Adsorbatos

Históricamente, la adsorción en el tratamiento de aguas se ha aplicado a la eliminación del olor y el sabor. Actualmente, se dirige más hacia la eliminación de compuestos orgánicos naturales o sintéticos.

La experiencia demuestra que los carbones activos son buenos adsorbatos, ya que son adsorbentes de amplio espectro. La mayoría de las moléculas orgánicas se fijan en su superficie, siendo las que peor se fijan las moléculas más cortas y las más polares (alcoholes y ácidos de menos de tres átomos de carbono). Las moléculas más pesadas se adsorben con mayor facilidad. Como los compuestos más fácilmente biodegradables son los que peor se adsorben, el tratamiento de adsorción adquiere un carácter complementario muy apreciado, en relación con el tratamiento biológico.

Compuestos orgánicos

En general, cuanto menos soluble en el agua es un compuesto orgánico, mejor se adsorbe a partir de su disolución. Esta es la regla de Lundelius. Análogamente, el compuesto menos polar es el mejor adsorbido a partir de sus soluciones acuosas polares, sobre carbón poco o nada polar. Ambas reglas cualitativas surgen de la necesidad que tiene una molécula orgánica de romper las uniones disolvente- adsorbato para poder adsorberse. Estos enlaces son generalmente más fuertes cuando el adsorbato es muy soluble en el agua o presenta con este disolvente una interacción dipolo-dipolo. Las moléculas orgánicas son, en general, las menos solubles, y tienden a difundirse más lentamente a través de los poros, adsorbiéndose con mayor dificultad cuanto más grandes sean, al no poder penetrar fácilmente en los poros más pequeños.

Tabla 2: Tipos de compuestos orgánicos según su capacidad de adsorción sobre carbón activo

Otros factores relacionados con la adsorción de compuestos orgánicos tienen que ver con las afinidades químicas específicas entre los grupos funcionales de] adsorbente y el adsorbato. La Tabla II presenta una relación de compuestos orgánicos según su mayor o menor capacidad para ser adsorbidos por carbón activo. Los fenoles sustituidos, por ejemplo, se adsorben mejor que los halometanos o el etileno. Estos compuestos orgánicos volátiles son disolventes industriales, a menudo presentes en altas concentraciones. Su eliminación es difícil o requiere frecuentes regeneraciones de los lechos. Los hidrocarburos policíclicos aromáticos y las nitrosaminas se adsorben rápidamente. Como quiera que no suele haber mucha información disponible sobre la adsorción de las especies orgánicas con carbón activo granular, es con frecuencia necesario realizar ensayos en tanque o en columna en laboratorio, antes de pasar a predecir la eficacia en la eliminación de tales compuestos en un lecho a gran escala. La mayoría de los compuestos poco adsorbibles son muy solubles y de peso molecular bajo; pero también hay otros de peso molecular muy elevado. En el caso de los ácidos orgánicos y de las bases, la adsorción depende mucho del pH, eliminándose preferentemente las moléculas de tipo neutro.

Compuestos inorgánicos

Algunos compuestos inorgánicos pueden eliminarse por adsorción sobre carbón activo. Metales a nivel de trazas, como el mercurio, el arsénico y el plomo pueden ser eliminados con carbón activo granular. La Tabla III presenta una lista de metales según su grado de adsorción. La mayoría de los cationes y aniones presente en las aguas naturales no se adsorben, como es el caso del calcio, sodio, ortofosfatos, nitratos y haluros. Una excepción es el fluoruro, que es eliminado, tanto por alúmina activada como con carbón.

Tabla 3: Metales y compuestos inorgánicos clasificados por su potencial adsorción sobre carbón activado

Los metales pueden reaccionar en los grupos funcionales oxigenados del carbón, desplazando a los iones de hidrógeno por intercambio iónico. Las superficies del carbón también pueden dar lugar a precipitados de sales metálicas por nucleación o coagulación. Los metales reducidos en la estructura original del carbón también pueden reaccionar con los metales en estado iónico en solución, para reducirlos hasta una forma depositable.

Análogamente, los metales pueden ser oxidados catalíticamente.

Virus

La adsorción de virus sobre carbón activo ha sido estudiada como un proceso para el tratamiento avanzado de aguas residuales y su posible reutilización. Los grupos funcionales específicos del carbón, como el carboxilo y el lactona, se cree que actúan como "sitios" para la adsorción de virus. El grado de adsorción depende en gran medida del pH; por tanto, la atracción electrostática entre los grupos cargados negativamente sobre el carbón y los grupos cargados positivamente sobre los virus es importante. Los estudios en laboratorio y planta piloto no son aún bastante consistentes y han demostrado que la eliminación de los virus con carbón activo es difícil de controlar.

Otros adsorbentes

En el tratamiento de aguas por adsorción, es el carbón activo el adsorbente utilizado a gran escala. Otros adsorbentes naturales pueden ser empleados en procesos especiales. Los aluminosilicatos sintéticos se comportan como tamices moleculares, adsorbiendo selectivamente en función del tamaño molecular y la forma, aprovechando su alta porosidad y gran uniformidad en el tamaño de sus poros. En general, la alúmina y otros óxidos minerales pueden presentar una gran superficie específica, pero únicamente a algunas sustancias tienen buen a afinidad hacia ellos; por lo tanto son adsorbentes muy específicos.

Gel de sílice

Se produce normalmente por neutralización de una disolución de silicato sódico mediante un ácido mineral diluido. El material obtenido se calienta a unos 350ºC y resulta un producto duro y vidrioso, muy poroso, se utiliza para secar líquidos y gases, así como para la recuperación de hidrocarburos. Las superficies específicas que se dan para este adsorbente son superiores a 350 m²/g.

Alúmina activada

Es un adsorbente con buena resistencia mecánica y, por ello, muy adecuado para su utilización en lechos móviles. Se fabrica calentando los distintos hidratos de alúmina a velocidad controlada. La alúmina activada en la variedad de -y-alúmina se obtiene entre 500º y 800ºC, transformándose por encima de este punto en especies alotrópicas de menor superficie. El producto, amorfo y muy poroso, se utiliza para el secado de gases y líquidos, para eliminar el fluoruro y para la neutralización de aceites lubricantes.

Tamices moleculares

Proceden de productos naturales como las zeolitas, en las que los poros originan al formarse huecos en la red del cristal cuando se eliminan por calefacción las moléculas de agua. Están formados por estructuras tetraédricas de aluminosilicatos (Si0₂- Al0₄). El entramado es muy regular, de forma tal que sólo pueden adsorberse aquellas moléculas con un tamaño suficientemente pequeño como para atravesar las "ventanas" de acceso al interior de la estructura. Aunque esta capacidad de adsorción no puede relacionarse de forma significativa con un área, la comparación con otros adsorbentes puede establecerse tomando un área equivalente del orden de 800 m²/g. La ventaja de los tamices moleculares es que pueden fabricarse a la medida de las aplicaciones deseadas.

Polimeros adsorbentes sintéticos

Desde hace unos años, determinados polímeros adsorbentes sintéticos se presentan como una alternativa al carbón activo en el tratamiento de aguas residuales. Dichos adsorbentes se producen por polimerización en suspensión entre uno o varios monómeros, en presencia de un agente reticulante. La variedad de monómeros que pueden ser polimerizados y la posibilidad de obtener las propiedades deseadas variando las condiciones de la polimerización, da una idea de la multiplicidad de productos posibles.

Existen en el mercado diversos polímeros adsorbentes macrorreticulares que pertenecen al grupo antes mencionado, y que ofrecen algunas ventajas frente al carbón activo:

• Matriz de estructura estable y duradera.
• Mayor facilidad de regeneración mediante disolventes apropiados, posteriormente recuperables.
• Posibilidad de disponer de productos de distinta polaridad, lo que se traduce en mayor selectividad en sus aplicaciones.

En los polímeros adsorbentes sintéticos, cada partícula de resina está formada por un aglomerado de microesferas, cuyos intersticios originan los poros interconectados. Por consiguiente, presentan una superficie interior muy uniforme y actúan principalmente por interacciones de] tipo de las fuerzas de dispersión y solvofóbicas.

Esencialmente, las propiedades adsorbentes de los polímeros sintéticos pueden predecirse a partir de su estructura química y del parámetro de solubilidad teórico del adsorbente, así como de la solubilidad del adsorbato en un disolvente determinado.

Entre las aplicaciones industriales de estos adsorbentes cabe citar las de eliminación, con o sin recuperación, de distintas sustancias orgánicas presentes en las aguas residuales, como los fenoles o los pesticidas, o la eliminación del color de los efluentes de fábricas de pasta al sulfato blanqueada. Son numerosos, asimismo, los trabajos desarrollados a escala de laboratorio para el mejor conocimiento de estos procesos.