Adsorción

El modelo de adsorci�n multicapa de Brunauer, Emmett y Teller es una distribuci�n aleatoria de mol�culas en la superficie del material.

Definici�n de la IUPAC Incremento en la concentraci�n de una sustancia en la interfaz de un condensado y una capa l�quida o gaseosa debido a la operaci�n de las fuerzas de superficie. Nota 1: La adsorci�n de prote�nas es de gran importancia cuando un material est� en contacto con sangre o fluidos corporales. En el caso de sangre, alb�mina, la cual es ampliamente predominante, es generalmente primero adsorbida, y entonces el reordenamiento ocurre en favor de otras prote�nas menores acorde a la afinidad de la superficie frente a la selecci�n de la ley de masas (efecto Vroman). Nota 2: Las mol�culas adsorbidas son aquellas que son resistentes al lavado con el mismo medio disolvente en el caso de adsorci�n de soluciones. Las condiciones de lavado pueden as� modificar los resultados de la medici�n, particularmente cuando la energ�a de interacci�n es baja.​

La adsorci�n es la adhesi�n de �tomos, iones o mol�culas de un gas, l�quido o s�lido disuelto a una superficie.​ Este proceso crea una pel�cula de adsorbato en la superficie del adsorbente. Este proceso difiere de la absorci�n, en la que un fluido (el absorbente) se disuelve o penetra en un l�quido o s�lido (el absorbente), respectivamente.​ La adsorci�n es un fen�meno de superficie, mientras que la absorci�n involucra todo el volumen del material, aunque la adsorci�n a menudo precede a la absorci�n.​ El t�rmino sorci�n engloba ambos procesos, mientras que desorci�n es lo contrario.

Similar a la tensi�n superficial, la adsorci�n es una consecuencia de la energ�a superficial. En un material a granel, todos los requisitos de enlace (ya sean i�nicos, covalentes o met�licos) de los �tomos constituyentes del material est�n llenos de otros �tomos en el material. Sin embargo, los �tomos en la superficie del adsorbente no est�n completamente rodeados por otros �tomos adsorbentes y por lo tanto pueden atraer adsorbatos. La naturaleza exacta de la uni�n depende de los detalles de las especies involucradas, pero el proceso de adsorci�n generalmente se clasifica como fisisorci�n (caracter�stica de las fuerzas d�biles de van der Waals) o quimisorci�n (caracter�stica de la uni�n covalente). Tambi�n puede ocurrir debido a la atracci�n electrost�tica.​

La adsorci�n est� presente en muchos sistemas naturales, f�sicos, biol�gicos y qu�micos y se usa ampliamente en aplicaciones industriales como catalizadores heterog�neos,​​ carb�n activado, captura y uso de calor residual para proporcionar agua fr�a para el aire acondicionado y otros requisitos del proceso (enfriadores de adsorci�n), resinas sint�ticas, aumento de la capacidad de almacenamiento de carbonos derivados de carburo y purificaci�n de agua. La adsorci�n, el intercambio i�nico y la cromatograf�a son procesos de sorci�n en los que ciertos adsorbatos se transfieren selectivamente desde la fase fluida a la superficie de part�culas r�gidas insolubles suspendidas en un recipiente o empaquetadas en una columna. Aplicaciones de la industria farmac�utica, que utilizan la adsorci�n como medio para prolongar la exposici�n neurol�gica a f�rmacos espec�ficos o partes de los mismos, son menos conocidos.

La palabra "adsorci�n" fue acu�ada en 1881 por el f�sico alem�n Heinrich Kayser (1853-1940).​

Isotermas

Adsorci�n, donde hay part�culas de adsorbato y una superficie adsorbente.

La adsorci�n de gases y solutos generalmente se describe a trav�s de isotermas, es decir, la cantidad de adsorbato en el adsorbente en funci�n de su presi�n (si es gas) o concentraci�n (para solutos en fase l�quida) a temperatura constante. La cantidad adsorbida casi siempre est� normalizada por la masa del adsorbente para permitir la comparaci�n de diferentes materiales. Hasta la fecha, se han desarrollado 15 modelos de isotermas diferentes.​

Freundlich

El primer ajuste matem�tico a una isoterma fue publicado por Freundlich y Kuster (1906) y es una f�rmula puramente emp�rica para adsorbatos gaseosos:

${\frac {x}{m}}=kP^{1/n},$

donde $x$ es la masa de adsorbato adsorbido, $m$ es la masa del adsorbente, $P$ es la presión del adsorbato (esto se puede cambiar a concentración si se investiga una solución en lugar de un gas), y $k$ y $n$ son constantes empíricas para cada par de adsorbente-adsorbato a una temperatura dada. La función no es adecuada a una presión muy alta porque en realidad $x/m$ tiene un máximo asintótico a medida que la presión aumenta sin límite. A medida que aumenta la temperatura, las constantes $k$ y $n$ cambiar 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 semi-empírica con una base cinética y se derivó con base en 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 solo puede albergar 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, solo se forma una monocapa. La adsorción solo ocurre en sitios localizados en la superficie, no con otros adsorbatos.

Estas cuatro suposiciones rara vez son todas 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 la última. La cuarta condición es la más problemática, ya que con frecuencia se adsorberán más moléculas en la monocapa; este problema es abordado por 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 la cinética de la superficie (generalmente llamada cinética de Langmuir-Hinshelwood) y en la termodinámica.

Langmuir sugirió que la adsorción tiene lugar a través de este mecanismo: $A_{\text{g}}+S\rightleftharpoons AS$, 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₋. Si definimos la cobertura de la superficie, $\theta$, como la fracción de los sitios de adsorción ocupados, en el equilibrio tenemos:

$K={\frac {k}{k_{-1}}}={\frac {\theta }{(1-\theta )P}},$

o

$\theta ={\frac {KP}{1+KP}},$

donde $P$ es la presión parcial del gas o la concentración molar de la solución. Para presiones muy bajas $\theta \approx KP$, y para altas presiones $\theta \approx 1$.

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

${\frac {1}{v}}={\frac {1}{Kv_{\text{mon}}}}{\frac {1}{P}}+{\frac {1}{v_{\text{mon}}}}.$

A través de su pendiente y la intersección con 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 completa del sólido dividida en la sección transversal de las moléculas de adsorbato, podemos calcular fácilmente el área de superficie del adsorbente. La superficie de un adsorbente depende de su estructura: cuantos más poros tiene, mayor es el área, lo que tiene una gran influencia en las reacciones de las superficies.

Si más de un gas se adsorbe en la superficie, definimos $\theta _{E}$ como la fracción de sitios vacíos, y tenemos:

$\theta _{E}={\dfrac {1}{1+\sum _{i=1}^{n}K_{i}P_{i}}}.$

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

$\theta _{j}={\dfrac {K_{j}P_{j}}{1+\sum _{i=1}^{n}K_{i}P_{i}}},$

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

Notas:

1) Para elegir entre las ecuaciones de Langmuir y Freundlich, se deben investigar las entalpías de adsorción.​ Mientras que el modelo de Langmuir asume que la energía de adsorción permanece constante con la ocupación de la superficie, la ecuación de Freundlich se deriva con el 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.

BET

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 un modelo de isoterma que tiene en cuenta esa posibilidad. Su teoría se llama teoría BET, después de las iniciales de sus apellidos. Modificaron el mecanismo de Langmuir de la siguiente manera:

A _(g) + S ⇌ AS,

A _(g) + AS ⇌ A ₂ S,

A _(g) + A ₂ S ⇌ A ₃ S y así sucesivamente.

Isotermas de Langmuir (azul) y BET (rojo)

La derivación de la fórmula es más complicada que la de Langmuir (consulte los enlaces para obtener una derivación completa). Obtenemos:

${\frac {x}{v(1-x)}}={\frac {1}{v_{\text{mon}}c}}+{\frac {x(c-1)}{v_{\text{mon}}c}},$

donde x es la presión dividida por la presión de vapor para el adsorbato a esa temperatura (generalmente denotado $P/P_{0}$), v es el volumen STP de adsorbato adsorbido, v _mon es el volumen STP de la cantidad de adsorbato requerido para formar una monocapa y c es la constante de equilibrio K que usamos en la isoterma de Langmuir multiplicada por la presión de vapor del adsorbato. El supuesto clave utilizado para derivar la ecuación BET es que los sucesivos calores de adsorción para todas las capas excepto la primera 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 de superficies no microporosas.

Kisliuk

Dos moléculas de nitrógeno adsorbidas que se adsorben en un adsorbente de tungsteno del estado precursor alrededor de una isla de adsorbato previamente adsorbido (izquierda) y mediante adsorción aleatoria (derecha)

En otros casos, las interacciones moleculares entre moléculas de gas previamente adsorbidas en una superficie sólida forman interacciones significativas con 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 a los efectos del 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 que se produzca adsorción alrededor de las moléculas presentes en la superficie del sustrato, Kisliuk desarrolló la teoría del estado precursor, según la cual las moléculas entrarían en un estado precursor en la interfaz entre el adsorbente sólido y el adsorbato en la fase gaseosa. A partir de aquí, las moléculas de adsorbato se adsorberían al adsorbente o se desorbirían en la fase gaseosa. La probabilidad de que la adsorción se produzca a partir del estado precursor depende de la proximidad del adsorbato a otras moléculas de adsorbato que ya se han adsorbido. 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 tasa de k_ES. Si una molécula de adsorbato entra en el estado precursor en un lugar que está alejado de cualquier otras moléculas de adsorbato previamente adsorbidos, la probabilidad de que se pega se refleja por el tamaño de la constante S _D.

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

$k_{\text{E}}={\frac {S_{\text{E}}}{k_{\text{ES}}S_{\text{D}}}}.$

Como S_D está dictado por factores que se tienen en cuenta en el modelo de Langmuir, se puede suponer que S _D es la constante de velocidad de adsorción. Sin embargo, la constante de velocidad para el 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 monocapa 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 cobertura fraccional del adsorbente con adsorbato y t es el tiempo de inmersión:

${\frac {d\theta _{(t)}}{dt}}=R'(1-\theta )(1+k_{\text{E}}\theta ).$

Resolviendo para θ_(t) se obtiene:

$\theta _{(t)}={\frac {1-e^{-R'(1+k_{\text{E}})t}}{1+k_{\text{E}}e^{-R'(1+k_{\text{E}})t}}}.$

Entalpía de adsorción

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

$\left({\frac {\partial \ln K}{\partial {\frac {1}{T}}}}\right)_{\theta }=-{\frac {\Delta H}{R}}.$

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

$\Delta H_{\text{ads}}=\Delta H_{\text{liq}}-RT\ln c,$

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

Explicación de una sola molécula

La adsorción de un conjunto de moléculas 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 y la barrera de energía entre la molécula y la superficie. La difusión y los elementos clave de la tasa de adsorción se pueden calcular utilizando las leyes de difusión de Fick y la relación de Einstein (teoría cinética). La desorción de una molécula de la superficie depende de la energía de unión de la molécula a la superficie y de la temperatura.

Mecánica cuántica: modelado termodinámico para área de superficie y porosidad

Desde 1980 se trabajaron dos teorías para explicar la adsorción y obtener ecuaciones que funcionen. 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:

$\theta =(\chi -\chi _{c})U(\chi -\chi _{c})$

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

$\theta :=n_{ads}/n_{m}\quad ,\quad \chi :=-\ln {\bigl (}-\ln {\bigl (}P/P_{vap}{\bigr )}{\bigr )}$

donde "ads" significa "adsorbido", "m" significa "equivalencia de monocapa" y "vap" es una referencia 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 mediante:

$\chi _{c}=:-\ln {\bigl (}-E_{a}/RT{\bigr )}$

La trama de $n_{ads}$ adsorbido versus $\chi$ se conoce como la gráfica chi. Para superficies planas, la pendiente de la gráfica chi produce el área de superficie. Empíricamente, Polanyi​​ y también deBoer y Zwikker​ notaron que esta trama encajaba muy bien con la isoterma, pero no la siguieron. Esto se debió a las críticas en el primer caso de Einstein y en el segundo de Brunauer. Esta ecuación de superficie plana puede usarse como una "curva estándar" en la tradición normal de curvas de comparación, con la excepción de que la parte inicial de la muestra porosa de la gráfica de $n_{ads}$ versus $\chi$ actúa como un estándar propio. Las condiciones ultramicroporosas, microporosas y mesoporosas pueden analizarse utilizando esta técnica. Las desviaciones estándar típicas para ajustes de isotermas completos, incluidas las muestras porosas, suelen ser inferiores al 2 %.

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

Adsorbentes

Caracter�sticas y requisitos generales

El carb�n activado se utiliza como adsorbente.

Los adsorbentes se utilizan generalmente en forma de gr�nulos esf�ricos, varillas, molduras o monolitos con un radio hidrodin�mico entre 0,25 y 5 mm. Deben tener una alta resistencia a la abrasi�n, alta estabilidad t�rmica y peque�os di�metros de poro, lo que da como resultado una mayor superficie expuesta y, por lo tanto, una alta capacidad de adsorci�n. Los adsorbentes tambi�n deben tener una estructura de poros distinta que permita el transporte r�pido de los vapores gaseosos.

La mayor�a de los adsorbentes industriales se dividen en tres clases:

• Compuestos que contienen ox�geno: son t�picamente hidr�filos y polares, incluidos materiales como gel de s�lice y zeolitas.
• Compuestos a base de carbono: suelen ser hidr�fobos y no polares, incluidos materiales como el carb�n activado y el grafito.
• Compuestos a base de pol�meros: son polares o no polares, seg�n los grupos funcionales de la matriz del pol�mero.

Gel de s�lice

Adsorbedor de gel de s�lice para NO₂, laboratorio de investigaci�n de nitr�geno fijo, alrededor de 1930

El gel de s�lice es qu�micamente inerte, no t�xico, polar y dimensionalmente estable (< 400 grados Celsius (752 �F) ) forma amorfa de SiO₂. Se prepara mediante la reacci�n entre silicato de sodio y �cido ac�tico, a la que sigue una serie de procesos de postratamiento como envejecimiento, decapado, etc. Estos m�todos de postratamiento dan como resultado varias distribuciones de tama�o de poro.

La s�lice se utiliza para secar el aire de proceso (por ejemplo, ox�geno, gas natural) y adsorber hidrocarburos pesados (polares) del gas natural.

Zeolitas

Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos naturales o sint�ticos, que tienen una red de poros repetidos y liberan agua a alta temperatura. Las zeolitas son de naturaleza polar.

Se fabrican mediante s�ntesis hidrotermal de aluminosilicato de sodio u otra fuente de s�lice en un autoclave seguido de intercambio i�nico con ciertos cationes (Na⁺, Li⁺, Ca²⁺, K⁺, NH₄⁺). El di�metro del canal de las jaulas de zeolita suele oscilar entre 2 y 9 �. El proceso de intercambio i�nico va seguido del secado de los cristales, que pueden granularse con un aglutinante para formar gr�nulos macroporosos.

Las zeolitas se aplican en el secado de aire de proceso, eliminaci�n de CO₂ del gas natural, eliminaci�n de CO del gas de reformado, separaci�n de aire, craqueo catal�tico y s�ntesis y reformado catal�tico.

Las zeolitas no polares (sil�ceas) se sintetizan a partir de fuentes de s�lice sin aluminio o mediante desaluminaci�n de zeolitas que contienen aluminio. El proceso de desaluminaci�n se realiza tratando la zeolita con vapor a temperaturas elevadas, t�picamente superiores a 500 grados Celsius (932 �F). Este tratamiento t�rmico a alta temperatura rompe los enlaces aluminio-ox�geno y el �tomo de aluminio es expulsado de la estructura de la zeolita.

Carb�n activado

El carb�n activado es un s�lido amorfo muy poroso que consta de microcristalitos con una red de grafito, generalmente preparado en peque�os gr�nulos o en polvo. Es no polar y barato. Uno de sus principales inconvenientes es que reacciona con el ox�geno a temperaturas moderadas (m�s de 300 �C).

Isoterma de nitr�geno de carb�n activado que muestra un marcado comportamiento microporoso de tipo I

El carb�n activado se puede fabricar a partir de material carbonoso, incluido carb�n (bituminoso, subbituminoso y lignito), turba, madera o c�scaras de nueces (por ejemplo, coco). El proceso de fabricaci�n consta de dos fases, carbonizaci�n y activaci�n.​ El proceso de carbonizaci�n incluye el secado y luego el calentamiento para separar los subproductos, incluidos los alquitranes y otros hidrocarburos de la materia prima, as� como para expulsar los gases generados. El proceso se completa calentando el material a m�s de 400 grados Celsius (752 �F) en una atm�sfera libre de ox�geno que no puede soportar la combusti�n. Las part�culas carbonizadas se "activan" exponi�ndolas a un agente oxidante, normalmente vapor o di�xido de carbono a alta temperatura. Este agente quema las estructuras de bloqueo de poros creadas durante la fase de carbonizaci�n y, por lo tanto, desarrollan una estructura reticular de grafito tridimensional y porosa. El tama�o de los poros que se desarrollan durante la activaci�n es funci�n del tiempo que pasan en esta etapa. Los tiempos de exposici�n m�s largos dan como resultado tama�os de poro m�s grandes. Los carbones de fase acuosa m�s populares son de base bituminosa debido a su dureza, resistencia a la abrasi�n, distribuci�n del tama�o de los poros y bajo costo, pero su efectividad debe probarse en cada aplicaci�n para determinar el producto �ptimo.

El carb�n activado se utiliza para la adsorci�n de sustancias org�nicas​ y adsorbatos no polares y tambi�n se suele utilizar para el tratamiento de gases residuales (y aguas residuales). Es el adsorbente m�s utilizado, ya que la mayor�a de sus propiedades qu�micas (por ejemplo, grupos de superficie) y f�sicas (por ejemplo, distribuci�n del tama�o de los poros y �rea de la superficie) se pueden ajustar de acuerdo con lo que se necesite. Su utilidad tambi�n se deriva de su gran volumen de microporos (ya veces mesoporos) y la gran superficie resultante.

Adsorci�n de agua

La adsorci�n de agua en las superficies es de gran importancia en la ingenier�a qu�mica, la ciencia de los materiales y la cat�lisis. Tambi�n denominada hidrataci�n de la superficie, la presencia de agua adsorbida f�sica o qu�micamente en las superficies de los s�lidos juega un papel importante en el control de las propiedades de la interfaz, las v�as de reacci�n qu�mica y el desempe�o catal�tico en una amplia gama de sistemas. En el caso del agua adsorbida f�sicamente, la hidrataci�n de la superficie se puede eliminar simplemente mediante el secado en condiciones de temperatura y presi�n que permitan la vaporizaci�n total del agua. Para el agua adsorbida qu�micamente, la hidrataci�n puede ser en forma de adsorci�n disociativa, donde las mol�culas de H₂O se disocian en -H y -OH adsorbidas en la superficie, o adsorci�n molecular (adsorci�n asociativa) donde las mol�culas de agua individuales permanecen intactas​

Calefacci�n y almacenamiento solar por adsorci�n

El bajo costo ($ 200/tonelada) y la alta tasa de ciclo (2,000 �) de las zeolitas sint�ticas como Linde 13X con adsorbato de agua han ganado mucho inter�s acad�mico y comercial recientemente para su uso para almacenamiento de energ�a t�rmica (TES), espec�ficamente de energ�a solar de bajo grado de desperdicio de calor. Se han financiado varios proyectos piloto en la UE desde 2000 hasta el 2020. El concepto b�sico es almacenar energ�a solar t�rmica como energ�a qu�mica latente en la zeolita. Normalmente, se hace que el aire seco caliente de los colectores solares de placa plana fluya a trav�s de un lecho de zeolita de manera que se elimine cualquier adsorbato de agua presente. El almacenamiento puede ser diurno, semanal, mensual o incluso estacional seg�n el volumen de zeolita y el �rea de los paneles solares t�rmicos. Cuando se necesita calor durante la noche, las horas sin sol o el invierno, el aire humidificado fluye a trav�s 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 espec�fico de zeolitas, fue ense�ada por Guerra por primera vez en 1978.​

Captura y almacenamiento de carbono

Los adsorbentes t�picos propuestos para la captura y almacenamiento de carbono son zeolitas y MOF.​ La personalizaci�n de los adsorbentes los convierte en una alternativa potencialmente atractiva a la absorci�n. Debido a que los adsorbentes se pueden regenerar por cambios de temperatura o presi�n, este paso puede requerir menos energ�a que los m�todos de regeneraci�n por absorci�n.​ Los principales problemas que est�n presentes con el costo de adsorci�n en la captura de carbono son: regeneraci�n del adsorbente, relaci�n de masa, solvente/MOF, costo del adsorbente, producci�n del adsorbente, vida �til del adsorbente.​

Adsorci�n de prote�nas y tensoactivos

La adsorci�n de prote�nas es un proceso que tiene un papel fundamental en el campo de los biomateriales. De hecho, las superficies de biomateriales en contacto con medios biol�gicos, como sangre o suero, se recubren inmediatamente de prote�nas. Por tanto, las c�lulas vivas no interact�an directamente con la superficie del biomaterial, sino con la capa de prote�nas adsorbidas. Esta capa de prote�na media la interacci�n entre biomateriales y c�lulas, traduciendo las propiedades f�sicas y qu�micas de los biomateriales a un "lenguaje biol�gico".​ De hecho, los receptores de la membrana celular se unen a los sitios bioactivos de la capa de prote�na y estos eventos de uni�n del receptor a la prote�na se transducen, a trav�s de la membrana celular, de una manera que estimula procesos intracelulares espec�ficos que luego determinan la adhesi�n, forma, crecimiento y diferenciaci�n celular. La adsorci�n de prote�nas est� influenciada por muchas propiedades de la superficie, como la humectabilidad de la superficie, la composici�n qu�mica de la superficie​ y la morfolog�a de la superficie a escala nanom�trica.​ La adsorci�n de surfactante es un fen�meno similar, pero utiliza mol�culas de surfactante en lugar de prote�nas.​

Enfriadores de adsorci�n

Un diagrama esquem�tico de un enfriador de adsorci�n: (1) el calor se pierde por evaporaci�n del refrigerante, (2) el vapor de refrigerante se adsorbe en el medio s�lido, (3) el refrigerante se desorbe de la secci�n del medio s�lido que no est� en uso, (4) refrigerante se condensa y se devuelve al inicio, (5) y (6) el medio s�lido se cicla entre la adsorci�n y la desorci�n para regenerarlo.

Al combinar un adsorbente con un refrigerante, los enfriadores de adsorci�n utilizan calor para proporcionar un efecto de enfriamiento. Este calor, en forma de agua caliente, puede provenir de cualquier n�mero de fuentes industriales, incluido el calor residual de los procesos industriales, el calor primario de las instalaciones t�rmicas solares o del calor de escape o de la camisa de agua de un motor de pist�n o turbina.

Aunque existen similitudes entre los enfriadores de adsorci�n y la refrigeraci�n por absorci�n, el primero se basa en la interacci�n entre gases y s�lidos. La c�mara de adsorci�n del enfriador est� llena de un material s�lido (por ejemplo, zeolita, gel de s�lice, al�mina, carb�n activo o ciertos tipos de sales met�licas), que en su estado neutro ha adsorbido el refrigerante. Cuando se calienta, el s�lido desorbe (libera) vapor refrigerante, que posteriormente se enfr�a y lic�a. Este refrigerante l�quido proporciona un efecto de enfriamiento en el evaporador a partir de su entalp�a de vaporizaci�n. En la etapa final, el vapor refrigerante se (re)adsorbe en el s�lido.​ Como un enfriador de adsorci�n no requiere compresor, es relativamente silencioso.

Adsorci�n mediada por el sitio del portal

La adsorci�n mediada por el sitio del portal es un modelo para la adsorci�n de gas activado selectivo del sitio en sistemas catal�ticos met�licos que contienen una variedad de sitios de adsorci�n diferentes. En tales sistemas, los sitios similares a defectos de "borde y esquina" de baja coordinaci�n pueden exhibir entalp�as de adsorci�n significativamente m�s bajas que los sitios de alta coordinaci�n (plano basal). Como resultado, estos sitios pueden servir como "portales" para una adsorci�n muy r�pida al resto de la superficie. El fen�meno se basa en el efecto de "desbordamiento" com�n (descrito a continuaci�n), en el que ciertas especies adsorbidas exhiben una gran movilidad en algunas superficies. El modelo explica observaciones aparentemente inconsistentes de la termodin�mica y cin�tica de adsorci�n de gas en sistemas catal�ticos donde las superficies pueden existir en una variedad de estructuras de coordinaci�n, y se ha aplicado con �xito a sistemas catal�ticos bimet�licos donde se observa actividad sin�rgica.

En contraste con el derrame puro, la adsorci�n en el sitio portal se refiere a la difusi�n de la superficie a los sitios de adsorci�n adyacentes, no a las superficies de soporte no adsorbentes.

El modelo parece haber sido propuesto por primera vez para el mon�xido de carbono en platino con soporte de s�lice por Brandt et al. (1993).​ King y colaboradores​​​ desarrollaron un modelo similar, pero independiente, para describir la adsorci�n de hidr�geno en catalizadores bimet�licos de rutenio, plata-rutenio y cobre-rutenio promovidos por �lcalis. El mismo grupo aplic� el modelo a la hidrogenaci�n de CO (s�ntesis de Fischer-Tropsch).​ Zupanc y col. (2002) posteriormente confirmaron el mismo modelo para la adsorci�n de hidr�geno en catalizadores bimet�licos de cesio-rutenio soportados por magnesia.​ Trens y col. (2009) han descrito de manera similar la difusi�n de CO en la superficie en part�culas de Pt soportadas por carbono de morfolog�a variable.​

Derrame de adsorci�n

En el caso de sistemas catal�ticos o adsorbentes en los que una especie de metal se dispersa sobre un material de soporte (o portador) (a menudo �xidos cuasi-inertes, como al�mina o s�lice), es posible que una especie adsorbente adsorba indirectamente a la superficie del soporte debajo condiciones en las que dicha adsorci�n es termodin�micamente desfavorable. La presencia del metal sirve como una v�a de menor energ�a 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 energ�a m�s bajo una vez que se ha adsorbido al metal, disminuyendo as� la barrera de activaci�n entre la especie en fase gaseosa y la especie adsorbida por soporte.

El derrame de hidr�geno es el ejemplo m�s com�n de un derrame por adsorci�n. En el caso del hidr�geno, la adsorci�n suele ir acompa�ada de la disociaci�n del hidr�geno molecular (H₂) en hidr�geno at�mico (H), seguida de un desbordamiento de los �tomos de hidr�geno presentes.

El efecto de derrame se ha utilizado para explicar muchas observaciones en cat�lisis y adsorci�n heterog�neas.​

Adsorci�n de pol�meros

La adsorci�n de mol�culas en las superficies de los pol�meros es fundamental para una serie de aplicaciones, incluido el desarrollo de revestimientos antiadherentes y en varios dispositivos biom�dicos. Los pol�meros tambi�n se pueden adsorber a las superficies mediante la adsorci�n de polielectrolitos.

Adsorci�n en virus

La adsorci�n es el primer paso en el ciclo de vida viral. Los siguientes pasos son la penetraci�n, el desencubrimiento, la s�ntesis (transcripci�n si es necesario y traducci�n) y la liberaci�n. El ciclo de replicaci�n del virus, a este respecto, es similar para todos los tipos de virus. Factores como la transcripci�n pueden ser necesarios o no si el virus es capaz de integrar su informaci�n gen�mica en el n�cleo de la c�lula, o si el virus puede replicarse directamente dentro del citoplasma de la c�lula.

En la cultura popular

El juego de Tetris es un juego de rompecabezas en el que bloques de 4 se adsorben en una superficie durante el juego. Los cient�ficos han utilizado bloques de Tetris "como proxy de mol�culas con una forma compleja" y su "adsorci�n en una superficie plana" para estudiar la termodin�mica de nanopart�culas.​​

V�ase tambi�n

• Adatom
• Crio-adsorci�n
• Interferometr�a de polarizaci�n dual
• Concentrador de lecho fluidizado
• Microscopio de fuerza de sonda Kelvin
• Micromeritics
• Tamiz molecular
• Adsorción de Polanyi
• Adsorción por oscilación de presión
• Adsorción secuencial aleatoria

Otras lecturas

• Brandt, R. K.; Hughes, M. R.; Bourget, L. P.; Truszkowska, K.; Greenler, R. G. (1993). «The interpretation of CO adsorbed on Pt/SiO₂ of two different particle-size distributions». Surface Science (en inglés) 286 (1–2): 15-25. Bibcode:1993SurSc.286...15B. doi:10.1016/0039-6028(93)90552-U. 

• Kisliuk, P. (1957). «The sticking probabilities of gases chemisorbed on the surfaces of solids». Journal of Physics and Chemistry of Solids (en inglés) 3 (1–2): 95-101. Bibcode:1957JPCS....3...95K. doi:10.1016/0022-3697(57)90054-9. 

• Narayan, R. L.; King, T. S. (1998). «Hydrogen adsorption states on silica-supported Ru-Ag and Ru-Cu bimetallic catalysts investigated via microcalorimetry». Thermochimica Acta (en inglés) 312 (1–2): 105-114. doi:10.1016/S0040-6031(97)00444-9. 

• Rozanov, V. V.; Krylov, O. V. (1997). «Hydrogen spillover in heterogeneous catalysis». Russian Chemical Reviews (en inglés) 66 (2): 107-119. Bibcode:1997RuCRv..66..107R. doi:10.1070/RC1997v066n02ABEH000308. 

• Czepirski, L.; Balys, M. R.; Komorowska-Czepirska, E. (2000). «Some generalization of Langmuir adsorption isotherm». Internet Journal of Chemistry 3 (14). ISSN 1099-8292. Archivado desde el original el 13 de enero de 2017. Consultado el 10 de enero de 2017. 

• Trens, P.; Durand, R.; Coq, B.; Coutanceau, C.; Rousseau, S.; Lamy, C. (2009). «Poisoning of Pt/C catalysts by CO and its consequences over the kinetics of hydrogen chemisorption». Applied Catalysis B: Environmental (en inglés) 92 (3–4): 280-284. doi:10.1016/j.apcatb.2009.08.004. 

• Uner, D. O.; Savargoankar, N.; Pruski, M.; King, T. S. (1997). «The effects of alkali promoters on the dynamics of hydrogen chemisorption and syngas reaction kinetics on Ru/SiO₂ catalysts». Studies in Surface Science and Catalysis. Studies in Surface Science and Catalysis (en inglés) 109: 315-324. ISBN 9780444826091. doi:10.1016/S0167-2991(97)80418-1. 

• Uner, D. O. (1998). «A sensible mechanism of alkali promotion in Fischer Tropsch synthesis:Adsorbate mobilities». Industrial and Engineering Chemistry Research (en inglés) 37 (6): 2239-2245. doi:10.1021/ie970696d. 

• VanderWiel, D. P.; Pruski, M.; King, T. S. (1999). «A Kinetic Study of the Adsorption and Reaction of Hydrogen on Silica-Supported Ruthenium and Silver-Ruthenium Bimetallic Catalysts during the Hydrogenation of Carbon Monoxide». Journal of Catalysis (en inglés) 188 (1): 186-202. doi:10.1006/jcat.1999.2646. 

• Zupanc, C.; Hornung, A.; Hinrichsen, O.; Muhler, M. (2002). «The Interaction of Hydrogen with Ru/MgO Catalysts». Journal of Catalysis (en inglés) 209 (2): 501-514. doi:10.1006/jcat.2002.3647. 

Enlaces externos

• Derivation of Langmuir and BET isotherms, at JHU.edu
• Carbon Adsorption, at MEGTEC.com

• Datos: Q180254
• Multimedia: Adsorption / Q180254