Separaciones Difusionales: Principios y Aplicaciones

Las separaciones denominadas difusionales se utilizan para la separación de los componentes de una mezcla y se basan en la mayor difusión de un componente desde una fase homogénea a otra. Se entiende por difusión el movimiento de un componente a través de una mezcla, debido a un estímulo físico. La principal causa de la difusión es la existencia de una diferencia de concentración del componente que difunde, que tiende a igualar la concentración en las dos fases.

Absorción

La absorción consiste en la disolución selectiva de uno o más componentes de una mezcla gaseosa en un líquido. En algunos casos, se utiliza para la separación de gases mezclados mediante la absorción preferencial de uno de ellos en el líquido. Esta operación unitaria tiene cierta similitud con la extracción, la rectificación y la adsorción. La operación contraria, la liberación del gas disuelto, se denomina desorción.

Generalmente, los gases suelen ser muy poco solubles en agua u otros disolventes comunes. Sin embargo, para gases que reaccionan químicamente con el disolvente (como HCl, NH₃), su solubilidad es considerablemente elevada.

Principios de la Absorción

Ley de Henry

Los gases se disuelven en mayor o menor grado en los líquidos, y su solubilidad depende de la naturaleza del gas, el tipo de líquido absorbente, la temperatura y la presión. La solubilidad de un gas típicamente aumenta con la presión y disminuye con la temperatura.

La expresión que relaciona la concentración del gas en la disolución con su presión parcial en la fase gaseosa en equilibrio es la Ley de Henry:

C = K • p

Donde C es la concentración del gas en la disolución, p es la presión parcial del gas en la fase gaseosa, y K es la constante de Henry, que depende de la temperatura y del sistema gas-líquido.

Coeficiente de Absorción

La solubilidad de un gas también se puede expresar mediante su coeficiente de absorción, que se define como el volumen de gas (medido en condiciones normales de presión y temperatura) que se disuelve en 1 litro de líquido a una temperatura específica y una presión parcial determinada del gas.

Equipos de Absorción

Torres de Absorción en el Laboratorio

En el laboratorio, se utilizan dispositivos como columnas de burbujeo o pequeñas torres empacadas. Son de gran utilidad tanto para el lavado de gases como para la absorción a pequeña escala. Su eficacia radica en el buen contacto que se logra entre el gas y el líquido, a menudo circulando en contracorriente.

Torres de Absorción Industriales (Torres de Relleno)

Estas columnas, también denominadas columnas de relleno o torres de relleno (packed towers en inglés), son el tipo principal de instalación utilizado para el contacto continuo gas-líquido a escala industrial.

Consisten en una columna vertical, repleta de un material de relleno (empaque), sobre el cual desciende el líquido disolvente. El relleno distribuye el líquido, proporcionando una gran superficie de contacto interfacial entre la fase líquida descendente y la fase gaseosa que asciende en contracorriente desde la parte inferior de la columna.

Cuanto mayor sea la altura del relleno en la columna, mayor será el tiempo de contacto y la superficie disponible para la transferencia de masa del gas al líquido y, por tanto, mayor será el grado de absorción que se pueda alcanzar.

Rellenos para Torres de Absorción

Las torres empacadas o de relleno, utilizadas para el contacto continuo líquido-gas (tanto en flujo a contracorriente como en paralelo), son columnas verticales que contienen un material denominado relleno (o empaque).

El líquido se distribuye sobre la parte superior del relleno y escurre hacia abajo a través del lecho empacado, exponiendo una gran superficie al contacto con el gas.

Características Deseables del Relleno

El relleno de la torre debe ofrecer las siguientes características:

1. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas por unidad de volumen de la torre.
2. Poseer buenas características de flujo de fluidos. Esto implica un gran volumen de fracción de espacio vacío (porosidad) en el lecho empacado, permitiendo el paso de grandes volúmenes de fluido con baja caída de presión.
3. Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando.
4. Ser estructuralmente fuerte para permitir un fácil manejo, instalación y soportar el peso del lecho.
5. Tener un bajo coste.

Tipos de Rellenos

Los rellenos son principalmente de dos tipos: aleatorios y regulares (o estructurados).

1. Rellenos Aleatorios (Random Packing)

Son piezas individuales que se vierten o arrojan en la torre durante la instalación, quedando dispuestas de forma aleatoria. En el pasado se utilizaron materiales fácilmente obtenibles como piedras rotas, grava o pedazos de coque. Aunque baratos, estos materiales no son óptimos debido a su pequeña superficie específica, malas características de flujo y potencial falta de inercia química.

Ejemplos modernos incluyen anillos (como los anillos Raschig, Pall) y sillas (como las sillas Berl, Intalox), fabricados en cerámica, metal o plástico.

2. Rellenos Regulares o Estructurados (Structured Packing)

Estos rellenos consisten en estructuras geométricas diseñadas específicamente (láminas corrugadas, mallas, etc.) que se ensamblan y colocan ordenadamente dentro de la torre. Ofrecen ventajas como una menor caída de presión para el gas y una mayor capacidad de flujo (flujo másico por unidad de área) en comparación con los rellenos aleatorios para una eficiencia similar. Sin embargo, su instalación y coste suelen ser mayores.

Ejemplos Específicos de Rellenos (Principalmente Aleatorios):

• Anillos Raschig: Cilindros huecos de igual altura que diámetro (pequeños trozos de tubo). Pueden ser de cerámica, metal, vidrio o plástico. Se colocan de forma aleatoria en la torre.
• Sillas de Montar (Saddles): Piezas con forma de silla de montar (ej. Berl, Intalox). Generalmente de cerámica o plástico. Ofrecen mejor eficiencia y menor caída de presión que los anillos Raschig, pero suelen ser más caros.

Soportes del Relleno

Es necesario un espacio abierto en el fondo de la torre para asegurar una buena distribución inicial del gas en el relleno. El lecho de relleno descansa sobre una parrilla o plato soporte. Este soporte debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso de todo el relleno (y el líquido retenido); debe tener un área libre suficientemente amplia para permitir el flujo del líquido y del gas con una mínima restricción o caída de presión.

Cuerpo de la Torre

La carcasa o cuerpo de la torre puede construirse con diversos materiales, seleccionados según las condiciones de operación (temperatura, presión) y la corrosividad de los fluidos: madera, metal (acero al carbono, acero inoxidable), porcelana química, ladrillo a prueba de ácidos, vidrio, plástico (PVC, PP, FRP), metal revestido de plástico o vidrio, etc.

Adsorción

La adsorción es una operación de separación basada en la retención selectiva de componentes de un fluido (gas o líquido) sobre la superficie de un sólido poroso denominado adsorbente.

Es un fenómeno de superficie: las moléculas del fluido (adsorbato) quedan retenidas en la superficie exterior y en los poros interiores del sólido adsorbente. Para maximizar la capacidad de adsorción, el material empleado debe tener una gran área superficial específica, a menudo lograda mediante una estructura porosa y/o una fina trituración. Por ejemplo, 1 gramo de carbón activo puede tener un área superficial equivalente a varios cientos de metros cuadrados (ej. 200 m²).

La operación de adsorción es generalmente reversible. Al cambiar las condiciones (como aumentar la temperatura o disminuir la presión/concentración), el adsorbente puede liberar el fluido adsorbido, proceso conocido como desorción o regeneración del adsorbente. Un factor importante es que la capacidad de adsorción física (fisisorción) disminuye al aumentar la temperatura.

Tipos de Adsorbentes Empleados y sus Aplicaciones

Los adsorbentes se utilizan ampliamente en laboratorios e industria para diversos procesos, tales como:

• Decoloración de líquidos (azúcares, aceites).
• Separación de mezclas de gases.
• Purificación de aire o gases (eliminación de contaminantes, olores).
• Desecación (eliminación de humedad) de líquidos y gases.
• Recuperación de disolventes.
• Catálisis heterogénea (donde el adsorbente actúa como soporte del catalizador).
• Análisis cromatográfico.

Los adsorbentes pueden clasificarse en varias categorías, destacando:

a) Carbones Activos

Son materiales carbonosos con una estructura porosa muy desarrollada y una gran área superficial. Se producen a partir de materiales como madera, cáscaras de coco, carbón mineral, etc., mediante procesos de carbonización y activación (térmica o química).

Usos:

• Decoloración de: azúcares, glicerina, cerveza, grasas, barnices, aceites, productos farmacéuticos.
• Recuperación de disolventes volátiles.
• Eliminación de olores y sabores en agua potable y aire.
• Purificación de gases.
• Aplicaciones médicas (tratamiento de intoxicaciones).

Ejemplo de preparación (demostrativo): El carbón activo puede prepararse en laboratorio tratando sacarosa (C₁₂H₂₂O₁₁) concentrada con ácido sulfúrico concentrado. La mezcla se agita hasta la carbonización total, se filtra, se lava exhaustivamente con agua destilada para eliminar la acidez y se seca.

La capacidad de adsorción se expresa normalmente en masa de adsorbato retenido por unidad de masa de adsorbente (ej. gramos adsorbidos por cada 100 gramos de adsorbente) bajo condiciones específicas.

b) Tierras Decolorantes (Arcillas Activadas)

Son materiales arcillosos naturales (como bentonita, montmorillonita) que se activan mediante tratamiento ácido (con HCl o H₂SO₄) para aumentar su porosidad y área superficial. Reciben nombres como tierra de Fuller (Fuller’s earth), tierra de Batán, bauxitas activadas, magnesia, etc.

Usos: Principalmente para la purificación y decoloración de aceites minerales (petróleos), aceites vegetales, grasas y ceras.

c) Geles Activos (Inorgánicos)

Son óxidos o hidróxidos inorgánicos porosos y amorfos. Los más comunes son:

• Gel de sílice (Silica Gel): Dióxido de silicio poroso. Excelente adsorbente de agua, muy utilizado como desecante.
• Alúmina activada: Óxido de aluminio poroso. También usado como desecante y en cromatografía.
• Otros: Geles a base de hidróxido de aluminio, férrico, etc.

Usos: Tratamientos de aguas, purificación de bebidas, adsorción de gases, refinación de petróleos, desecación de gases y líquidos, cromatografía.

Proceso de Adsorción en el Laboratorio

Un procedimiento básico, por ejemplo para decolorar un líquido, consiste en:

1. Tomar el líquido a decolorar.
2. Añadirle una cantidad adecuada del adsorbente decolorante (ej. carbón activo).
3. Agitar la mezcla durante un tiempo suficiente para permitir la adsorción.
4. Filtrar la mezcla para separar el líquido decolorado del sólido adsorbente (que retiene las impurezas coloreadas).

Es característico de muchos procesos de adsorción (especialmente la fisisorción) que su eficacia disminuya si se incrementa la temperatura durante el contacto entre el líquido y el adsorbente.

Aplicaciones de la Adsorción

a) Adsorción Industrial

Las instalaciones industriales de adsorción a menudo utilizan lechos fijos de adsorbente en columnas o torres. Un ejemplo es la recuperación de un disolvente (como sulfuro de carbono, CS₂) arrastrado en una corriente de aire.

El aire contaminado entra por la parte inferior de una o más columnas rellenas con carbón activo. Al pasar a través del lecho adsorbente, el sulfuro de carbono queda retenido, y el aire sale prácticamente puro por la parte superior.

Cuando el lecho se satura, se procede a la desorción (regeneración). Esto puede hacerse, por ejemplo, pasando una corriente de vapor de agua a través del lecho. El vapor arrastra el sulfuro de carbono adsorbido. La mezcla de vapor y CS₂ se condensa, y posteriormente el agua y el sulfuro de carbono (inmiscibles) se separan por decantación. El carbón activo queda regenerado y listo para un nuevo ciclo de adsorción.

b) Filtros para Decoloración y Purificación de Agua

Filtros domésticos o industriales que utilizan carbón activo son muy comunes para eliminar el color, olor y sabor indeseables del agua potable, causados por cloro residual o impurezas orgánicas. El paso del agua a través de un lecho de carbón activo no solo filtra partículas suspendidas, sino que también adsorbe estas sustancias químicas.

c) Caretas Antigás (Equipos de Protección Individual – EPIs)

Los filtros de las máscaras o caretas antigás contienen materiales adsorbentes para purificar el aire inhalado en atmósferas contaminadas. El aire contaminado pasa a través de una o varias capas de adsorbentes.

A menudo se utiliza una mezcla de carbón activo (impregnado o no con reactivos específicos) para adsorber una amplia gama de vapores orgánicos y gases tóxicos. Puede haber capas adicionales de otros granulados químicos para retener sustancias específicas que no son bien adsorbidas por el carbón (ej. amoniaco, monóxido de carbono – este último requiere catalizadores especiales). El aire purificado es el que finalmente penetra en los pulmones del usuario.