Adsorción, proceso para la Separación de Gases Atmosféricos

El proceso de adsorción es resultado de la existencia de fuerzas moleculares insaturadas presentes en la superficie de todo sólido. Cuando un sólido se pone en contacto con un gas, se produce una interacción entre el gas y la superficie del sólido que tiende a compensar estas fuerzas residuales mediante la atracción y retención sobre su superficie de las moléculas del gas. Como resultado se observa una mayor concentración de un determinado compuesto gaseoso en la superficie del sólido que en el seno de la fase gaseosa inicial.

Fuente: Elaboración propia

La adsorción es un fenómeno superficial y como tal, para un determinado gas a adsorber (denominado comúnmente como adsorbato o soluto), dependerá fundamentalmente de la cantidad de superficie del material (llamado adsorbente) accesible a dicho gas, por lo que suelen utilizarse sólidos porosos con gran superficie de contacto disponible para fijar el gas. El área superficial accesible, la distribución y el tamaño de los poros más adecuado para un sistema adsorbato/adsorbente, son los factores fundamentales para el proceso de adsorción y sobre todo para su eficiencia.

Las características principales del proceso de adsorción son:

• Es altamente selectiva.
• Es un proceso rápido.
• Es un proceso normalmente exotérmico.
• Al ser exotérmico, normalmente al aumentar la temperatura disminuye la cantidad adsorbida.

Atendiendo a las fuerzas de interacción entre las moléculas de adsorbente y adsorbato, se acepta la existencia de tres tipos de adsorción. Cuando las fuerzas son de tipo “electrostáticas”, se usa el término “intercambio iónico”. Cuando estas fuerzas son del tipo “dipolo–dipolo”, “dipolo–dipolo inducido” o “fuerzas de dispersión”, se usa el término de “adsorción física” o “fisisorción”. Cuando las fuerzas son “enlaces covalentes” se aplica el término de “adsorción química” o “quimisorción”.

La mayoría de los fenómenos de adsorción son combinaciones de estos tres tipos de adsorción, y muchas veces resulta difícil distinguir la fisisorción de la quimisorción.

Fuente: Elaboración propia

Adsorción por intercambio iónico. En este proceso el soluto y el adsorbente se atraen por “fuerzas electrostáticas”. Los iones del soluto se concentran en la superficie del adsorbente, que se halla cargada eléctricamente con signo contrario a los iones del soluto. Se trata de un proceso a medio camino entre la adsorción y la absorción. Ante dos adsorbatos iónicos iguales en varios factores, pero uno con mayor carga que el otro, suele ser adsorbido el de mayor carga. Para adsorbatos con igual carga, el tamaño molecular es el que determina cuál será adsorbido.

Fuente: Elaboración propia

Adsorción física o fisisorción. El enlace que se establece entre adsorbato y adsorbente se produce mediante “fuerzas de Van der Waals”, de naturaleza relativamente débil. El adsorbato no está fijo en la superficie del adsorbente, sino que tiene movilidad en la interfase y conserva su naturaleza química tras el proceso de adsorción. Se caracteriza por:

• Es una interacción débil.
• Es un proceso exotérmico (las fuerzas de Van der Waals son atractivas).
• La molécula fisisorbida mantiene su identidad ya que la energía es insuficiente para romper el enlace aunque su geometría puede estar distorsionada.
• Es un proceso no especifico ya que las fuerzas que intervienen no lo son y no existe una selectividad marcada entre adsorbato y adsorbente. En general, aquellos gases que son muy polarizables son adsorbidos más fácilmente.
• Se produce en multicapas. Sobre cada capa de gas fisisorbida pueden adsorberse otras capas superpuestas entre sí. Hasta que las fuerzas de interacción del sólido dejan de actuar.

Adsorción química o quimisorción. Sucede cuando hay interacción química entre adsorbato y adsorbente. La fuerza de la interacción entre adsorbato y adsorbente es fuerte, casi como un “enlace químico”. El adsorbato sufre una transformación, más o menos intensa, dependiendo de su naturaleza química. Las moléculas del gas se mantienen unidas a la superficie formando un enlace químico fuerte. Se caracteriza por:

• Se trata de una interacción más fuerte que la fisisorción.
• Las entalpías de quimisorción son mucho mayores que las de fisisorción y del orden de las que se liberan en la formación de enlaces químicos.
• La quimisorción es específica.
• El proceso se detiene tras la formación de una monocapa sobre la superficie. Aunque sólo una capa puede estar quimisorbida puede producirse adsorción física de nuevas capas de adsorbato sobre la primera.
• En general, la quimisorción implica la rotura y formación de enlaces, por lo que la molécula quimisorbida no mantiene la misma estructura electrónica (enlaces) que en fase gaseosa.

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