Estudio cinético y de transporte de masa de la adsorción de rodamina B en un lecho empacado con partículas de zeolita natural - Guzmán González, Gregorio (Universidad Autónoma Metropolitana, 2013)
En este trabajo de investigación se estudió mediante modelado el comportamiento de una zeolita natural Mexicana de bajo costo en el proceso de adsorción de Rodamina B de una solución acuosa en un adsorbedor de lecho empacado. Se utilizó un modelo pseudoheterogéneo que considero el transporte de masa por convección y dispersión en la corriente principal del fluido y el transporte de masa interfacial entre esta corriente de fluido y el adsorbente. En el adsorbente se consideraron fenómenos difusivos y cinéticos. Con el objetivo de tener un modelo del adsorbedor del lecho confiable, se determinaron los parámetros de transporte difusivo, de equilibrio y cinéticos de la zeolita natural de experimentos a nivel laboratorio. Se caracterizó la zeolita natural por las técnicas de Difracción de Rayos X y fisisorción de Nitrógeno. Los patrones de Difracción de Rayos X, obtenidos de polvos de zeolita natural, se ajustan a la tarjeta JCPDS3–0427, lo cual implica que la muestra de zeolita natural está compuesta por Clinoptilolita, Mordenita y Cuarzo. Las isotermas obtenidas del estudio de fisisorción de nitrógeno, corresponden a isotermas de adsorción tipo IV en la clasificación de la IUPAC, típicas de materiales mesoporosos con hendiduras entre los planos cristalinos, y acordes a la estructura de las Clinoptilolitas. El área superficial de la zeolita esta entre 10 y 11 m²/g, y el diámetro promedio de poro se encuentra entre 10 y16 nm. Se evaluó la capacidad máxima de adsorción realizando experimentos de equilibrio en un adsorbedor de tanque agitado operado por lotes. Las observaciones experimentales tienen el comportamiento de isotermas de adsorción tipo I o adsorción del tipo Langmuir. De estos experimentos se observó que un gramo de zeolita natural adsorbe 4.7 mg de Rodamina B. Los datos experimentales se ajustaron con un modelo del tipo Langmuir considerando un equilibrio dinámico. La regresión y los parámetros involucrados en el modelo fueron estadísticamente significativos. Los parámetros estimados muestran que la capacidad máxima de adsorción qimax de este sistema es 4.74 mg de rodamina B por cada gramo de zeolita natural y la constante de afinidad RL presenta un valor de 0.077. Se realizaron experimentos cinéticos en un adsorbedor de tanque agitador por lotes. Las condiciones cinéticas intrínsecas del material se determinaron variando la velocidad de agitación y el diámetro de partícula. Después de 100 rpm la resistencia al transporte de masa interfacial fue minimizada. Se observa que cuando se utiliza el adsorbente con diámetros de partícula menores 0.06 mm, las resistencias al transporte de masa intra-partícula son despreciables. Una vez que se encontraron las condiciones de operación en régimen cinético, se estudió el efecto de la concentración inicial de rodamina B.; Se observó que la rapidez de adsorción es proporcional al incremento de la concentración inicial de Rodamina B. Se desarrolló un modelo cinético siguiendo el formalismo Langmuiriano. El modelo ajusto adecuadamente las observaciones. Las contantes de adsorci´on y desorción estimadas son 1.18746E¯⁰⁵ gs¯¹ mg¯¹ y 6.89735E ¯⁰⁵gs¯¹ cm¯ᶾ respectivamente. Se realizaron experimentos en un adsorbedor de tanque agitado por lotes utilizando partículas de la zeolita natural con diámetros promedio de 1 y 2.5 mm para determinar los fenómenos difusivos en este material. Para estos experimentos la resistencia al transporte de masa interfacial fue despreciable. Las observaciones fueron ajustadas con un modelo difusión-adsorción donde el único parámetro a estimar fue la difusividad efectiva. El modelo ajusto las observaciones experimentales adecuadamente y los valores estimados de difusividad efectiva para los partículas de diámetro promedio de 1 y 2.5 mm son 3.88746E¯¹¹ y 1.18746E¯¹⁰ cm²s¯¹, respectivamente. La información al equilibrio, cinética y de difusión se integró en el modelo del adsorbedor de lecho empacado y se realizó un estudio de sensibilidad paramétrica y geométrica, evaluando el comportamiento de las curvas de ruptura adsorci´on al variar propiedades del sistema como longitud y radio del lecho empacado, propiedades del adsorbente como: el diámetro, porosidad y difusividad efectiva, además de propiedades como el flujo y la concentración inicial de Rodamina B. En todas las simulaciones se evaluó la caída de presión con el modelo propuesto por Ergun en 1952, para todos los casos simulados la caída de presión fue menor al 2 %. Las predicciones de las curvas de ruptura indicaron que el tiempo de ruptura incremento proporcionalmente con el incremento de la longitud y del radio del lecho. La disminución del diámetro de partícula, y de la difusividad de la partícula ocasiono que el tiempo de ruptura fuera mayor. Finalmente el tiempo de ruptura de las curvas de adsorci´on se incrementó para flujos de alimentación pequeños y para valores de concentración de Rodamina B grandes. Todos los modelos utilizados en este estudio son ecuaciones diferenciales parciales las cuales se discretizaron con el método de colocación ortogonal. Las ecuaciones resultantes constituyen un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias que se resolvieron por el método de Runge-Kutta-Fehlberg. La estimación de los parámetros, se llevó a cabo con el método de mínimos cuadrados utilizando el algoritmo de Levenberg-Marquadt.