Adsorción de Ácido Acético Sobre Carbón Vegetal [PDF]

Zitiervorschau

INSTITUTO​ ​POLITÉCNICO​ ​NACIONAL

UNIDAD​ ​PROFESIONAL​ ​INTERDISCIPLINARIA DE​ ​BIOTECNOLOGÍA

LABORATORIO​ ​DE​ ​FISICOQUÍMICA​ ​AMBIENTAL Profesores

​ ​LUIS​

​MORÍN​ ​SÁNCHEZ

​ ​MA.​ ​DEL​ ​SOCORRO​ ​CAMARGO​ ​SÁNCHEZ

PRACTICA​ ​No.5

“ADSORCIÓN​ ​DE​ ​ÁCIDO​ ​ACÉTICO​ ​SOBRE CARBÓN​ ​VEGETAL” 3AM1 EQUIPO​ ​6

Martínez​ ​Alcántara​ ​Yotzin

Ochoa​ ​Alvarado​ ​José​ ​Fernando

Rosas​ ​Barrios​ ​Silvia​ ​Estephania

Sánchez​ ​Caravantes​ ​Carla​ ​Paola

Fecha​ ​de​ ​entrega​ ​27​ ​de​ ​marzo​ ​del​ ​2017

OBJETIVOS ● Determinar​ ​la​ ​isoterma​ ​de​ ​adsorción​ ​del​ ​ácido​ ​acético. ● Comparar el comportamiento de una sustancia adsorbida en las distintas ecuaciones​ ​de​ ​adsorción. INTRODUCCIÓN La adsorción depende de la temperatura en que se lleve a cabo, además de la naturaleza de la sustancia adsorbida (adsorbato), la naturaleza y estado de subdivisión del​ ​adsorbente,además​ ​de​ ​la​ ​concentración​ ​del​ ​material​ ​en​ ​la​ ​solución. El isoterma de Freundlich es una de las primeras ecuaciones en relacionar la cantidad adsorbida​ ​con​ ​la​ ​concentración​ ​del​ ​material,​ ​está​ ​ecuación​ ​es:

m = k * c 1/n

Donde: m=​ ​Masa​ ​adsorbida c=​ ​Concentración k y n son constantes obtenidos a partir de la medición de m en función de c y representando gráficamente log 10 (m) contra , dichos valores se consiguen con la pendiente​ ​y​ ​la​ ​intersección​ ​de​ ​la​ ​línea. Cabe mencionar que una de las limitantes del isoterma de Freundlich es que llega a fallar en caso de que las concentraciones del adsorbato sean muy altas, o también, si la presión es alta. En este tipo de casos se utiliza el isoterma de Langmuir, el cual se representa​ ​como: θ 1−θ

Resolviendo​ ​para​ ​ θ ​ ​se​ ​obtiene:

=K *c θ=

Donde: K=​ ​Constante​ ​de​ ​equilibrio​ ​para​ ​la​ ​adsorción c=​ ​Concentración​ ​molar θ =​ ​Fracción​ ​de​ ​cobertura​ ​de​ ​la​ ​superficie

K *c 1+K *c

El isoterma de Langmuir es, en general más acertada que la de Freundlich, siempre que se forma una sola capa. En la figura 1 se muestra una gráfica que ejemplifica el comportamiento​ ​de​ ​ θ en​ ​función​ ​de​ ​ p . A​ ​menor​ ​presión​ ​ K * p > 1, de modo que θ ≈ 1

Lo que quiere decir que a presiones altas, la superficie es cubierta casi en su totalidad por una capa monomolecular. Por lo tanto la variación de presión afecta de manera directa​ ​a​ ​la​ ​cantidad​ ​de​ ​sustancia​ ​adsorbida.

Figura​ ​1.​ ​Isoterma​ ​de​ ​Langmuir Existen​ ​2​ ​tipos​ ​de​ ​adsorción,​ ​la​ ​física​ ​y​ ​la​ ​química. ● La adsorción física ocurre cuando la interacción entre el adsorbato y la superficie se debe únicamente a las fuerzas de van der Waals. Es importante comentar que las fuerzas de van der Waals no se presentan a temperaturas muy superiores​ ​a​ ​la​ ​temperatura​ ​crítica​ ​del​ ​adsorbato. ● Por otro lado, la adsorción química se da si entre el adsorbato y la superficie ocurre​ ​una​ ​reacción​ ​química. DESARROLLO​ ​EXPERIMENTAL

​​

RESULTADOS Tabla​ ​1.​ ​ ​Volumen​ ​de​ ​cada​ ​uno​ ​de​ ​los​ ​reactivos​ ​en​ ​los​ ​matraces No.​ ​de​ ​matraz

Ac.​ ​Ac.​ ​0.5​ ​(mL)

Agua​ ​(mL)

1

25

0

2

20

5

3

15

10

4

10

15

5

7

18

6

3

22

7

0

25

Tabla 2. Volumen gastado de NaOH 0.1127 N para titular el ácido acético de las distintas​ ​alícuotas Matraz

Volumen​ ​de​ ​NaOH gastado​ ​(mL)

Volumen​ ​de alicuota​ ​(mL)

1

4

1

2

6.5

2

3

6.6

3

4

4.5

3

5

3

3

6

1

3

7

0.1

3

Tabla 3. Moles presentes en cada paso de la experimentación de acuerdo a la sustancia​ ​y​ ​al​ ​matraz Matraz

Mol​ ​NaOH

Mol​ ​Ac. Acético

Ac.​ ​Acético agregado (mL)

Mol​ ​Ac. Acético en​ ​matraz

Mol​ ​Ac. Acético adsorbido

Ac.​ ​Acético adsorbido (g) x

Gramos carbón activado​ ​(g) m

Gramos iniciales de​ ​ác.​ ​Acético Co

1

0.0004508

0.0018032

25

0.012500575

0.0106973

0.6418425

1.0041

0.7500345

2

0.00073255

0.002380788

20

0.01000046

0.0076196

0.45718035

1.056

0.6000276

3

0.00074382

0.001636404

15

0.007500345

0.0058639

0.35183646

0.9855

0.4500207

4

0.00050715

0.000760725

10

0.00500023

0.0042395

0.2543703

0.9741

0.3000138

5

0.0003381

0.0003381

7

0.003500161

0.0031620

0.18972366

1.0056

0.2100096

6

0.0001127

3.75667E-05

3

0.001500069

0.0014625

0.08775014

1.0135

0.0900041

7

0.00001127

3.75667E-07

0

0

-3.7567E-0

-0.00002254

0.9987

0

Gráfica​ ​1.​ ​Isoterma​ ​de​ ​Freundlich

Gráfica​ ​2.​ ​Isoterma​ ​de​ ​Langmuir ANÁLISIS​ ​DE​ ​RESULTADOS Durante el experimento se buscó analizar el grado de adsorción del carbón activado en disoluciones a diferentes concentraciones; el problema se reduce entonces a comparar la concentración del soluto antes y después de llegar al equilibrio con el adsorbente.Y como resultado obtenido fué que el tipo de adsorción realizada fue del tipo física (fisisorción), debido a que no hubo reacción química entre el ácido acético y el carbón activado; en este tipo de adsorción las moléculas se encuentran adheridas al sólido por medio de fuerzas intermoleculares de Van der Waals las cuales son relativamente débiles. Durante el experimento se realizaron algunas suposiciones, donde es considerada como más importante la que menciona que la adsorción llega a un equilibrio en el tiempo de adsorción, también se asume que la temperatura de adsorción es constante, es decir, temperatura ambiente, y también que el tiempo de absorción son constantes en cada unas de las adsorciones y gracias a todas estas conjeturas es como nosotros podemos llegar a los resultados de adsorción presentados en los isotermas de Langmuir​ ​o​ ​de​ ​Freundlich. Se observa de forma general que a medida que aumenta la concentración de las soluciones aumenta la cantidad de soluto adsorbida por el carbón activado, con lo cual se supone que no se llegó a la saturación del adsorbente, puesto que no se llegó a un punto en el cual la cantidad de sustancia adsorbida fuese constante sin importar la cantidad​ ​presente​ ​del​ ​mismo. De acuerdo a los datos experimentales, reflejados en la gráfica y con la regresión lineal, el ajuste para los isotermas de Langmuir y Freundlich, nos permite observar que

la isoterma de Langmuir presenta una R​2​=0.9985 y la isoterma de Freundlich R​2​=0.9921. Por lo consiguiente se afirma que la adsorción del ácido acético por el carbón activado en solución acuosa corresponde al isoterma de Langmuir. Apesar de que la isoterma de Freundlich tienen también un buen coeficiente de correlación esta se​ ​descarta​ ​debido​ ​a​ ​que​ ​posee​ ​un​ ​valor​ ​negativo. En​ ​relación​ ​al​ ​modelo​ ​de​ ​isoterma​ ​de​ ​Langmuir​ ​se​ ​dice​ ​lo​ ​siguiente: 1)​ ​el​ ​adsorbato​ ​forma​ ​una​ ​capa​ ​monomolecular​ ​sobre​ ​la​ ​superficie 2)​ ​todos​ ​los​ ​sitios​ ​de​ ​la​ ​superficie​ ​son​ ​equivalentes 3)​ ​no​ ​hay​ ​interacción​ ​entre​ ​las​ ​partículas​ ​adsorbidas 4)​ ​las​ ​moléculas​ ​adsorbidas​ ​no​ ​tienen​ ​movimiento​ ​sobre​ ​la​ ​superficie También destacable la comparativa que tienen los resultados obtenidos con los bibliográficos,​ ​la​ ​cual​ ​se​ ​presenta​ ​a​ ​continuación:

Gráfica 3.Isoterma de adsorción de ácido acético sobre distintos tipos de carbón​ ​activado​ ​(Goodheat,​ ​2011).

​​ Gráfica 4. Isoterma de adsorción de ácido acético obtenido a partir de nuestros​ ​resultados.

En la gráfica 3 se puede observar la cantidad de ácido acético adsorbido en carbón activado proveniente de diferentes fuentes, RH600 y RH800 significa que el carbón se obtuvo de arroz crudo a 600 y 800°C respectivamente, mientras que la nomenclatura de SD600 y SD800 hace referencia a aserrín. Comparando las gráficas que se obtuvieron y los resultados, se puede decir que se trabajó con carbón activado proveniente de arroz crudo, que si bien se puede observar que en la gráfica del artículo se tiene una mayor adsorbancia que en la experimental, esto se puede deber a que el carbón con el que se cuenta presenta contaminación, lo cual reduce su capacidad de adsorción, lo cual hace que se requiera mayor cantidad de adsorbente para obtener la

misma cantidad de sustancia adsorbida que en el experimento presentado en el artículo. CONCLUSIONES ❏ El experimento realizado corresponde al isoterma de Langmuir debido al mejor ajuste​ ​lineal​ ​y​ ​es​ ​del​ ​tipo​ ​adsorción​ ​física ❏ A medida que aumenta la concentración del ácido acético (adsorbato) aumenta la​ ​relación​ ​entre​ ​la​ ​cantidad​ ​adsorbida​ ​por​ ​gramo​ ​de​ ​carbono. A continuación se presenta un cuadro comparativo de las isotermas de Langmuir y Freundlich: Cuadro​ ​comparativo​ ​de​ ​isotermas Isoterma​ ​de​ ​Freundlich

Isoterma​ ​de​ ​Langmuir

En la que se asume que la superficie del adsorbente es energéticamente heterogénea, conformada por grupos de sitios de adsorción de energías​ ​características.

Se basa en la hipótesis que todos los centros activos de adsorción son equivalentes y que la capacidad de una molécula para unirse a la superficie es independiente de si hay o no posiciones próximas ocupadas.

En esta isoterma se considera que No existen interacciones laterales no existen interacciones laterales entre​ ​las​ ​moléculas​ ​del​ ​adsorbato. entre​ ​las​ ​moléculas​ ​adsorbidas. No se propone una adsorción La adsorción se restringe a una monomolecular,​ ​sino​ ​multimolecular. monocapa. En este isoterma recubrimiento​ ​límite.

no

hay

un El límite de capacidad del adsorbente es cuando la monocapa está​ ​completa​ ​. Cada unión adsorbato-adsorbente tiene la misma estructura y sucede por​ ​el​ ​mismo​ ​mecanismo.

Cada sitio o poro del sólido puede albergar una sola molécula de adsorbato.

Se define linealizada:

​​

por

la

ecuación La isoterma está representada por la ecuación:

​​

RELACIÓN​ ​DE​ ​LA​ ​PRÁCTICA​ ​CON​ ​INGENIERÍA​ ​AMBIENTAL ➔ La industria química y petroquímica genera aguas residuales que contienen contaminantes orgánicos poco “amigables” con el medio ambiente, como es el caso de los pertenecientes a la familia de los fenoles (C​6​H​5​OH). Se han desarrollado muchas técnicas para su descomposición a dióxido de carbono (CO​2​) y agua (H​2​O), pero lamentablemente, a veces mediante esta descomposición se generan compuestos refractarios, como es el caso de los ácidos de cadena corta como el ácido acético (CH​3​COOH). Aunque este ácido es difícil de degradar, su separación del medio acuoso puede realizarse mediante​ ​adsorción​ ​con​ ​carbón​ ​activado. ➔ Desulfuración​ ​del​ ​gas​ ​natural​ ​(eliminación​ ​del​ ​H2S) ➔ Eliminación de olores e impurezas desagradables de gases industriales como el dióxido​ ​de​ ​carbono ➔ Recuperación​ ​de​ ​compuestos​ ​orgánicos ➔ Procesos de potabilización de aguas: Control de sabor y olor, eliminación de microcontaminantes​ ​y​ ​eliminación​ ​de​ ​exceso​ ​de​ ​desinfectante​ ​(cloro​ ​y​ ​ozono)

RECOMENDACIONES PARA MEJORAR LA METODOLOGÍA Y EXPERIMENTACIÓN DE​ ​LA​ ​PRÁCTICA

Antes de la realización de la práctica debemos asegurarnos que el carbón activado esté perfectamente seco, y tomar el debido cuidado al pesarlo o colocarlo en el matraz porque podría absorber agua y disminuir así su capacidad de absorción al ácido acético.

REFERENCIAS ● Castellan, G. (1989). F ​ isicoquímica. 1st ed. Buenos Aires: Addison-Wesley Iberoamericana. ● Savy, V., D​Alessandro, O., Valle, G. and Briand, L. (2012). Adsorption in

●

●

Everyday Life. A Physicochemical Experiment with Environmental Application. Formación Universitaria​, [Internet] 5(2), pp.37-40. Disponible en: http://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-50062012000 200005​ ​[Accesado​ ​26​ ​Mar.​ ​2017]. Tubert,​ ​I.​ ​and​ ​Talanquer,​ ​V.​ ​(1997).​ ​Sobre​ ​adsorción.​ ​Educación​ ​química​, [Internet]​ ​8(4),​ ​pp.186-190.​ ​Disponible​ ​en: http://cbc.arizona.edu/tpp/adsorcioneq.pdf​ ​[Accesado​ ​26​ ​Mar.​ ​2017]. Goodhead, T. and Dagde, K. (2011). Adsorption of Acetic Acid, Cadmium ions, Lead ions and Iodine Using Activated Carbon from Waste Wood and Rice Husks. ​Journal of Applied Sciences and Environmental Management​, [Internet] 15(2). Disponible es: http://www.bioline.org.br/pdf?ja11069 [Accesado​ ​26​ ​Mar.​ ​2017].

MEMORIA​ ​DE​ ​CÁLCULO Moles​ ​de​ ​NaOH

M ol N aOH = N

M ol N aOH = 0.1127

Eq L

N aOH

*V

* 4 mL *

1L 1000 mL

Moles​ ​ácido​ ​acético​ ​titulados

M ol Ac. Acético =

M ol Ac. Acético = Moles​ ​de​ ​ácido​ ​acético​ ​en​ ​el​ ​matraz M ol Ac. Acético = N

gastado

*

* PE

N aOH

40 g Eq

1 mol 40 g

M ol N aOH * V

*

*

= 0.0004508 mol

gastado N aOH

V alicuota 0.0004508 mol * 4mL = 0.0018032 1 mL

Acético

1 PM

mol

1 agregado * P E Acético * P M 60 g 1L 1 mol = 0.0125005 1000 mL * Eq * 60 g

*V

M ol Ac. Acético = 0.500023 * 25 mL *

mol

Moles​ ​de​ ​ácido​ ​acético​ ​adsorbidos M ol Ac. Acéticoabsorbidos = M ol Ac. Acético M atraz − M oles ácido acético T itulados M ol Ac. Acéticoabsorbidos = 0.0125005 mol - 0.0018032 mol = 0.01069738 mol Gramos​ ​de​ ​acético​ ​adsorbido Gramos Ac. Acéticoabsorbidos = M ol Ac. Acéticoabsorbidos * P M Gramos Ac. Acéticoabsorbidos = 0.01069738 mol *

60 g mol

Acético

= 0.6418425 g

Gramos​ ​iniciales​ ​de​ ​ác.​ ​Acético g Gramos iniciales de ác, acético = 0.50023 mol L * 60 mol * 0.025L = 0.750345 g Relación​ ​entre​ ​gramos​ ​de​ ​ácido​ ​acético​ ​adsorbido​ ​por​ ​gramos​ ​de​ ​carbón​ ​activado g x = 0.6418425 = 0.63922 m 1.0041 g ln( 0.63922 ) =− 0.44750395

Cálculo​ ​para​ ​las​ ​constantes​ ​de​ ​adsorción De​ ​la​ ​ecuación​ ​de​ ​Freundlich​ ​tenemos​ ​que ln( mx ) = ln K + 1n ln(Co)

Comparando con la ecuación de una recta (y=mx+b), y ya sustituyendo los valores de la​ ​regresión​ ​echa​ ​en​ ​la​ ​computadora​ ​tenemos​ ​que: y = 0.899x − 0.2811 Por​ ​lo​ ​tanto,​ ​la​ ​constante​ ​de​ ​adsorción​ ​queda​ ​como: ln K =− 0.2811 e ln K = e −0.2811 K = 0.75 Y​ ​para​ ​el​ ​valor​ ​de​ ​n: 1 n

n=

= 0.899 = 1.1123

1 0.899

ISOTERMA Isoterma​ ​de​ ​Freundlich Tabla​ ​3.​ ​Datos​ ​usados​ ​para​ ​obtener​ ​isoterma​ ​de​ ​Freundlich ln​ ​Co

ln​ ​(x/m)

-0.28763607

-0.44750395

-0.51077962

-0.837165512

-0.7984617

-1.029982661

-1.20392681

-1.342722888

-1.56060175

-1.667771065

-2.40789961

-2.44667150

Isoterma​ ​de​ ​Langmuir Tabla​ ​4.​ ​Datos​ ​usados​ ​para​ ​obtener​ ​isoterma​ ​de​ ​Langmuir 1/Co

m/x

1.333272

1.564402482

1.66659

2.309810559

2.22212

2.801017268

3.33318001

3.82945650

4.76168572

5.300340506

11.1106

11.54983912

ADsorciDatos​ ​gráfica​ ​comparativa Tabla​ ​5.​ ​Datos​ ​usados​ ​para​ ​obtener​ ​gráfica​ ​comparativa Co

x/m

0.7500345

639.221691

0.6000276

432.935938

0.4500207

357.013151

0.3000138

261.133662

0.21000966

188.667124

0.09000414

86.5812926