Efecto del ultrasonido sobre la velocidad global de adsorción de fenol sobre materiales de carbono

Abstract

El objetivo de esta Tesis fue investigar el equilibrio y velocidad de adsorción de fenol sobre una serie de pellets de carbón activado con diferentes características químicas y texturales en presencia de agitación convencional y ultrasonido de alta frecuencia. Adicionalmente, los datos de velocidad de adsorción se modelaron empleando un modelo difusión en tres dimensiones para considerar la geometría del adsorbente y, así, esclarecer que resistencia a la transferencia de masa se mejora en presencia de ultrasonido. La muestra original empleada, fue un carbón activado comercial preparado a preparados a partir de cáscara de coco, el cual fue sometido a un proceso de activación física con CO2 a tiempos de 1, 2, 4 y 6 h. Estos materiales se caracterizaron química, textural y morfológicamente empleando XPS, adsorción de N2 a 77 K y de CO2 a 273 K, y microscopia electrónica de barrido. Los resultados demostraron que los materiales tuvieron un área específica de 997 a 1158 m2/g y un diámetro de microporo que va de 0.74 a 1.44 nm, ambos valores incrementaron conforme aumentó el tiempo de activación del material. Los datos de equilibrio de adsorción de fenol para los distintos materiales a 25°C y 45°C se correlacionaron de mejor manera con el modelo de Redlich-Peterson y mostraron que la capacidad de adsorción está directamente relacionada con la accesibilidad del fenol a la microporosidad del material, ya que se incrementó a medida que se aumentó la anchura promedio de los microporos. Por otra parte, los datos experimentales de velocidad de adsorción en presencia y ausencia de ultrasonido se correlacionaron con tres modelos difusionales (PVDM, PVSDM y SDM) con el objetivo de estimar el mecanismo de difusión gobernante. Para ambas estrategias, el modelo PVSDM mostró ser el más apropiado para ajustar los resultados experimentales pues considera la participación en paralelo de dos mecanismos de difusión intraparticular: la difusión superficial y la difusión en el volumen del poro. También demostró que la difusión superficial tiene un impacto mucho mayor en el sistema, que la difusión en el volumen del poro, por lo cual es el mecanismo que gobierna la difusión intraparticular de fenol. Finalmente, se demostró que la presencia de ultrasonido favorece la velocidad global de adsorción. A manera de ejemplo, para la muestra PCA (sin modificación) y PCA-6 (con 6 horas de reactivación) la difusión superficial (DS) tuvo un incremento de 138.6% y 76.7% respectivamente utilizando ultrasonido de 20kHz y 30% de amplitud, comparado con agitación convencional, esto también se refleja en el tiempo de equilibrio el cual se redujo un 43% y 44% respectivamente.

The objective of this Thesis was to investigate the equilibrium and adsorption rate of phenol on a series of activated carbon pellets with different chemical and textural characteristics in the presence of conventional agitation and high frequency ultrasound. Additionally, the adsorption rate data were modeled using a three-dimensional diffusion model to consider the adsorbent geometry and, thus, to clarify which mass transfer resistance is enhanced by the presence of ultrasound. The original sample used was a commercial activated carbon prepared from coconut shell, which was subjected to a physical activation process with CO2 at times of 1, 2, 4 and 6 h. These materials were chemically, texturally and morphologically characterized using XPS, N2 adsorption at 77 K and CO2 adsorption at 273 K, and scanning electron microscopy. The results showed that the materials had a surface area ranging from 997 to 1158 m2/g and a micropore width between 0.74 and 1.44 nm, both values increased as the activation time augmented. The phenol adsorption equilibrium data for the different materials at 25°C and 45°C correlated best with the Redlich-Peterson model, and showed that the adsorption capacity is directly related to the accessibility of phenol towards the microporosity of the material, since it increased as the average width of the micropores augmented. On the other hand, the experimental adsorption rate data in the presence and absence of ultrasound were correlated with three diffusion models (PVDM, PVSDM and SDM) to estimate the governing diffusion mechanism. In general, the PVSDM model proved to be the most appropriate to fit the experimental results as it considers the parallel participation of two intra-particle diffusion mechanisms. It also showed that surface diffusion has a much greater impact on the system than pore volume diffusion, thereby being the mechanism that governs the intraparticle diffusion of phenol. Finally, it was demonstrated that the presence of ultrasound favors the overall adsorption rate. As an example, for the PCA sample (without modification) and PCA-6 (with 6 hours of reactivation) the surface diffusion (SD) had an increase of 138.6% and 76.7% respectively using ultrasound of 20kHz and 30% amplitude, compared to conventional agitation, this is also reflected in the equilibrium time which was reduced by 43% and 44% respectively.