El presente trabajo expone las determinaciones que se efectuaron para determinar los procesos de sorción de iones Cu (II) en régimen estático con y sin impulsos ultrasónicos en un producto de base silícica con agua de comportamiento zeolítico en su estructura obtenido mediante un proceso de gelificación. Se escogieron dos fracciones con tamaños de partículas diferentes (0.071 y 0.125 mm de diámetro) a las cuales se les determinaron: densidad aparente, densidad aparente por aprisionamiento, densidad verdadera, compresibilidad, porosidad, factor de forma, superficie específica. El proceso de sorción de iones se lleva a cabo en determinadas condiciones de acidez, temperatura, pulso, concentración de iones Cu2+, diámetro de partícula y tiempo. Desde otro punto de vista se obtuvo el producto con iones cobre (II) con condiciones específicas de acidez, velocidad de agitación, diámetro de partícula, temperatura, concentraciones de iones Cu2+ y tiempo de contacto.The determinations ruling the processes of Cu2+ ions sorption in steady state with and without ultrasonic impulses in a silica base product with water of zeolitic-behaviour structure obtained by gelification, are introduced. Two fractions of different particle size are selected to determine its apparent density, confined apparent density, true density, compressibility, porosity, shape factor, specific surface. The sorption process is carried out in given acidity, temperature, pulse, Cu22+ concentration, particle diameter and time. From an alternative viewpoint, the product is obtained with Cu2+ ions in specific conditions of acidity, shake speed, particle diameter, temperature, Cu2+ concentration and contact time.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Bucki Wasserman, Bernardo

Prieto Entenza, J. O.

Prieto García, Julio Omar

Villegas Aguilar, Pedro Julio

Spanish

Servicio de Difusión de la Creación Intelectual

      ESTUDIO DE LA ADSORCION DE IONES Cu (II)  EN UN SORBENTE DE BASE SILÍCICA EN RÉGIMEN ESTÁTICO MEDIANTE EFECTOS MECÁNICOS Y SONORIZACIÓN.  J. O. Prieto García1; P. J. Villegas Aguilar1;  B. Bucki Wasserman2 y J. O.Prieto Entenza3 1Departamento de Lic. Química, Fac. Química - Farmacia, Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, 54830, Cuba. Teléfono: (+53) 42 273173 - Fax: (+53) 42 281608 - email: joprietog@yahoo.com.mx, pjva@fim.uclv.edu.cu 2GESE, Regional Académica Confluencia, Universidad Tecnológica Nacional, Plaza Huincul, 8318, Neuquén, Argentina. Teléfono: (+54) 299 4960510 – Fax: (+54) 299 4960510 - Email: ingbucki@fibertel.com.ar 3 Universidad de las Ciencias Informáticas. La Habana. Email: jprieto@uci.cu  RESUMEN El presente trabajo expone las determinaciones que se efectuaron para determinar los procesos de sorción de iones Cu (II) en régimen estático con y sin impulsos ultrasónicos en un producto de base silícica con agua de comportamiento zeolítico en su  estructura  obtenido mediante un proceso de gelificación. Se escogieron dos fracciones con tamaños de partículas diferentes (0.071 y 0.125 mm de diámetro) a las cuales se les determinaron: densidad aparente, densidad aparente por aprisionamiento, densidad verdadera, compresibilidad, porosidad, factor de forma, superficie específica. El  proceso de sorción de iones se lleva a cabo en  determinadas condiciones de acidez, temperatura, pulso, concentración de iones Cu2+, diámetro de partícula y tiempo. Desde otro punto de vista se obtuvo el producto con iones cobre (II) con condiciones específicas de acidez, velocidad de agitación, diámetro de partícula, temperatura, concentraciones de iones Cu2+y tiempo de contacto.   Palabras clave: adsorción, sorción, zeolitas, efectos mecánicos y sonorización  I. INTRODUCCIÓN Los ultrasonidos son vibraciones y ondas elásticas en una banda de frecuencia de 104 – 109 Hz. La propagación de ultrasonido por un medio físico provoca una serie de efectos específicos que son empleados en la técnica y la ciencia.   La técnica es empleada en el intercambio iónico donde se destacan tres etapas:  La difusión externa de los iones intercambiables hacia la superficie exterior del sorbente y a la inversa. La difusión interna de los iones intercambiables en los granos de los sorbentes. La reacción química heterogénea.   En la mayoría de los casos la velocidad de la reacción química supera considerablemente la de difusión de los reactivos y los productos de la reacción. El usosistemático de ultrasonido permite intensificar los procesos de intercambio iónico por la apertura más completa de los microporos bajo la acción de la cavitación. En condiciones de cavitación crece el número de enlaces moleculares no compensados en la superficie del sorbente, comprendida entre ella la superficie de las paredes de los capilares, así como se facilita la acción de la penetración de la solución en los microcapilares, antes eran inaccesibles. Los procesos intracapilares se intensifican en el campo acústico dando cuenta del efecto acusticapilar relacionado con el aumento de la altura y velocidad de ascenso del líquido en los capilares. Trabajos experimentales muestran que el ultrasonido acelera los procesos difusivos externos, crean zonas de macro y microagitación, reducen los gradientes de las concentraciones de las superficies diluidas en el límite de separación de las fases sólida y líquida.  La velocidad de las reacciones químicas heterogéneas depende de la velocidad de difusión de las moléculas e iones hacia los límites de  separación  de las  fases,  de la interacción  química  y  la difusión  de  los  productos  de  reacción.  (Casadonte  et. colab., 1994).  II. MATERIALES Y MÉTODOS El estudio comienza con la obtención de la ecuación que rige el proceso de sorción e intercambio en condiciones estáticas por medios mecánicos y con impulsos ultrasónicos. Seguidamente se obtiene la curva de adsorción donde  se relacionan los valores de qA (Capacidad de intercambio) vs CA(Concentración de equilibrio). Luego del análisis de las curvas de sorción  se  hace necesario determinar los factores de separación y los coeficientes de selectividad. El primero viene dado por la expresión   α AB =XA(Z)* XB(s)/ XA(S) * XB(Z)       (1)                ASADES Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 12,  2008.  Impreso en la Argentina.  ISSN  0329-5184 09.01 Si α AB>1 el  zeolitoide prefiere al catión que está en disolución y que entra en su estructura. Si α AB<1 el zeolitoide prefiere a su propio ion. Si α AB=1 el zeolitoide no tiene preferencia por ninguno de los dos iones.  Otra magnitud que brinda información sobre la preferencia por algún ion es el coeficiente de selectividad(KAB), que incluye la carga de los iones y que se expresa por:  KAB=(Xa(Z))ZB *( XB(s)) ZB /( XA(S)) ZB *( XB(Z)) ZB.      (2)  Si los iones poseen igual carga como en el presente caso (ZA=ZB), entonces:   KAB= (α AB) ZB          (3)  III. PARTE EXPERIMENTAL El producto empleado para lograr el intercambio con iones cobre (II) fue el silicato de calcio monohidratado de alto desorden reticular obtenido por gelificación a partir de soluciones de cloruro de calcio y silicato de sodio y presenta las características físicas que a continuación  se detallan en la Tabla 1. Tamaño de partícula (mm) 0,071 0,125 Densidad aparente (g/cm3) 0,31 0,35 Densidad aparente por aprisionamiento (g/cm3) 0,61 0,62 Densidad verdadera (g/ml) 1,848 1,848 Compresibilidad (%) 49,18 43,54 Porosidad (%) 83,23 81,08 Factor de forma 0,23 0,29 Superficie específica (m2/g) 521 400 Tabla 1. Características físicas del producto.  El proceso de adsorción en régimen estático, con y sin impulsos ultrasónicos, se realiza empleando 40 ml. de solución de iones Cu2+ puestos en contacto con 0,1 g de adsorbente silícico de acuerdo a las condiciones que se describen en el diseño experimental, determinándose la concentración residual de los iones Cu2+ y la concentración de iones Ca2+ mediante  técnica por absorción atómica.  Se realiza un diseño experimental empleando impulsos ultrasónicos donde tomaron en cuenta los siguientes valores:   diámetro de partícula (0,12 y 0,07 mm.), concentración inicial (1 y 0,5 g/l.), pH (6 y 3), pulso (0,5 y 6 s), tiempo (1 y 5 min.) y temperatura (30º y 60 oC) y se  plantea un diseño 26-2, efectuando la búsqueda de las mejores condiciones de adsorción e intercambio. Para el diseño experimental sin impulsos ultrasónicos tomó en cuenta, por su parte, diámetro de partícula (0,12 y 0,07 mm.), concentración inicial (1 y 0,5 g/l.), pH (6 y 3), velocidad de agitación (100 y 300 rpm), tiempo (5 y 10 min.) y temperatura (30º y 60 oC) y se  plantea un diseño 26-2. (Colectivo de autores., 1992). III. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS. En el análisis en primera instancia del diseño experimental para el proceso de sorción de iones cobre (II) por sonorización,  puede apreciarse como el diámetro de partícula, concentración inicial de  la solución, pH, pulso y tiempo de contacto se ven favorecidos en el proceso de captación de los iones Cu2+; además la ecuación sugiere que hay un grupo de interacciones influyentes en el proceso, pero estas tienen que ser investigadas para llegar a un análisis final. (Pitzer K.S., 1991).    La matriz obtenida se exhibe en la Tabla 2 que se muestra a continuación:  Experimento d (mm) Ci (g/L) pH Pulso (s) t (min.) T (°C) %Cu Sor 1 0,12 0.50 6 0,50 1 60 41.30 2 0,12 0,50 6 6,00 1 30 23.91 3 0,12 1,00 6 6,00 5 60 39.26 4 0,07 1,00 6 0,50 1 30 29.63 5 0,07 0.50 3 6,00 1 60 4.35 6 0,07 1.00 6 6.00 1 60 34.81 7 0,12 1.00 3 6.00 1 30 39.26 8 0,12 1.00 3 0,50 1 60 25.93 9 0,07 1.00 3 0,50 5 60 30.37 10 0,07 0.50 6 6,00 5 30 32.61 11 0,07 0.50 3       0.50 1 30 0 12 0,12 0,50 3 0,50 5 30 10.87 13 0,12 0.50 3 6.00 5 60 0 14 0,07 0,50 6       0.50 5 60 30.43 15 0,12 1.00 6 0.50 5 30 34.07 16 0,07 1.00 3 6,00 5 30 31.11 Tabla 2. Matriz del diseño experimental asistido con ultrasonidos (d: diámetro; t: tiempo; T: temperatura). 09.02 Dicha ecuación se muestra a continuación:   Y= 25.01+4.23A+7.44B+7.88C+0.044D+0.36E+0.12(A*B)–1.51(A*D)–3.12(A*E)+2.76(B*D)+2.84(A*B*D)    (4)  Donde:  Y  Por ciento de adsorción A  Diámetro de partícula. B  Concentración inicial. C  pH. D  Pulso. E  Tiempo  A continuación se muestra la matriz obtenida por efectos mecánicos    Experimento d (mm) Ci (g/L) pH Vel (rpm) t (min.) T (°C) %Cu Sor 1 0,07 0.50 3 100 5 30 5.20 2 0,12 0,50 6 100 5 30 9.61 3 0,07 1,00 6 100 5 60 7.11 4 0,12 1,00 3 100 5 60 1.90 5 0,07 0.50 6 300 5 60 20.20 6 0,12 0.50 3 300 5 60 0 7 0,07 1.00 3 300 5 30 2.00 8 0,12 1.00 6 300 5 30 10.63 9 0,07 0.50 3 100 10 60 2.03 10 0,12 0.50 6     100 10 60 0 11 0,07 1.00 6     100 10 30 10.6 12 0,12 1.00 3     100 10 30 2.22 13 0,07 0.50 6 300 10 30 17.62 14 0,12 0,50 3     300 10 30 2.74 15 0,07 1.00 3 300 10 60 2.95 16 0,12 1.00 6 300 10 60 14.7 Tabla 3: Matriz de diseño experimental sin ultrasonido  La ecuación que responde al por ciento de adsorción e intercambio es:  Y= 8.06 + 5.69pH         (5)  Es apreciable el porcentaje de sorción de cobre (II) sobre la matriz silícica con impulsos ultrasónicos  en comparación con el mismo sin efecto mecánico. A continuación se puede observar la tabla que recoge los parámetros de la curva de adsorción  para un tamaño de grano de 0.125 mm. de diámetro obtenidos por  sonorización.   Conc total(mg/L) mg adsorbidos qa(mg/g) Conc Cu(mg/L) Conc Cu/qa(g/L) Ln qa Ln Conc Cu 2790 20.07 100.35 2121 21.14 4.6086 7.6596 1710 16.38 81.9 1164 14.21 4.4054 7.4169 1220 13.34 66.7 775.33 11.62 4.2002 6.6532 620 10.06 50.5 281.33 5.59 3.918 5.6395 90 2.17 10.85 17.6 1.62 2.3841 2.8713 Tabla 4: Valores de los parámetros termodinámicos de la curva de adsorción   XCu(s) XCu(z) XCa(s) XCa(z) α KCu/Ca 0.83 0.51 0.17 0.72 0.15 0.02 0.73 0.45 0.27 0.76 0.21 0.05 0.67 0.39 0.33 0.80 0.24 0.06 0.42 0.32 0.58 0.84 0.52 0.28 0.05 0.06 0.95 0.96 1.27 1.61 Tabla 5: Valores de fracciones molares equivalentes, coeficiente de selectividad y factores de separación.      09.03  Fig.1 Dependencia X) vs ln K para tamaño de partícula                    Fig.2   Curva de adsorción para tamaño de partícula de           0,125mm                                                                                                             0,125 mm        Tabla 6: Valores de los parámetros termodinámicos de la curva de adsorción     Tabla 4: Valores de los parámetros termodinámicos de la curva de adsorción      Fig. 3  Curva de adsorción para tamaño de                                     Fig.4 Isoterma de intercambio iónico para tamaño de                 partícula de 0.071 mm                                                                  partícula 0.071 mm                                                                                                                                                                                                                                 XCu(s) XCu(z) XCa(s) XCa(z) Α KCu/Ca 0.83 0.50 0.17 0.73 0.14 0.02 0.71 0.46 0.29 0.76 0.25 0.06 0.58 0.42 0.42 0.79 0.39 0.16 0.21 0.29 0.79 0.87 0.26 1.59 0.01 0.05 0.99 0.98 4.82 23.26 Conc total(mg/L) mg adsorbidos qa (mg/g) Conc Cu(mg/L) Conc Cu/qa(g/L) Ln qa Ln Conc Cu 2860 18.93 189.3 2229 11.67 5.2433 7.7093 1680 16.67 166.7 1124.3 6.74 5.1161 7.0249 1020 14.21 142.1 569.33 4.19 4.4965 6.3907 380 8.19 81.9 107 1.30 4.4054 4.6728 40 1.09 10.9 3.66 0.33 2.3887 1.2974 -6-4-20240 0.2 0.4 0.6XCu(z)ln KSerie10204060801001200 1000 2000 3000Cu(mg/l)qa(mg/g)Serie10501001502000 1000 2000 3000Cu(mg/l)qa(mg/g)Serie1y = -0.6607x2 + 1.0591x + 0.0563R2 = 0.977500.10.20.30.40.50.60 0.5 1XCu(s)XCu(z)Serie1Polinómica (Serie1)09.04 Para el tamaño de partícula de 0.125 mm se aprecia a partir de los valores  de α AB  que hay preferencia por el Cu2+ para valores bajos de su concentración.  Lo anteriormente planteado se corrobora al establecer la dependencia entre las fracciones molares del Cu2+ en el zeolitoide y la solución, obteniéndose una isoterma que pasa por debajo de la diagonal. (Ver gráficos fig. 1, 2, 3 y 4)  Para establecer la dependencia ln KAB vs XCuCa  se empleó el método Kielland para obtener la variación de energía libre estándar  ln Keq=∫01 ln KAB d XCu(Z) ln Keq= 0.872859 ∆G0= -0.34 J/mol.       Para un tamaño de partícula de 0.071 mm  al establecer la dependencia de la concentración  del cobre(II) en el zeolitoide y en la solución, se obtienen resultados diferentes al tamaño de grano anterior ya que en este caso el zeolitoide tiene preferencia por ion Cu2+, porque la isoterma pasa por  encima de la diagonal.   Empleamos el método Kielland para obtener la variación de energía libre estándar, donde se tiene:  ln Keq=∫01 ln KAB d XCu(Z) ln Keq= 0.181555 ∆G0= -0.44 J/mol.  CARACTERIZACIÓN PARCIAL DEL PRODUCTO OBTENIDO POR VÍA SÓNICA  Análisis térmico:El análisis térmico se realizó en un derivatógrafo Q-1500 D de firma MOM (Hungría) con termopares         Pt (Pt/Rh) con crisoles de cerámica, teniendo como referencia un crisol vacío en atmósfera estática con sensibilidad     TG=100 mg ATD=500 µ V, con velocidad de calentamiento 10 0C/min y velocidad del papel de 2.5 mm/min.              (Atkins P. W., 1992)   De las curvas correspondientes al TG y al ATD se puede ver una cinética lenta de pérdida de agua de 80 0C a 375 0C aproximadamente, lo cual es característico de estos productos. Un pico endotérmico a 2200C atribuible a la descomposición de carbonato básico de cobre Un pico endotérmico a 820 0C que pudiera corresponder a la descomposición de CaCO3. Finalmente un pico a 904 0C exotérmico, atribuible a cambio de estructura u ordenamiento. (Breck D. W., 1974) Análisis infrarrojo cualitativo: Este análisis se realiza en un espectrómetro IR modelo PV 9512 de la firma Phillips preparándose las pastillas en KBr (0.2%). En el espectro se verifica la presencia de picos característicos de silicatos en la zona de 514-1480 cm-1, los cuales se refieren a los distintos tipos de oscilaciones internas dentro de la red (1057.22 cm-1 y 662.78 cm-1). Las bandas de 1636.00 cm-1 y 3448.00 cm-1 son atribuibles al agua estructural.    Espectro IR Difracción de rayos –X. : El análisis por difracción de rayos-X se realiza en un equipo TUR-62M con goniómetro HZG-3 y registrador VAG-142 fabricado en la antigua RDA, utilizando radiación CuKα con velocidad de goniómetro de 0.25 0/min, y la del papel registrador de 200 mm/h. Se obtuvo un registro que evidencia baja cristalinidad.                                Fig. 5. Análisis infrarrojo cualitativo –Transmitancia vs. longitud de onda 09.05                                                                                           Fig. 6. Espectro de difracción de rayos X                                                   Análisis químico: CaO 32.04 % CuO 2.21% SiO2 53.32% H2O 11.34 % MgO 0.09 % Na2O 0.12 % Fe2O3 0.09 %                                                       Tabla 7. Resultados  del análisis químico.  El producto obtenido presenta las siguientes características para el tamaño de partícula de 0.071 mm  Densidad aparente por aprisionamiento: 0.64g/cm3.  Densidad aparente: 0.34 g/cm3   Densidad verdadera: 1.86g/ml                Compresibilidad: 47 %              Porosidad: 82%     Factor forma: 0.23              Superficie específica: 520 m2/g       CONCLUSIONES.    1. El diseño del experimento muestra una gran dependencia de la sorción e intercambio con el tamaño de partícula, pH, concentración inicial, pulso y tiempo, no así en el rango de temperatura.  2. Los tamaños de partículas sometidos a análisis de sorción e intercambio se ven favorecidos para bajas concentraciones de cobre (II) en los estudios realizados para las curvas de sorción.    REFERENCIAS Casadonte, Jr. D.J., Sweet, J.D., Vedamuthu, M.S. (1994)  Ultrasonics.32(6), 447 Colectivo de autores.(1992)  Fundamentos de la física y la técnica de ultrasonidos. Editorial Mir, Moscú.  Breck D. W.( 1974)  Zeolite Molecular Sieves,  Wiley, New York, pag. 530 09.06 Atkins P. W. (1992)  The elements of Physical Chemistry. Oxford University press,.pag 192 Pitzer K.S. (1991)  Activity Coeficiente in Electrolite Solution 2nd Edition,.pag. 435   ABSTRACT  The determinations ruling the processes of Cu+2 ions sorption in steady state with and without ultrasonic impulses in a silica base product with water of zeolitic-behaviour structure obtained by gelification, are introduced. Two fractions of different particle size are selected to determine its apparent density, confined apparent density, true density, compressibility, porosity, shape factor, specific surface. The sorption process is carried out in given acidity, temperature, pulse, Cu2+2 concentration, particle diameter and time.  From an alternative viewpoint, the product is obtained with Cu+2 ions in specific conditions of acidity, shake speed, particle diameter, temperature, Cu+2   concentration and contact time.  Key words: adsorption – sorption – zeolits - mechanical effects and  noising (waves).    09.07 

Estudio de la adsorción de iones Cu (II) en un sorbente de base silícica en régimen estático mediante efectos mecánicos y sonorización

SEDICI - Repositorio de la UNLP

 
 
 
 
 
 
ESTUDIO DE LA ADSORCION DE IONES Cu (II)  EN UN SORBENTE DE BASE SILÍCICA EN 
RÉGIMEN ESTÁTICO MEDIANTE EFECTOS MECÁNICOS Y SONORIZACIÓN. 
 
J. O. Prieto García1; P. J. Villegas Aguilar1;  B. Bucki Wasserman2 y J. O.Prieto Entenza3 
1Departamento de Lic. Química, Fac. Química - Farmacia, Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, 54830, Cuba. 
Teléfono: (+53) 42 273173 - Fax: (+53) 42 281608 - email: joprietog@yahoo.com.mx, pjva@fim.uclv.edu.cu 
2GESE, Regional Académica Confluencia, Universidad Tecnológica Nacional, Plaza Huincul, 8318, Neuquén, Argentina. 
Teléfono: (+54) 299 4960510 – Fax: (+54) 299 4960510 - Email: ingbucki@fibertel.com.ar 
3 Universidad de las Ciencias Informáticas. La Habana. Email: jprieto@uci.cu 
 
RESUMEN 
El presente trabajo expone las determinaciones que se efectuaron para determinar los procesos de sorción de iones Cu (II) en 
régimen estático con y sin impulsos ultrasónicos en un producto de base silícica con agua de comportamiento zeolítico en su  
estructura  obtenido mediante un proceso de gelificación. Se escogieron dos fracciones con tamaños de partículas diferentes 
(0.071 y 0.125 mm de diámetro) a las cuales se les determinaron: densidad aparente, densidad aparente por aprisionamiento, 
densidad verdadera, compresibilidad, porosidad, factor de forma, superficie específica. El  proceso de sorción de iones se 
lleva a cabo en  determinadas condiciones de acidez, temperatura, pulso, concentración de iones Cu2+, diámetro de partícula y 
tiempo. Desde otro punto de vista se obtuvo el producto con iones cobre (II) con condiciones específicas de acidez, velocidad 
de agitación, diámetro de partícula, temperatura, concentraciones de iones Cu2+y tiempo de contacto.  
 
Palabras clave: adsorción, sorción, zeolitas, efectos mecánicos y sonorización 
 
I. INTRODUCCIÓN 
Los ultrasonidos son vibraciones y ondas elásticas en una banda de frecuencia de 104 – 109 Hz. La propagación de ultrasonido 
por un medio físico provoca una serie de efectos específicos que son empleados en la técnica y la ciencia. 
  
La técnica es empleada en el intercambio iónico donde se destacan tres etapas:  
La difusión externa de los iones intercambiables hacia la superficie exterior del sorbente y a la inversa. 
La difusión interna de los iones intercambiables en los granos de los sorbentes. 
La reacción química heterogénea. 
  
En la mayoría de los casos la velocidad de la reacción química supera considerablemente la de difusión de los reactivos y los 
productos de la reacción. El usosistemático de ultrasonido permite intensificar los procesos de intercambio iónico por la 
apertura más completa de los microporos bajo la acción de la cavitación. En condiciones de cavitación crece el número de 
enlaces moleculares no compensados en la superficie del sorbente, comprendida entre ella la superficie de las paredes de los 
capilares, así como se facilita la acción de la penetración de la solución en los microcapilares, antes eran inaccesibles. Los 
procesos intracapilares se intensifican en el campo acústico dando cuenta del efecto acusticapilar relacionado con el aumento 
de la altura y velocidad de ascenso del líquido en los capilares. Trabajos experimentales muestran que el ultrasonido acelera 
los procesos difusivos externos, crean zonas de macro y microagitación, reducen los gradientes de las concentraciones de las 
superficies diluidas en el límite de separación de las fases sólida y líquida. 
 
La velocidad de las reacciones químicas heterogéneas depende de la velocidad de difusión de las moléculas e iones hacia los 
límites de  separación  de las  fases,  de la interacción  química  y  la difusión  de  los  productos  de  reacción.  (Casadonte  
et. colab., 1994). 
 
II. MATERIALES Y MÉTODOS 
El estudio comienza con la obtención de la ecuación que rige el proceso de sorción e intercambio en condiciones estáticas por 
medios mecánicos y con impulsos ultrasónicos. Seguidamente se obtiene la curva de adsorción donde  se relacionan los 
valores de qA (Capacidad de intercambio) vs CA(Concentración de equilibrio). Luego del análisis de las curvas de sorción  se  
hace necesario determinar los factores de separación y los coeficientes de selectividad. El primero viene dado por la 
expresión  
 
α AB =XA(Z)* XB(s)/ XA(S) * XB(Z)       (1) 
 
              ASADES 
Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente 
Vol. 12,  2008.  Impreso en la Argentina.  ISSN  0329-5184 
09.01 
Si α AB>1 el  zeolitoide prefiere al catión que está en disolución y que entra en su estructura. 
Si α AB<1 el zeolitoide prefiere a su propio ion. 
Si α AB=1 el zeolitoide no tiene preferencia por ninguno de los dos iones. 
 
Otra magnitud que brinda información sobre la preferencia por algún ion es el coeficiente de selectividad(KAB), que incluye 
la carga de los iones y que se expresa por: 
 
KAB=(Xa(Z))ZB *( XB(s)) ZB /( XA(S)) ZB *( XB(Z)) ZB.      (2) 
 
Si los iones poseen igual carga como en el presente caso (ZA=ZB), entonces:  
 
KAB= (α AB) ZB          (3) 
 
III. PARTE EXPERIMENTAL 
El producto empleado para lograr el intercambio con iones cobre (II) fue el silicato de calcio monohidratado de alto desorden 
reticular obtenido por gelificación a partir de soluciones de cloruro de calcio y silicato de sodio y presenta las características 
físicas que a continuación  se detallan en la Tabla 1. 
Tamaño de partícula (mm) 0,071 0,125 
Densidad aparente (g/cm3) 0,31 0,35 
Densidad aparente por aprisionamiento (g/cm3) 0,61 0,62 
Densidad verdadera (g/ml) 1,848 1,848 
Compresibilidad (%) 49,18 43,54 
Porosidad (%) 83,23 81,08 
Factor de forma 0,23 0,29 
Superficie específica (m2/g) 521 400 
Tabla 1. Características físicas del producto. 
 
El proceso de adsorción en régimen estático, con y sin impulsos ultrasónicos, se realiza empleando 40 ml. de 
solución de iones Cu2+ puestos en contacto con 0,1 g de adsorbente silícico de acuerdo a las condiciones que se 
describen en el diseño experimental, determinándose la concentración residual de los iones Cu2+ y la 
concentración de iones Ca2+ mediante  técnica por absorción atómica.  Se realiza un diseño experimental 
empleando impulsos ultrasónicos donde tomaron en cuenta los siguientes valores:   diámetro de partícula (0,12 y 
0,07 mm.), concentración inicial (1 y 0,5 g/l.), pH (6 y 3), pulso (0,5 y 6 s), tiempo (1 y 5 min.) y temperatura 
(30º y 60 oC) y se  plantea un diseño 26-2, efectuando la búsqueda de las mejores condiciones de adsorción e 
intercambio. Para el diseño experimental sin impulsos ultrasónicos tomó en cuenta, por su parte, diámetro de 
partícula (0,12 y 0,07 mm.), concentración inicial (1 y 0,5 g/l.), pH (6 y 3), velocidad de agitación (100 y 300 
rpm), tiempo (5 y 10 min.) y temperatura (30º y 60 oC) y se  plantea un diseño 26-2. (Colectivo de autores., 1992). 
III. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS. 
En el análisis en primera instancia del diseño experimental para el proceso de sorción de iones cobre (II) por sonorización,  
puede apreciarse como el diámetro de partícula, concentración inicial de  la solución, pH, pulso y tiempo de contacto se ven 
favorecidos en el proceso de captación de los iones Cu2+; además la ecuación sugiere que hay un grupo de interacciones 
influyentes en el proceso, pero estas tienen que ser investigadas para llegar a un análisis final. (Pitzer K.S., 1991). 
   
La matriz obtenida se exhibe en la Tabla 2 que se muestra a continuación: 
 
Experimento d (mm) Ci (g/L) pH Pulso (s) t (min.) T (°C) %Cu Sor 
1 0,12 0.50 6 0,50 1 60 41.30 
2 0,12 0,50 6 6,00 1 30 23.91 
3 0,12 1,00 6 6,00 5 60 39.26 
4 0,07 1,00 6 0,50 1 30 29.63 
5 0,07 0.50 3 6,00 1 60 4.35 
6 0,07 1.00 6 6.00 1 60 34.81 
7 0,12 1.00 3 6.00 1 30 39.26 
8 0,12 1.00 3 0,50 1 60 25.93 
9 0,07 1.00 3 0,50 5 60 30.37 
10 0,07 0.50 6 6,00 5 30 32.61 
11 0,07 0.50 3       0.50 1 30 0 
12 0,12 0,50 3 0,50 5 30 10.87 
13 0,12 0.50 3 6.00 5 60 0 
14 0,07 0,50 6       0.50 5 60 30.43 
15 0,12 1.00 6 0.50 5 30 34.07 
16 0,07 1.00 3 6,00 5 30 31.11 
Tabla 2. Matriz del diseño experimental asistido con ultrasonidos (d: diámetro; t: tiempo; T: temperatura). 
09.02 
Dicha ecuación se muestra a continuación: 
 
 
Y= 25.01+4.23A+7.44B+7.88C+0.044D+0.36E+0.12(A*B)–1.51(A*D)–3.12(A*E)+2.76(B*D)+2.84(A*B*D)    (4) 
 Donde: 
 
Y  Por ciento de adsorción 
A  Diámetro de partícula. 
B  Concentración inicial. 
C  pH. 
D  Pulso. 
E  Tiempo 
 
A continuación se muestra la matriz obtenida por efectos mecánicos 
   
Experimento d (mm) Ci (g/L) pH Vel (rpm) t (min.) T (°C) %Cu Sor 
1 0,07 0.50 3 100 5 30 5.20 
2 0,12 0,50 6 100 5 30 9.61 
3 0,07 1,00 6 100 5 60 7.11 
4 0,12 1,00 3 100 5 60 1.90 
5 0,07 0.50 6 300 5 60 20.20 
6 0,12 0.50 3 300 5 60 0 
7 0,07 1.00 3 300 5 30 2.00 
8 0,12 1.00 6 300 5 30 10.63 
9 0,07 0.50 3 100 10 60 2.03 
10 0,12 0.50 6     100 10 60 0 
11 0,07 1.00 6     100 10 30 10.6 
12 0,12 1.00 3     100 10 30 2.22 
13 0,07 0.50 6 300 10 30 17.62 
14 0,12 0,50 3     300 10 30 2.74 
15 0,07 1.00 3 300 10 60 2.95 
16 0,12 1.00 6 300 10 60 14.7 
Tabla 3: Matriz de diseño experimental sin ultrasonido 
 
La ecuación que responde al por ciento de adsorción e intercambio es: 
 
Y= 8.06 + 5.69pH         (5) 
 
Es apreciable el porcentaje de sorción de cobre (II) sobre la matriz silícica con impulsos ultrasónicos  en comparación con el 
mismo sin efecto mecánico. A continuación se puede observar la tabla que recoge los parámetros de la curva de adsorción  
para un tamaño de grano de 0.125 mm. de diámetro obtenidos por  sonorización. 
 
 
Conc 
total(mg/L) 
mg adsorbidos qa(mg/g) Conc 
Cu(mg/L) 
Conc 
Cu/qa(g/L) 
Ln qa Ln Conc Cu 
2790 20.07 100.35 2121 21.14 4.6086 7.6596 
1710 16.38 81.9 1164 14.21 4.4054 7.4169 
1220 13.34 66.7 775.33 11.62 4.2002 6.6532 
620 10.06 50.5 281.33 5.59 3.918 5.6395 
90 2.17 10.85 17.6 1.62 2.3841 2.8713 
Tabla 4: Valores de los parámetros termodinámicos de la curva de adsorción 
 
 
XCu(s) XCu(z) XCa(s) XCa(z) α KCu/Ca 
0.83 0.51 0.17 0.72 0.15 0.02 
0.73 0.45 0.27 0.76 0.21 0.05 
0.67 0.39 0.33 0.80 0.24 0.06 
0.42 0.32 0.58 0.84 0.52 0.28 
0.05 0.06 0.95 0.96 1.27 1.61 
Tabla 5: Valores de fracciones molares equivalentes, coeficiente de selectividad y factores de separación. 
 
 
 
 
 
09.03 
 
Fig.1 Dependencia X) vs ln K para tamaño de partícula                    Fig.2   Curva de adsorción para tamaño de partícula de  
         0,125mm                                                                                                             0,125 mm    
 
 
 
 
Tabla 6: Valores de los parámetros termodinámicos de la curva de adsorción  
 
 
 
Tabla 4: Valores de los parámetros termodinámicos de la curva de adsorción 
 
 
   Fig. 3  Curva de adsorción para tamaño de                                     Fig.4 Isoterma de intercambio iónico para tamaño de  
               partícula de 0.071 mm                                                                  partícula 0.071 mm 
    
                                                                                                                                                                                                                    
 
 
 
 
 
   
XCu(s) XCu(z) XCa(s) XCa(z) Α KCu/Ca 
0.83 0.50 0.17 0.73 0.14 0.02 
0.71 0.46 0.29 0.76 0.25 0.06 
0.58 0.42 0.42 0.79 0.39 0.16 
0.21 0.29 0.79 0.87 0.26 1.59 
0.01 0.05 0.99 0.98 4.82 23.26 
Conc total(mg/L) mg adsorbidos qa (mg/g) Conc Cu(mg/L) Conc Cu/qa(g/L) Ln qa Ln Conc Cu 
2860 18.93 189.3 2229 11.67 5.2433 7.7093 
1680 16.67 166.7 1124.3 6.74 5.1161 7.0249 
1020 14.21 142.1 569.33 4.19 4.4965 6.3907 
380 8.19 81.9 107 1.30 4.4054 4.6728 
40 1.09 10.9 3.66 0.33 2.3887 1.2974 
-6
-4
-2
0
2
4
0 0.2 0.4 0.6
XCu(z)
ln
 K
Serie1
0
20
40
60
80
100
120
0 1000 2000 3000
Cu(mg/l)
qa(mg/g)
Serie1
0
50
100
150
200
0 1000 2000 3000
Cu(mg/l)
qa(mg/g)
Serie1
y = -0.6607x2 + 1.0591x + 0.0563
R2 = 0.97750
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 0.5 1
XCu(s)
XCu(z)
Serie1
Polinómica (Serie1)
09.04 
Para el tamaño de partícula de 0.125 mm se aprecia a partir de los valores  de α AB  que hay preferencia por el Cu2+ para 
valores bajos de su concentración. 
 
Lo anteriormente planteado se corrobora al establecer la dependencia entre las fracciones molares del Cu2+ en el zeolitoide y 
la solución, obteniéndose una isoterma que pasa por debajo de la diagonal. (Ver gráficos fig. 1, 2, 3 y 4) 
 
Para establecer la dependencia ln KAB vs XCuCa  se empleó el método Kielland para obtener la variación de energía libre 
estándar 
 
ln Keq=∫01 ln KAB d XCu(Z) 
ln Keq= 0.872859 
∆G0= -0.34 J/mol. 
 
    
 
Para un tamaño de partícula de 0.071 mm  al establecer la dependencia de la concentración  del cobre(II) en el zeolitoide y en 
la solución, se obtienen resultados diferentes al tamaño de grano anterior ya que en este caso el zeolitoide tiene preferencia 
por ion Cu2+, porque la isoterma pasa por  encima de la diagonal.  
 
Empleamos el método Kielland para obtener la variación de energía libre estándar, donde se tiene: 
 
ln Keq=∫01 ln KAB d XCu(Z) 
ln Keq= 0.181555 
∆G0= -0.44 J/mol. 
 
CARACTERIZACIÓN PARCIAL DEL PRODUCTO OBTENIDO POR VÍA SÓNICA  
Análisis térmico:El análisis térmico se realizó en un derivatógrafo Q-1500 D de firma MOM (Hungría) con termopares         
Pt (Pt/Rh) con crisoles de cerámica, teniendo como referencia un crisol vacío en atmósfera estática con sensibilidad     
TG=100 mg ATD=500 µ V, con velocidad de calentamiento 10 0C/min y velocidad del papel de 2.5 mm/min.              
(Atkins P. W., 1992)   
De las curvas correspondientes al TG y al ATD se puede ver una cinética lenta de pérdida de agua de 80 0C a 375 0C 
aproximadamente, lo cual es característico de estos productos. Un pico endotérmico a 2200C atribuible a la descomposición 
de carbonato básico de cobre Un pico endotérmico a 820 0C que pudiera corresponder a la descomposición de CaCO3. 
Finalmente un pico a 904 0C exotérmico, atribuible a cambio de estructura u ordenamiento. (Breck D. W., 1974) 
Análisis infrarrojo cualitativo: Este análisis se realiza en un espectrómetro IR modelo PV 9512 de la firma Phillips 
preparándose las pastillas en KBr (0.2%). En el espectro se verifica la presencia de picos característicos de silicatos en la 
zona de 514-1480 cm-1, los cuales se refieren a los distintos tipos de oscilaciones internas dentro de la red (1057.22 cm-1 y 
662.78 cm-1). Las bandas de 1636.00 cm-1 y 3448.00 cm-1 son atribuibles al agua estructural.   
 
Espectro IR Difracción de rayos –X. : El análisis por difracción de rayos-X se realiza en un equipo TUR-62M con 
goniómetro HZG-3 y registrador VAG-142 fabricado en la antigua RDA, utilizando radiación CuKα con velocidad de 
goniómetro de 0.25 0/min, y la del papel registrador de 200 mm/h. Se obtuvo un registro que evidencia baja cristalinidad.  
 
                             Fig. 5. Análisis infrarrojo cualitativo –Transmitancia vs. longitud de onda 
09.05 
  
                                                   
                                     Fig. 6. Espectro de difracción de rayos X                                                 
 
 
Análisis químico: 
CaO 32.04 % 
CuO 2.21% 
SiO2 53.32% 
H2O 11.34 % 
MgO 0.09 % 
Na2O 0.12 % 
Fe2O3 0.09 % 
                         
                             Tabla 7. Resultados  del análisis químico. 
 
El producto obtenido presenta las siguientes características para el tamaño de partícula de 0.071 mm 
 
Densidad aparente por aprisionamiento: 0.64g/cm3.  
Densidad aparente: 0.34 g/cm3   
Densidad verdadera: 1.86g/ml   
             Compresibilidad: 47 % 
             Porosidad: 82%    
 Factor forma: 0.23 
             Superficie específica: 520 m2/g     
 
 
CONCLUSIONES.   
 
1. El diseño del experimento muestra una gran dependencia de la sorción e intercambio con el tamaño de partícula, pH, 
concentración inicial, pulso y tiempo, no así en el rango de temperatura. 
 
2. Los tamaños de partículas sometidos a análisis de sorción e intercambio se ven favorecidos para bajas concentraciones 
de cobre (II) en los estudios realizados para las curvas de sorción. 
 
 
 
REFERENCIAS 
Casadonte, Jr. D.J., Sweet, J.D., Vedamuthu, M.S. (1994)  Ultrasonics.32(6), 447 
Colectivo de autores.(1992)  Fundamentos de la física y la técnica de ultrasonidos. Editorial Mir, Moscú.  
Breck D. W.( 1974)  Zeolite Molecular Sieves,  Wiley, New York, pag. 530 
09.06 
Atkins P. W. (1992)  The elements of Physical Chemistry. Oxford University press,.pag 192 
Pitzer K.S. (1991)  Activity Coeficiente in Electrolite Solution 2nd Edition,.pag. 435 
 
 
ABSTRACT 
 
The determinations ruling the processes of Cu+2 ions sorption in steady state with and without ultrasonic impulses in a silica 
base product with water of zeolitic-behaviour structure obtained by gelification, are introduced. Two fractions of different 
particle size are selected to determine its apparent density, confined apparent density, true density, compressibility, porosity, 
shape factor, specific surface. The sorption process is carried out in given acidity, temperature, pulse, Cu2+2 concentration, 
particle diameter and time. 
 
From an alternative viewpoint, the product is obtained with Cu+2 ions in specific conditions of acidity, shake speed, particle 
diameter, temperature, Cu+2   concentration and contact time. 
 
Key words: adsorption – sorption – zeolits - mechanical effects and  noising (waves). 
 
 
 
09.07 


http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/94847/Documento_completo.pdf?sequence=1

Estudio de la adsorción de iones Cu (II) en un sorbente de base silícica en régimen estático mediante efectos mecánicos y sonorización

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