Adsorción para niños

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

No debe confundirse con absorción.

La adsorción es la adhesión de átomos, iones o moléculas de un gas, líquido o sólido disuelto a una superficie. Este proceso crea una película de adsorbato en la superficie del adsorbente. Este proceso difiere de la absorción, en la que un fluido (el absorbente) se disuelve o penetra en un líquido o sólido (el absorbente), respectivamente. La adsorción es un fenómeno de superficie, 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.

Similar a 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 están llenos de 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 de la unión 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 de la unión covalente). También puede ocurrir debido a la atracción electrostática.

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 carbonos derivados de carburo y purificación de agua. 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 insolubles suspendidas en un recipiente o empaquetadas en una columna. 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 conocidos.

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

Isotermas

Adsorción, donde hay partículas de adsorbato y una superficie adsorbente.

La adsorción de gases y solutos generalmente se describe a través de 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 está normalizada por la masa del adsorbente para permitir la comparación de diferentes materiales. Hasta la fecha, se han desarrollado 15 modelos de isotermas diferentes.

Lineal

Artículo principal: Constante de adsorción de Henry

Freundlich

Artículo principal: Isoterma de Freundlich

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

Todos los sitios de adsorción son equivalentes y cada sitio solo puede albergar una molécula.
La superficie es energéticamente homogénea y las moléculas adsorbidas no interactúan.
No hay transiciones de fase.
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},

\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

Características y requisitos generales

El carbón activado se utiliza como adsorbente.

Los adsorbentes se utilizan generalmente en forma de gránulos esféricos, varillas, molduras o monolitos con un radio hidrodinámico entre 0,25 y 5 mm. Deben tener una alta resistencia a la abrasión, alta estabilidad térmica y pequeños diámetros de poro, lo que da como resultado una mayor 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 dividen en tres clases:

Compuestos que contienen oxígeno: son típicamente hidrófilos y polares, incluidos materiales como gel de sílice y zeolitas.
Compuestos a base de carbono: suelen ser hidrófobos y no polares, incluidos materiales como el carbón activado y el grafito.
Compuestos a base de polímeros: son polares o no polares, según los grupos funcionales de la matriz del polímero.

Gel de sílice

Adsorbedor de gel de sílice para NO₂, laboratorio de investigación de nitrógeno fijo, alrededor de 1930

El gel de sílice es químicamente inerte, no tóxico, polar y dimensionalmente estable (< 400 grados Celsius (752 °F) ) forma amorfa de SiO₂. Se prepara mediante la reacción entre silicato de sodio y ácido acético, a la que sigue una serie de procesos de postratamiento como envejecimiento, decapado, etc. Estos métodos de postratamiento dan como resultado varias distribuciones de tamaño de poro.

La sílice se utiliza para secar el aire de proceso (por ejemplo, oxígeno, gas natural) y adsorber hidrocarburos pesados (polares) del gas natural.

Zeolitas

Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos naturales o sintéticos, que tienen una red de poros repetidos 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 un autoclave seguido de intercambio iónico con ciertos 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 iónico va seguido del secado de los cristales, que pueden granularse con un aglutinante para formar gránulos macroporosos.

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

Las zeolitas no polares (silíceas) se sintetizan a partir de fuentes de sílice sin aluminio o mediante desaluminación de zeolitas que contienen aluminio. El proceso de desaluminación se realiza tratando la zeolita con vapor a temperaturas elevadas, típicamente superiores a 500 grados Celsius (932 °F). Este tratamiento térmico a alta temperatura rompe los enlaces aluminio-oxígeno y el átomo de aluminio es expulsado de la estructura de la zeolita.

Carbón activado

El carbón activado es un sólido amorfo muy 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 (más de 300 °C).

Isoterma de nitrógeno de carbón activado que muestra un marcado comportamiento microporoso de tipo I

El carbón activado se puede fabricar a partir de material carbonoso, incluido carbón (bituminoso, subbituminoso y lignito), turba, madera o cáscaras de nueces (por ejemplo, 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 expulsar los gases generados. El proceso se completa calentando el material a más de 400 grados Celsius (752 °F) en una atmósfera libre de oxígeno que no puede soportar la combustión. Las partículas carbonizadas se "activan" exponiéndolas a un agente oxidante, normalmente 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 reticular de grafito tridimensional y porosa. El tamaño de los poros que se desarrollan 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 su efectividad debe probarse 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 se suele utilizar para el tratamiento de gases residuales (y aguas residuales). Es el adsorbente más utilizado, ya que la mayoría de sus propiedades químicas (por ejemplo, grupos de superficie) y físicas (por ejemplo, distribución del tamaño de los poros y área de la superficie) se pueden ajustar de acuerdo con lo que se necesite. Su utilidad también se deriva de su gran volumen de microporos (ya veces mesoporos) y la gran superficie resultante.

Adsorción de agua

La adsorción de agua en las superficies es de gran importancia en la ingeniería química, la ciencia de los materiales y la catálisis. También denominada hidratación de la superficie, 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 la interfaz, las vías de reacción química y el desempeño 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 permanecen intactas

Calefacción y almacenamiento solar por adsorción

El bajo costo ($ 200/tonelada) y la alta tasa de ciclo (2,000 ×) de las zeolitas sintéticas como Linde 13X con adsorbato de agua han ganado mucho interés académico y comercial recientemente para su uso para almacenamiento de energía térmica (TES), específicamente de energía solar de bajo grado de desperdicio de calor. Se han financiado varios proyectos piloto en la UE desde 2000 hasta el 2020. El concepto básico es almacenar energía solar térmica como energía química latente en la zeolita. Normalmente, se hace que el aire seco caliente de los colectores solares de placa plana fluya a través 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 según el volumen de zeolita y el área de los paneles solares térmicos. Cuando se necesita 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 Guerra por primera vez en 1978.

Captura y almacenamiento de carbono

Los adsorbentes típicos propuestos para la captura y almacenamiento de carbono son zeolitas y 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 requerir 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, relación de masa, solvente/MOF, costo del adsorbente, producción del adsorbente, vida útil del adsorbente.

Adsorción de proteínas y tensoactivos

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 de proteínas. Por 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 biomateriales y células, traduciendo las propiedades físicas y químicas de los biomateriales a un "lenguaje biológico". De hecho, los receptores de la membrana celular se unen a los sitios bioactivos de la capa de proteína y estos eventos de unión del receptor a la proteína 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.

Enfriadores de adsorción

Un diagrama esquemático de un enfriador de adsorción: (1) el calor se pierde por evaporación del refrigerante, (2) el vapor de refrigerante se adsorbe en el medio sólido, (3) el refrigerante se desorbe de la sección del medio sólido que no está en uso, (4) refrigerante se condensa y se devuelve al inicio, (5) y (6) el medio sólido se cicla entre la adsorción y la desorción para regenerarlo.

Al combinar un adsorbente con un refrigerante, los enfriadores de adsorción utilizan calor para proporcionar un efecto de enfriamiento. Este calor, en forma de agua caliente, puede provenir de cualquier número de fuentes industriales, incluido el calor residual de los procesos industriales, el calor primario de las instalaciones térmicas solares o del calor de escape o de la camisa de agua de un motor de pistón o 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 adsorbido el refrigerante. Cuando se calienta, el sólido desorbe (libera) vapor refrigerante, que posteriormente se enfría y licúa. Este refrigerante líquido 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 del portal

La adsorción mediada por el sitio del portal es un modelo para la adsorción de gas activado selectivo del sitio en sistemas catalíticos metálicos que contienen una variedad de sitios de adsorción diferentes. En tales sistemas, los sitios similares a defectos de "borde y esquina" de baja coordinación 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 adsorción muy rápida al resto de la superficie. El fenómeno se basa en el efecto de "desbordamiento" común (descrito a continuación), en el que ciertas especies adsorbidas exhiben una gran 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 derrame puro, la adsorción en el sitio portal se refiere a la difusión de la superficie 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 en platino con 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 álcalis. El mismo grupo aplicó el modelo a la hidrogenación de CO (síntesis de Fischer-Tropsch). Zupanc y col. (2002) posteriormente confirmaron el mismo modelo para la adsorción de hidrógeno en catalizadores bimetálicos de cesio-rutenio soportados por magnesia. Trens y col. (2009) han descrito de manera similar la difusión de CO en la superficie en partículas de Pt soportadas por carbono de morfología variable.

Derrame de adsorción

En el caso de sistemas catalíticos o adsorbentes en los que una especie de metal se dispersa sobre un material de soporte (o portador) (a menudo óxidos cuasi-inertes, como alúmina o sílice), es posible que una especie adsorbente adsorba indirectamente a la superficie del soporte debajo condiciones en las que dicha adsorción es termodinámicamente desfavorable. La presencia del metal sirve como una 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 energía más bajo una vez que se ha adsorbido al metal, disminuyendo así la barrera de activación entre la especie en fase gaseosa y la especie adsorbida por soporte.

El derrame de hidrógeno es el ejemplo más común de un 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 de un desbordamiento de los átomos de hidrógeno presentes.

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

Adsorción de polímeros

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

Adsorción en virus

La adsorción es el primer paso en el ciclo de vida viral. Los siguientes pasos son la penetración, el desencubrimiento, la síntesis (transcripción si es necesario y traducción) y la liberación. El ciclo de replicación del virus, a este respecto, es similar para todos los tipos de virus. Factores como la transcripción pueden ser necesarios o no si el virus es capaz de 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 bloques de 4 se adsorben en una superficie durante el juego. Los científicos han utilizado bloques de Tetris "como proxy de moléculas con una forma compleja" y su "adsorción en una superficie plana" para estudiar la termodinámica de nanopartículas.

Véase también

En inglés: Adsorption Facts for Kids

Adatom
Crio-adsorción
Interferometría de polarización 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.

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