puede medirse fcilmente su performance, es mnimo el poder del consumidor como individuo, de especificar y de obtener carbn de buena calidad, y hay una cierta compensacin posible entre el precio y la calidad que el consumidor familiar usa para tener resultados satisfactorios. Sin embargo, esto no significa que no hay motivos para el control de calidad. Siempre que no se transforme en un obstculo o burocrticamente contra productivo, un sistema de sugerimientos sobre calidad del carbn vegetal para el uso casero, es una prctica justificada para asegurar el mximo rendimiento del recurso maderero, sin dejar de ofrecer una adecuada performance en el uso familiar. Por otra parte, los grandes usuarios, como es el caso de la industria siderrgi conocen por su propia experiencia e investigacin, las propiedades que buscan en el carbn vegetal, y tienen los medios, con su poder adquisitivo concentrado y el control so- por lo menos parte, de su propia produccin de carbn vegetal, de asegurarse que el carbn por ellos empleado se ajusta a sus especificaciones y produce el hierro fundido con costos globales mnimos. La calidad del carbn se define segn algunas de sus propiedades y, si bien todas en cierto modo estn interrelacionadas, se miden y se evalan por separado.

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