Adsorción

El modelo de adsorción multicapa de Brunauer, Emmett y Teller es una distribución aleatoria de moléculas en la superficie material.

Adsorción es la adhesión de átomos, iones o moléculas de un gas, líquido o sólido disuelto a una superficie. Este proceso crea una película del adsorbato (soluto)* sobre la superficie del adsorbente(disolvente). Este proceso difiere de la absorción, en la que un fluido (el absorbido) se disuelve o permea un líquido o sólido (el absorbente). La adsorción es un fenómeno de superficie y no penetra a través de la superficie hasta la mayor parte del adsorbente, mientras que la absorción involucra todo el volumen del material, aunque la adsorción a menudo precede a la absorción. El término sorción engloba ambos procesos, mientras que desorción es lo contrario.

Al igual que la tensión superficial, la adsorción es una consecuencia de la energía superficial. En un material a granel, todos los requisitos de enlace (ya sean iónicos, covalentes o metálicos) de los átomos constituyentes del material son cumplidos por otros átomos en el material. Sin embargo, los átomos en la superficie del adsorbente no están completamente rodeados por otros átomos adsorbentes y, por lo tanto, pueden atraer adsorbatos. La naturaleza exacta del enlace depende de los detalles de las especies involucradas, pero el proceso de adsorción generalmente se clasifica como fisisorción (característica de las fuerzas débiles de van der Waals) o quimisorción (característica del enlace covalente). También puede ocurrir debido a la atracción electrostática. La naturaleza de la adsorción puede afectar la estructura de las especies adsorbidas. Por ejemplo, la fisisorción de polímeros de una solución puede dar como resultado estructuras aplastadas en una superficie.

La adsorción está presente en muchos sistemas naturales, físicos, biológicos y químicos y se usa ampliamente en aplicaciones industriales como catalizadores heterogéneos, carbón activado, captura y uso de calor residual para proporcionar agua fría para el aire acondicionado y otros requisitos del proceso (enfriadores de adsorción), resinas sintéticas, aumento de la capacidad de almacenamiento de carbones derivados del carburo y depuración de aguas. La adsorción, el intercambio iónico y la cromatografía son procesos de sorción en los que ciertos adsorbatos se transfieren selectivamente desde la fase fluida a la superficie de partículas rígidas e insolubles suspendidas en un recipiente o empaquetadas en una columna. Las aplicaciones de la industria farmacéutica, que utilizan la adsorción como medio para prolongar la exposición neurológica a fármacos específicos o partes de los mismos, son menos conocidas.

La palabra "adsorción" fue acuñado en 1881 por el físico alemán Heinrich Kayser (1853-1940).

Isotermas

La adsorción de gases y solutos suele describirse mediante isotermas, es decir, la cantidad de adsorbato en el adsorbente en función de su presión (si es gas) o concentración (para solutos en fase líquida) a temperatura constante. La cantidad adsorbida casi siempre se normaliza por la masa del adsorbente para permitir la comparación de diferentes materiales. Hasta la fecha, se han desarrollado 15 modelos de isoterma diferentes.

Freundlich

El primer ajuste matemático a una isoterma fue publicado por Freundlich y Kuster (1906) y es una fórmula puramente empírica para adsorbatos gaseosos:

xm=kP1/n,{displaystyle {frac {x}=kP^{1/n}

Donde x{displaystyle x} es la masa de adsorbate adsorbed, m{displaystyle m} es la masa del adsorbente, P{displaystyle P} es la presión de adsorbato (esto se puede cambiar a la concentración si se investiga solución en lugar de gas), y k{displaystyle k} y n{displaystyle n} son constantes empíricas para cada par adsorbente-adsorbato a una temperatura determinada. La función no es adecuada a una presión muy alta porque en realidad x/m{displaystyle x/m} tiene un máximo asintotico a medida que aumenta la presión sin límites. A medida que aumenta la temperatura, las constantes k{displaystyle k} y n{displaystyle n} cambio para reflejar la observación empírica de que la cantidad adsorbida aumenta más lentamente y se requieren presiones más altas para saturar la superficie.

Langmuir

Irving Langmuir fue el primero en derivar una isoterma de adsorción con base científica en 1918. El modelo se aplica a los gases adsorbidos en superficies sólidas. Es una isoterma semiempírica con una base cinética y se derivó en base a la termodinámica estadística. Es la ecuación de isoterma más común debido a su simplicidad y su capacidad para adaptarse a una variedad de datos de adsorción. Se basa en cuatro supuestos:

1. Todos los sitios de adsorción son equivalentes, y cada sitio sólo puede acomodar una molécula.
2. La superficie es energéticamente homogénea, y las moléculas adsorbidas no interactúan.
3. No hay transiciones de fase.
4. En la adsorción máxima, sólo se forma un monocapa. La adsorción sólo ocurre en sitios localizados en la superficie, no con otros adsorbatos.

Estas cuatro suposiciones rara vez son del todo ciertas: siempre hay imperfecciones en la superficie, las moléculas adsorbidas no son necesariamente inertes y el mecanismo claramente no es el mismo para las primeras moléculas que se adsorben en una superficie que para las últimas. La cuarta condición es la más problemática, ya que con frecuencia se adsorberán más moléculas en la monocapa; este problema lo aborda la isoterma BET para superficies relativamente planas (no microporosas). No obstante, la isoterma de Langmuir es la primera opción para la mayoría de los modelos de adsorción y tiene muchas aplicaciones en cinética de superficie (normalmente llamada cinética de Langmuir-Hinshelwood) y termodinámica.

Langmuir sugirió que la adsorción tiene lugar a través de este mecanismo: Ag+S⇌ ⇌ AS{displaystyle A_{text{g}+Sleftharpoons ¿Cómo?, donde A es una molécula de gas, y S es un sitio de adsorción. Las constantes de velocidad directa e inversa son k y k₋₁. Si definimos la cobertura superficial, Silencio Silencio {displaystyle theta }, como la fracción de los sitios de adsorción ocupados, en el equilibrio tenemos:

K=kk− − 1=Silencio Silencio ()1− − Silencio Silencio )P,{displaystyle K={frac {K}{k_{-1}}={frac {theta}{(1-theta)P}}}

o

Silencio Silencio =KP1+KP,{displaystyle theta ={frac {KP}{1+KP}}

Donde P{displaystyle P} es la presión parcial del gas o la concentración molar de la solución. Para presiones muy bajas Silencio Silencio .. KP{displaystyle theta approx KP., y para altas presiones Silencio Silencio .. 1{displaystyle theta approx 1}.

El valor de Silencio Silencio {displaystyle theta } es difícil de medir experimentalmente; por lo general, el adsorbato es un gas y la cantidad adsorbida se da en topos, gramos o volúmenes de gas a temperatura y presión estándar (STP) por gramo de adsorbente. Si llamamos v_mon el volumen STP de adsorbato requerido para formar un monocapa en el adsorbente (por gramo de adsorbente), entonces Silencio Silencio =vvmon{displaystyle theta ={frac {V}{v_{text{mon}}}}, y obtenemos una expresión para una línea recta:

1v=1Kvmon1P+1vmon.{displaystyle {frac}{}={frac} {1}{Kv_{text{mon}} {frac}} {f}} {f} {f}} {f}}} {f}}} {f}}} {f}}} {f}}} {f} {f}}}}}} {f}} {f}f}}}} {f}} {f} {f} {f}}}}f}}}}}}f}}}}}} {f} {f} {f} {f} {f} {1}{}+{frac} {1}{v_{text{mon}}}}}

A través de su pendiente y el intercepto en y podemos obtener v_mon y K, que son constantes para cada par adsorbente-adsorbato a una temperatura dada. v_mon está relacionado con el número de sitios de adsorción a través de la ley de los gases ideales. Si asumimos que el número de sitios es solo el área total del sólido dividida en la sección transversal de las moléculas de adsorbato, podemos calcular fácilmente el área superficial del adsorbente. El área superficial de un adsorbente depende de su estructura: cuantos más poros tiene, mayor es el área, lo que tiene una gran influencia en las reacciones en las superficies.

Si más de un adsorbe de gas en la superficie, definimos Silencio Silencio E{displaystyle theta ¿Qué? como la fracción de sitios vacíos, y tenemos:

Silencio Silencio E=11+.. i=1nKiPi.{displaystyle theta ¿Qué? {1}{1+sum ¿Qué?

Además, podemos definir Silencio Silencio j{displaystyle theta _{j}} como la fracción de los sitios ocupados por j- el gas:

Silencio Silencio j=KjPj1+.. i=1nKiPi,{displaystyle theta - ¿Qué? {K_{j}P_{j}{1+sum ¿Qué?

donde i es cada uno de los gases que se adsorben.

Nota:

1) Para elegir entre las ecuaciones de langmuir y freundlich, se deben investigar las entalpías de adsorción. Mientras que el modelo de langmuir supone que la energía de adsorción permanece constante con la ocupación de la superficie, la ecuación de Freundlich se deriva del supuesto de que el calor de adsorción disminuye continuamente a medida que se ocupan los sitios de unión. La elección del modelo basado en el mejor ajuste de los datos es un error común.

2) El uso de la forma linealizada del modelo de langmuir ya no es una práctica común. Los avances en el poder computacional permitieron que la regresión no lineal se realizara rápidamente y con mayor confianza ya que no se requiere transformación de datos.

APUESTA

A menudo, las moléculas forman multicapas, es decir, algunas se adsorben en moléculas ya adsorbidas y la isoterma de Langmuir no es válida. En 1938, Stephen Brunauer, Paul Emmett y Edward Teller desarrollaron una isoterma modelo que tiene en cuenta esa posibilidad. Su teoría se llama teoría BET, por las iniciales de sus apellidos. Modificaron el mecanismo de Langmuir de la siguiente manera:

A_g) + S ⇌ AS,

A_g) + AS ⇌ A₂S,

A_g) + A₂S ⇌ A₃S y así sucesivamente.

Langmuir (azul) and BET (red) isotherms

La derivación de la fórmula es más complicada que la de Langmuir (ver enlaces para la derivación completa). Obtenemos:

xv()1− − x)=1vmonc+x()c− − 1)vmonc,{displaystyle {frac {x}{v(1-x)}={frac {1}{v_{text{mon}c}}}+{frac {x(c-1)}{v_{text{mon}c}}}}}}}}}

Donde x es la presión dividida por la presión de vapor para el adsorbato a esa temperatura (normalmente denotado) P/P0{displaystyle P/P_{0}), v es el volumen STP de adsorbate adsorbido, v_mon es el volumen STP de la cantidad de adsorbato requerido para formar un monocapa, y c es la constante del equilibrio K usamos en Langmuir isotherm multiplicado por la presión de vapor del adsorbato. El supuesto clave utilizado en la conducción de la ecuación BET que los sucesivos calores de adsorción para todas las capas excepto el primero son iguales al calor de condensación del adsorbato.

La isoterma de Langmuir suele ser mejor para la quimisorción y la isoterma BET funciona mejor para la fisisorción en superficies no microporosas.

Kisliuk

Dos moléculas de nitrógeno adsorbing en un adsorbente de tungsteno del estado precursor alrededor de una isla de adsorbato adsorbato previamente (izquierda) y vía adsorción aleatoria (derecha)

En otros casos, las interacciones moleculares entre las moléculas de gas previamente adsorbidas en una superficie sólida forman interacciones significativas con las moléculas de gas en las fases gaseosas. Por lo tanto, es más probable que la adsorción de moléculas de gas a la superficie ocurra alrededor de moléculas de gas que ya están presentes en la superficie sólida, lo que hace que la isoterma de adsorción de Langmuir sea ineficaz para fines de modelado. Este efecto fue estudiado en un sistema donde el nitrógeno era el adsorbato y el tungsteno el adsorbente por Paul Kisliuk (1922-2008) en 1957. Para compensar la mayor probabilidad de adsorción que ocurre alrededor de las moléculas presentes en la superficie del sustrato, Kisliuk desarrolló el estado precursor teoría, según la cual las moléculas entrarían en un estado precursor en la interfase entre el adsorbente sólido y el adsorbato en la fase gaseosa. A partir de aquí, las moléculas de adsorbato se adsorberían en el adsorbente o se desorberían en la fase gaseosa. La probabilidad de que ocurra la adsorción desde el estado precursor depende de la proximidad del adsorbato a otras moléculas de adsorbato que ya han sido adsorbidas. Si la molécula de adsorbato en el estado precursor está muy cerca de una molécula de adsorbato que ya se ha formado en la superficie, tiene una probabilidad de adherencia reflejada por el tamaño de la constante S_E y será adsorbida del estado precursor a una velocidad de k_EC o se desorberá en la fase gaseosa a una velocidad de k_ES. Si una molécula de adsorbato entra en estado precursor en un lugar alejado de cualquier otra molécula de adsorbato adsorbida previamente, la probabilidad de adherencia se refleja en el tamaño de la constante S_D.

Estos factores se incluyeron como parte de una sola constante denominada "coeficiente de adherencia", k_E, que se describe a continuación:

kE=SEkESSD.{displaystyle k_{text{E}={frac} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}}}} {fnMicrosoft Sans Serif} {f}}}} {f}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}f}}}}}}}}}}}} {f} {f}} {f}}}}f}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}} {f}} {f}}}}}}}}f}}} {fnMis_f}f}}f}f}fnMis_fnMis_f}f}}f}f}}f}fnMi

Como S_D está dictada por factores que se tienen en cuenta en el modelo de Langmuir, se puede suponer que S_D es la constante de tasa de adsorción. Sin embargo, la constante de velocidad del modelo de Kisliuk (R') es diferente de la del modelo de Langmuir, ya que R' se usa para representar el impacto de la difusión en la formación de monocapas. y es proporcional a la raíz cuadrada del coeficiente de difusión del sistema. La isoterma de adsorción de Kisliuk se escribe de la siguiente manera, donde θ_(t) es la fracción de cobertura del adsorbente con adsorbato, y t es el tiempo de inmersión:

dSilencio Silencio ()t)dt=R.()1− − Silencio Silencio )()1+kESilencio Silencio ).{displaystyle {frac {dtheta _{(t)} {dt}=R'(1-theta)(1+k_{text{E}theta).}

Resolviendo para θ_(t) se obtiene:

Silencio Silencio ()t)=1− − e− − R.()1+kE)t1+kEe− − R.()1+kE)t.{displaystyle theta _{(t)}={frac {1-e^{-R'(1+k_{text{E}})t}}{1+k_{text{E}e^{-R'(1+k_{E}t}}}}}}}}}}}}

Entalpía de adsorción

Las constantes de adsorción son constantes de equilibrio, por lo tanto obedecen a la ecuación de Van 't Hoff:

()∂ ∂ In⁡ ⁡ K∂ ∂ 1T)Silencio Silencio =− − Δ Δ HR.{displaystyle left({frac {partial ln K}{partial {frac {1} {}}}right)_{theta }=-{frac {Delta H}{R}}}

Como se puede observar en la fórmula, la variación de K debe ser isostérica, es decir, a cobertura constante. Si partimos de la isoterma BET y asumimos que el cambio de entropía es el mismo para licuefacción y adsorción, obtenemos

Δ Δ Hanuncios=Δ Δ Hliq− − RTIn⁡ ⁡ c,{displaystyle Delta H_{text{ads}= Delta H_{text{liq}-RTln c,}

es decir, la adsorción es más exotérmica que la licuefacción.

Explicación de una sola molécula

La adsorción de moléculas ensemble en una superficie o interfaz se puede dividir en dos procesos: adsorción y desorción. Si la tasa de adsorción gana la tasa de desorción, las moléculas se acumularán con el tiempo dando la curva de adsorción con el tiempo. Si la tasa de desorción es mayor, el número de moléculas en la superficie disminuirá con el tiempo. La tasa de adsorción depende de la temperatura, la tasa de difusión del soluto (relacionada con el camino libre para el gas puro), y la barrera energética entre la molécula y la superficie. La difusión y los elementos clave de la tasa de adsorción se pueden calcular utilizando las leyes de Fick de difusión y relación de Einstein (teoría cinética). En condiciones ideales, cuando no hay barrera de energía y todas las moléculas que difusan y colliden con la superficie se adsorben, el número de moléculas adsorbidas .. {displaystyle "Gamma" en una superficie de A{displaystyle A} en una superficie infinita se puede integrar directamente de la segunda ecuación diferencial de la ley de Fick para ser:

.. =2ACDtπ π {displaystyle Gamma =2AC{sqrt {frac {Dt}{pi} }

Donde A{displaystyle A} es la superficie (unidad m²), C{displaystyle C} es la concentración número de la molécula en la solución de vracs (unidad #/m³), D{displaystyle D} es la constante de difusión (unidad m²/s), y t{displaystyle t} es tiempo (unidad s). Otras simulaciones y análisis de esta ecuación muestran que la dependencia de la raíz cuadrada del tiempo se origina de la disminución de las concentraciones cercanas a la superficie bajo condiciones ideales de adsorción. Además, esta ecuación sólo funciona para el comienzo de la adsorción cuando una concentración bien alimentada forma gradiente cerca de la superficie. La corrección sobre la reducción del área de adsorción y la desaceleración de la evolución gradiente de concentración deben ser consideradas durante un tiempo más largo. En condiciones experimentales reales, el flujo y el área de adsorción pequeña siempre hacen que la tasa de adsorción sea más rápida que lo que predijo esta ecuación, y la barrera energética acelere esta tasa por atracción superficial o la ralentice por repulsión superficial. Así, la predicción de esta ecuación es a menudo unas pocas a varias órdenes de magnitud lejos de los resultados experimentales. En casos especiales, como un área de adsorción muy pequeña en una superficie grande, y bajo equilibrio químico cuando no hay gradiencia de concentración cerca de la superficie, esta ecuación se vuelve útil para predecir la tasa de adsorción con cuidado especial debatible para determinar un valor específico de la superficie t{displaystyle t} en una medida particular.

La desorción de una molécula de la superficie depende de la energía de unión de la molécula a la superficie y de la temperatura. La tasa de adsorción general típica es, por lo tanto, a menudo un resultado combinado de la adsorción y la desorción.

Mecánica cuántica: modelado termodinámico de área superficial y porosidad

Desde 1980 se trabajaron dos teorías para explicar la adsorción y obtener ecuaciones que funcionaran. Estos dos se conocen como la hipótesis chi, la derivación mecánica cuántica y el exceso de trabajo superficial (ESW). Ambas teorías producen la misma ecuación para superficies planas:

Silencio Silencio =()χ χ − − χ χ c)U()χ χ − − χ χ c){displaystyle theta =(chi -chi _{c})U(chi -chi _{c})}

donde U es la función escalón unitario. Las definiciones de los otros símbolos son las siguientes:

Silencio Silencio :=nanuncios/nm,χ χ :=− − In⁡ ⁡ ()− − In⁡ ⁡ ()P/Pvap)){displaystyle theta:=n_{ads}/n_{m},quad chi:=-ln {bigl {bigl {bigl (}P/P_{text{vap}{bigr)}{bigr)}}} {bigr)}

donde "anuncios" significa "adsorbido", "m" significa "equivalencia de monocapa" y "vapor" se refiere a la presión de vapor del adsorbente líquido a la misma temperatura que la muestra sólida. La función unitaria crea la definición de la energía molar de adsorción para la primera molécula adsorbida por:

χ χ c=− − In⁡ ⁡ ()− − Ea/RT){displaystyle chi ¿Qué? {bigl (}-E_{a}/RT{bigr)}

La trama de nads{displaystyle n_{ads} adsorbido versus χ χ {displaystyle chi } se conoce como la parcela chi. Para superficies planas, la pendiente de la parcela chi produce la superficie. Empíricamente, esta trama fue notada como un muy buen ajuste al isomo por Michael Polanyi y también por Jan Hendrik de Boer y Cornelis Zwikker pero no perseguido. Esto se debió a la crítica en el primer caso de Albert Einstein y en el último caso de Brunauer. Esta ecuación de superficie plana se puede utilizar como una "curva estándar" en la tradición normal de las curvas de comparación, con la excepción de que la parte temprana de la muestra porosa de la parcela de nads{displaystyle n_{ads} versus χ χ {displaystyle chi } actúa como un auto-estándar. Se pueden analizar condiciones ultramicroporosas, microporosas y mesoporosas utilizando esta técnica. Las desviaciones típicas estándar para el ajuste completo del isotérmago incluyendo muestras porosas son menos del 2%.

Observe que en esta descripción de adsorción física, la entropía de adsorción es consistente con el criterio termodinámico de Dubinin, es decir, la entropía de adsorción del estado líquido al estado adsorbido es aproximadamente cero.

Adsorbentes

Características y requisitos generales

El carbono activado se utiliza como adsorbente

Los adsorbentes se utilizan normalmente en forma de gránulos esféricos, varillas, molduras o monolitos con un radio hidrodinámico de entre 0,25 y 5 mm. Deben tener alta resistencia a la abrasión, alta estabilidad térmica y diámetros de poro pequeños, lo que da como resultado una mayor área de superficie expuesta y, por lo tanto, una alta capacidad de adsorción. Los adsorbentes también deben tener una estructura de poros distinta que permita el transporte rápido de los vapores gaseosos. La mayoría de los adsorbentes industriales se clasifican en una de tres clases:

• Compuestos que contienen oxígeno – Son típicamente hidrofílicos y polares, incluyendo materiales como gel de sílice, piedra caliza (carbonato de calcio) y zeolitas.
• Compuestos basados en carbono – Normalmente son hidrofóbicos y no polares, incluyendo materiales como el carbono activado y el grafito.
• Compuestos basados en polímeros – Son polares o no polares, dependiendo de los grupos funcionales de la matriz polímero.

Gel de sílice

Silica gel adsorber para NO₂, Laboratorio de Investigación de Nitrógeno Fijo, ca.1930s

El gel de sílice es una forma amorfa de SiO₂ químicamente inerte, no tóxica, polar y dimensionalmente estable (< 400 °C o 750 °F). Se prepara mediante la reacción entre el silicato de sodio y el ácido acético, seguida de una serie de procesos de tratamiento posterior, como envejecimiento, decapado, etc. Estos métodos de tratamiento posterior dan como resultado varias distribuciones de tamaño de poro.

La sílice se utiliza para el secado del aire de proceso (p. ej., oxígeno, gas natural) y la adsorción de hidrocarburos pesados (polares) del gas natural.

Zeolitas

Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos naturales o sintéticos, que tienen una red de poros repetitivos y liberan agua a alta temperatura. Las zeolitas son de naturaleza polar.

Se fabrican mediante síntesis hidrotermal de aluminosilicato de sodio u otra fuente de sílice en autoclave seguido de intercambio iónico con determinados cationes (Na⁺, Li⁺, Ca²⁺, K⁺, NH₄⁺). El diámetro del canal de las jaulas de zeolita suele oscilar entre 2 y 9 Å. El proceso de intercambio de iones va seguido del secado de los cristales, que pueden granularse con un aglutinante para formar gránulos macroporosos.

Las zeolitas se aplican en el secado del aire de proceso, la eliminación de CO₂ del gas natural, la eliminación de CO del gas de reformado, la separación de aire, el craqueo catalítico y la síntesis y reformado catalíticos.

Las zeolitas no polares (silíceas) se sintetizan a partir de fuentes de sílice sin aluminio o por desaluminación de zeolitas que contienen aluminio. El proceso de desaluminación se realiza tratando la zeolita con vapor a temperaturas elevadas, por lo general superiores a 500 °C (930 °F). Este tratamiento térmico a alta temperatura rompe los enlaces aluminio-oxígeno y el átomo de aluminio es expulsado de la estructura de zeolita.

Carbón activado

El carbón activado es un sólido amorfo altamente poroso que consta de microcristalitos con una red de grafito, generalmente preparado en pequeños gránulos o en polvo. Es no polar y barato. Uno de sus principales inconvenientes es que reacciona con el oxígeno a temperaturas moderadas (superiores a 300 °C).

Estroma de nitrógeno de carbono activado que muestra un marcado comportamiento microporoso

El carbón activado se puede fabricar a partir de material carbonoso, incluido el carbón (bituminoso, subbituminoso y lignito), turba, madera o cáscaras de nuez (p. ej., coco). El proceso de fabricación consta de dos fases, carbonización y activación. El proceso de carbonización incluye el secado y luego el calentamiento para separar los subproductos, incluidos los alquitranes y otros hidrocarburos de la materia prima, así como para eliminar los gases generados. El proceso se completa calentando el material a más de 400 °C (750 °F) en una atmósfera libre de oxígeno que no puede soportar la combustión. Luego, las partículas carbonizadas se "activan" exponiéndolos a un agente oxidante, generalmente vapor o dióxido de carbono a alta temperatura. Este agente quema las estructuras de bloqueo de poros creadas durante la fase de carbonización y, por lo tanto, desarrollan una estructura de red de grafito tridimensional porosa. El tamaño de los poros desarrollados durante la activación es función del tiempo que pasan en esta etapa. Los tiempos de exposición más largos dan como resultado tamaños de poro más grandes. Los carbones de fase acuosa más populares son de base bituminosa debido a su dureza, resistencia a la abrasión, distribución del tamaño de los poros y bajo costo, pero es necesario probar su eficacia en cada aplicación para determinar el producto óptimo.

El carbón activado se utiliza para la adsorción de sustancias orgánicas y adsorbatos no polares, y también suele utilizarse para el tratamiento de gases residuales (y aguas residuales). Es el adsorbente más utilizado ya que la mayoría de sus propiedades químicas (p. ej., grupos de superficie) y físicas (p. ej., distribución del tamaño de los poros y área de superficie) se pueden ajustar de acuerdo con las necesidades. Su utilidad también se deriva de su gran volumen de microporos (ya veces mesoporos) y la alta área de superficie resultante. Trabajos de investigación recientes informaron que el carbón activado es un agente eficaz para adsorber especies catiónicas de metales tóxicos de sistemas multicontaminantes y también propusieron posibles mecanismos de adsorción con evidencias que los respaldan.

Adsorción de agua

La adsorción de agua en las superficies tiene una gran importancia en la ingeniería química, la ciencia de los materiales y la catálisis. También denominada hidratación superficial, la presencia de agua adsorbida física o químicamente en las superficies de los sólidos juega un papel importante en el control de las propiedades de interfaz, las vías de reacción química y el rendimiento catalítico en una amplia gama de sistemas. En el caso del agua adsorbida físicamente, la hidratación de la superficie se puede eliminar simplemente mediante el secado en condiciones de temperatura y presión que permitan la vaporización total del agua. Para el agua adsorbida químicamente, la hidratación puede ser en forma de adsorción disociativa, donde las moléculas de H₂O se disocian en -H y -OH adsorbidas en la superficie, o adsorción molecular (adsorción asociativa) donde las moléculas de agua individuales permanece intacto

Calefacción y almacenamiento solar por adsorción

El bajo costo ($200/tonelada) y la alta velocidad de ciclo (2000 ×) de las zeolitas sintéticas como Linde 13X con agua adsorbato ha ganado mucho interés académico y comercial recientemente para su uso en el almacenamiento de energía térmica (TES), específicamente de baja -grado solar y calor residual. Se han financiado varios proyectos piloto en la UE desde 2000 hasta la actualidad (2020). El concepto básico es almacenar la energía solar térmica como energía química latente en la zeolita. Por lo general, el aire seco y caliente de los colectores solares de placa plana se hace fluir a través de un lecho de zeolita, de modo que se elimina cualquier adsorbato de agua presente. El almacenamiento puede ser diurno, semanal, mensual o incluso estacional dependiendo del volumen de la zeolita y el área de los paneles solares térmicos. Cuando se requiere calor durante la noche, las horas sin sol o el invierno, el aire humidificado fluye a través de la zeolita. A medida que la zeolita adsorbe la humedad, el calor se libera al aire y, posteriormente, al espacio del edificio. Esta forma de TES, con uso específico de zeolitas, fue enseñada por primera vez por John Guerra en 1978.

Captura y almacenamiento de carbono

Los adsorbentes típicos propuestos para la captura y el almacenamiento de carbono son las zeolitas y los MOF. La personalización de los adsorbentes los convierte en una alternativa potencialmente atractiva a la absorción. Debido a que los adsorbentes se pueden regenerar por cambios de temperatura o presión, este paso puede consumir menos energía que los métodos de regeneración por absorción. Los principales problemas que están presentes con el costo de adsorción en la captura de carbono son: regeneración del adsorbente, proporción de masa, solvente/MOF, costo del adsorbente, producción del adsorbente, vida útil del adsorbente.

En la tecnología de cambio de agua y gas mejorada por sorción (SEWGS), se combina un proceso de captura de carbono previo a la combustión, basado en la adsorción sólida, con la reacción de cambio de agua y gas (WGS) para producir una corriente de hidrógeno a alta presión. El flujo de CO₂ producido puede almacenarse o utilizarse para otros procesos industriales.

Adsorción de proteínas y surfactantes

La adsorción de proteínas es un proceso que tiene un papel fundamental en el campo de los biomateriales. De hecho, las superficies de biomateriales en contacto con medios biológicos, como sangre o suero, se recubren inmediatamente con proteínas. Por lo tanto, las células vivas no interactúan directamente con la superficie del biomaterial, sino con la capa de proteínas adsorbidas. Esta capa de proteína media la interacción entre los biomateriales y las células, traduciendo las propiedades físicas y químicas de los biomateriales en un "lenguaje biológico". De hecho, los receptores de la membrana celular se unen a los sitios bioactivos de la capa proteica y estos eventos de unión proteína-receptor se transducen, a través de la membrana celular, de una manera que estimula procesos intracelulares específicos que luego determinan la adhesión, forma, crecimiento y diferenciación celular. La adsorción de proteínas está influenciada por muchas propiedades de la superficie, como la humectabilidad de la superficie, la composición química de la superficie y la morfología de la superficie a escala nanométrica. La adsorción de surfactante es un fenómeno similar, pero utiliza moléculas de surfactante en lugar de proteínas.

Enfriadoras de adsorción

Un diagrama esquemático de un enfriador de adsorción: (1) el calor se pierde mediante la evaporación del refrigerante, (2) el vapor refrigerante es adsorbido sobre el medio sólido, (3) el refrigerante se desorbe de la sección media sólida no en uso, (4) refrigerante se condensa y regresa al inicio, (5) " (6) el medio sólido se cicló entre adsorción y desorción para regenerarlo.

Al combinar un adsorbente con un refrigerante, los enfriadores de adsorción usan calor para brindar un efecto de enfriamiento. Este calor, en forma de agua caliente, puede provenir de diversas fuentes industriales, incluido el calor residual de los procesos industriales, el calor primario de las instalaciones solares térmicas o el calor de escape o de la camisa de agua de un motor de pistón o una turbina.

Aunque existen similitudes entre los enfriadores de adsorción y la refrigeración por absorción, el primero se basa en la interacción entre gases y sólidos. La cámara de adsorción del enfriador está llena de un material sólido (por ejemplo, zeolita, gel de sílice, alúmina, carbón activo o ciertos tipos de sales metálicas), que en su estado neutro ha absorbido el refrigerante. Cuando se calienta, el sólido desorbe (libera) vapor de refrigerante, que posteriormente se enfría y licua. Este refrigerante líquido luego proporciona un efecto de enfriamiento en el evaporador a partir de su entalpía de vaporización. En la etapa final, el vapor refrigerante se (re)adsorbe en el sólido. Como un enfriador de adsorción no requiere compresor, es relativamente silencioso.

Adsorción mediada por el sitio portal

La adsorción mediada por un sitio portal es un modelo para la adsorción selectiva de gas activado en sistemas catalíticos metálicos que contienen una variedad de sitios de adsorción diferentes. En tales sistemas, la falta de coordinación "borde y esquina" Los sitios similares a defectos pueden exhibir entalpías de adsorción significativamente más bajas que los sitios de alta coordinación (plano basal). Como resultado, estos sitios pueden servir como "portales" para una muy rápida adsorción al resto de la superficie. El fenómeno se basa en el "desbordamiento" efecto (descrito a continuación), donde ciertas especies adsorbidas exhiben una alta movilidad en algunas superficies. El modelo explica observaciones aparentemente inconsistentes de la termodinámica y cinética de adsorción de gas en sistemas catalíticos donde las superficies pueden existir en una variedad de estructuras de coordinación, y se ha aplicado con éxito a sistemas catalíticos bimetálicos donde se observa actividad sinérgica.

En contraste con el desbordamiento puro, la adsorción en el sitio del portal se refiere a la difusión superficial a los sitios de adsorción adyacentes, no a las superficies de soporte no adsorbentes.

El modelo parece haber sido propuesto por primera vez para el monóxido de carbono sobre platino sobre soporte de sílice por Brandt et al. (1993). King y colaboradores desarrollaron un modelo similar, pero independiente, para describir la adsorción de hidrógeno en catalizadores bimetálicos de rutenio, plata-rutenio y cobre-rutenio promovidos por álcali sobre soporte de sílice. El mismo grupo aplicó el modelo a la hidrogenación de CO (síntesis de Fischer-Tropsch). Zupanc et al. (2002) posteriormente confirmaron el mismo modelo para la adsorción de hidrógeno en catalizadores bimetálicos de cesio-rutenio soportados en magnesia. Trens et al. (2009) han descrito de manera similar la difusión superficial de CO en partículas de Pt soportadas por carbono de morfología variable.

Desbordamiento de adsorción

En el caso de sistemas catalíticos o adsorbentes donde una especie de metal se dispersa sobre un material de soporte (o portador) (a menudo óxidos casi inertes, como alúmina o sílice), es posible que una especie adsorbente se adsorba indirectamente en el superficie de soporte en condiciones en las que dicha adsorción es termodinámicamente desfavorable. La presencia del metal sirve como vía de menor energía para que las especies gaseosas se adsorban primero en el metal y luego se difundan en la superficie de soporte. Esto es posible porque la especie adsorbida alcanza un estado de menor energía una vez que se ha adsorbido en el metal, lo que reduce la barrera de activación entre la especie en fase gaseosa y la especie adsorbida en el soporte.

El derrame de hidrógeno es el ejemplo más común de derrame por adsorción. En el caso del hidrógeno, la adsorción suele ir acompañada de la disociación del hidrógeno molecular (H₂) en hidrógeno atómico (H), seguida del desbordamiento de los átomos de hidrógeno presentes.

El efecto de desbordamiento se ha utilizado para explicar muchas observaciones en catálisis y adsorción heterogéneas.

Adsorción de polímeros

La adsorción de moléculas en superficies de polímeros es fundamental para una serie de aplicaciones, incluido el desarrollo de recubrimientos antiadherentes y en diversos dispositivos biomédicos. Los polímeros también se pueden adsorber a las superficies a través de la adsorción de polielectrolitos.

Adsorción en virus

La adsorción es el primer paso en el ciclo de vida viral. Los próximos pasos son la penetración, el decapado, la síntesis (transcripción si es necesaria y traducción) y la liberación. El ciclo de replicación del virus, en este sentido, es similar para todos los tipos de virus. Factores como la transcripción pueden o no ser necesarios si el virus puede integrar su información genómica en el núcleo de la célula, o si el virus puede replicarse directamente dentro del citoplasma de la célula.

En la cultura popular

El juego de Tetris es un juego de rompecabezas en el que los bloques de 4 se adsorben en una superficie durante el juego. Los científicos han utilizado bloques de Tetris "como representación de moléculas con una forma compleja" y su "adsorción en una superficie plana" para el estudio de la termodinámica de las nanopartículas.