Este documento presenta un experimento educativo para estudiar la adsorción de cristal violeta en microesferas de vidrio. Determina la isoterma de adsorción y parámetros de filtración a partir de curvas de ruptura experimentales. Compara los resultados con modelos de simulación para predecir el comportamiento dinámico de una columna de filtración. El experimento ilustra conceptos clave de la adsorción de manera económica y didáctica.

1. Yolanda Irene Aguilar Hinojosa
19 de Abril de 2012

2.  Daniel L. A. Fernandes
 Departamento de Química, Universidade de Aveiro, Campus de
Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal
 Ana M. R. B. Xavier
 QOPNA, Departamento de Química, Universidade de Aveiro, Campus de
Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal
 Inês Portugal, Francisco A. Da Silva, and Carlos M. Silva
 CICEDO, Departamento de Química, Universidade de Aveiro, Campus de
Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal
 Journal of Chemical Education, Vol. 82 No. 6 Junio 2005, 919-923 p.

3.  Introducción
 Antecedentes teóricos
 Procedimiento experimental
 Resultados y Discusión
 Conclusiones

5.  La adsorción es una
operación ampliamente
utilizada en la industria.
 En esta los solutos son
selectivamente transferidos
de la fase fluida a sólidos
suspendidos en un recipiente
o empacados en una
columna.
 Particularmente atractivo
para remover componentes
diluidos económicamente.

6.  Ejemplos de aplicaciones comerciales:
1. Separaciones de gases (O2/N2, hidrocarburos/corrientes
de purga)
2. Separaciones de líquidos (fructosa/glucosa)
3. Purificación de gases (compuestos sulfurados/gas
natural)
4. Purificación de líquidos (orgánicos/agua, aceite vegetal)

7.  Para la comprensión de una columna de filtración se
utilizan las curvas de ruptura, de ahí la realización de
este experimento.
 Las curvas de ruptura se refieren a la respuesta de
un lecho inicialmente limpio a un cambio repentino
en la composición de la alimentación.

8.  El objetivo de este artículo es mostrar un
experimento educativo de bajo costo que
ilustre el proceso de adsorción de una
solución y su tratamiento cuantitativo.
 La importancia de este experimento radica en
que la adsorción es una operación
ampliamente utilizada en la industria
química.

9.  El sistema de estudio consiste en:
1. Microesferas de vidrio
2. El adsorbente
3. Soluciones acuosas de cristal violeta
 Los principales objetivos de este artículo son:
1. Determinación de la isoterma de adsorción
2. Medición de los parámetros de filtración a partir de
las curvas de ruptura.
3. Simulación dinámica de la columna usando modelos
aproximados y exactos.

11.  Ecuación diferencial parcial obtenida:
 Asumiendo las siguientes condiciones:
i. Flujo tapón con velocidad intersticial constante
ii. Equilibrio instantáneo del soluto en la interfase
sólido-líquido
iii. Operación isotérmica

12.  El flujo molar producido en la interfase con el vidrio de
las microesferas se calcula con:
Donde Cs es la concentración del soluto en la interfase y
kc el coeficiente de transferencia de masa convectiva.
 Acumulación de cristal violeta en las esferas de vidrio
se conoce por medio de:

13.  El equilibrio entre q y Cs está representada por la
isoterma de Langmuir
Donde K es la constante de equilibrio de adsorción y
qmax la carga máxima correspondiente a un
cubrimiento completo de la superficie de cristal
violeta.

14.  Con la solución simultánea de las ecuaciones
anteriores se obtienen los perfiles de
concentración.
 Para este experimento la solución es
obtenida por integración numérica usando el
método de líneas. Así se obtiene una serie de
ecuaciones diferenciales ordinarias.

15.  Para el caso particular donde q=mCs y velocidad
intersticial u constante, hay una solución analítica
exacta, una aproximación útil es Klinkenberg:
 Donde ξ y τ son:

16. Figura 2. Movimiento del soluto: perfiles de concentración-distancia y su curva de
ruptura correspondiente: MTZ es la zona de transferencia de masa, tbp es el punto de
ruptura y tst es el tiempo estequiométrico.

17.  El tiempo estequiométrico corresponde al
tiempo promedio de residencia obtenido por
integración numérica de la curva de ruptura.
 La previsión teórica dada por balance de materia
indica que el tiempo estequiométrico es:

19.  En la siguiente lista se presentan los materiales y
químicos utilizados en la experimentación
Lista 1. Químicos, materiales y equipo utilizado en el experimento

20. 1. Distintos volúmenes de solución de cristal
violeta son agregados a cuatro matraces y
llenados hasta 500 cm3 con agua destilada
2. Concentraciones: entre 1.2 x 10-3 – 1.2 x 10-2
mol/m3.
3. Muestras de microesferas de vidrio son
agregadas a cada matraz (~100 g)
4. Matraces son colocados en un baño
termostático de agua a 30ºC.

21. 5. Se aplica agitación mecánica durante 24h
para alcanzar el equilibrio
6. La absorbancia de las soluciones
sobrenadantes se midió a la λmax del
colorante (590 nm), siendo la curva de
calibración del espectrofotómetro a 30ºC:

22.  Consiste en una
columna de vidrio
enchaquetada.
 Empacada con
adsorbente.
 Bomba peristáltica
para bombear el
cristal violeta.
Figura 3. Esquema del arreglo experimental

23.  Las condiciones experimentales fueron las
siguientes:
Tabla 1. Condiciones experimentales para las mediciones de ruptura.

25.  Los puntos representan los
datos experimentales y la línea
la Isoterma de Langmuir
ajustada.
 Los parámetros utilizados para
Langmuir fueron:
 qm= 0.044511 mol/m3
 K= 432.75 m3/mol
 La isoterma linearizada con el
modelo de Klinkenberg es q=
10.50 C.
Figura 4. Isoterma de adsorción de cristal
violeta en microesferas de vidrio a 30ºC.

26.  Las isotermas que son
convexas hacia arriba
son consideradas
favorables
 Las diferencias entre las
curvas de ruptura en
escalón y la
experimental sugieren
que limitaciones en la
transferencia de masa Figura 5. Curvas de ruptura experimentales y
ocurren en el sistema. simuladas: datos experimentales; modelo
propuesto; modelo de Klinkengerg; ruptura
ideal en t = tst

27.  Los datos utilizados para el modelado fueron
los siguientes:

29.  Introducción al estudiante a la determinación
de la isoterma de equilibrio y al estudio del
comportamiento dinámico de una columna
de filtración.
 Los parámetros más importantes pueden ser
medidos.
 Comparaciones entre modelados.