Carbón activado: Alternativa para la purificación de gases de ...

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Química

Carbón activado: Alternativa para la purificación de gases

de combustión

María Laura De La Hoz Ontiveros

Jeison Enrique Sarmiento Nadales

Tutor(a): Analjorie Lugo

Caracas, junio del 2018

II

Derecho de autor

Quienes suscriben, en condición de autor del trabajo titulado

“Carbón activado: Alternativa para la purificación de gases de

combustión”, declaramos que: Cedemos a título gratuito, y en forma pura

y simple, ilimitada e irrevocable a la Universidad Metropolitana, los

derechos de autor de contenido patrimonial que nos corresponden sobre

el presente trabajo. Conforme a lo anterior, esta cesión patrimonial sólo

comprenderá el derecho para la Universidad de comunicar públicamente

la obra, divulgarla, publicarla o reproducirla en la oportunidad que ella así

lo estime conveniente, así como, la de salvaguardar nuestros intereses y

derechos que nos corresponden como autores de la obra antes señalada.

La Universidad en todo momento deberá indicar que la autoría o creación

del trabajo corresponde a nuestra persona, salvo los créditos que se

deban hacer al tutor o a cualquier tercero que haya colaborado o fuere

hecho posible la realización de la presente obra.

Autor: María Laura De La Hoz Autor: Jeison Enrique Sarmiento

C.I. 25.641.539 C.I. 25.329.600

En la ciudad de Caracas, al 1 día del mes de junio del año 2018

III

Aprobación

Considero (amos) que el Trabajo Final titulado

CARBÓN ACTIVADO: ALTERNATIVA PARA LA PURIFICACIÓN

DE GASES DECOMBUSTIÓN

elaborado por los ciudadanos

MARÍA LAURA DE LA HOZ ONTIVEROS

JEISON ENRIQUE SARMIENTO NADALES

para optar al título de

INGENIERO QUÍMICO

reúne los requisitos exigidos por la Escuela de Química de la

Universidad Metropolitana, y tiene méritos suficientes como para ser

sometido a la presentación y evaluación exhaustiva por parte del jurado

examinador que se designe.

En la ciudad de Caracas, al 1 día del mes de junio del año 2018

_________________

Ing. Analjorie Lugo Armas

V

Agradecimientos

Este trabajo de investigación fue posible gracias a Dios y la Virgen,

que me guió y me dio la fuerza y paciencia de seguir adelante y no

rendirme nunca. A mis padres, mis tíos, mi tía y a mi hermano por ser un

constante apoyo e impulsarme a seguir, aunque no entendieran bien de

qué trataba la tesis. A todos nuestros compañeros que aportaron su

granito de arena para la culminación de este trabajo, a Yatsu, Anna,

Bárbara, Yoli, Teddy, Gabo, Carlitos, Fares, Ramón, y todos los demás

que se me están olvidando, por estar ahí, ayudarnos a triturar el coco y la

naranja, a titular todas las miles de soluciones que hicimos, y por estar

más seguros de nuestro éxito que nosotros mismos. Siempre estaré

agradecida. De último, pero no menos importante, a mi compañero de

tesis, Jeison Enrique Sarmiento Nadales, por estar presente en todos mis

días desde que comenzamos este viaje, por apoyarme en todo, por

pelearme en las cosas en las que no tenía razón y por hacer de este

trabajo de investigación el mejor posible, sin ti no hubiese podido hacer

todo esto, fuiste el mejor compañero de la vida, te adoro un mundo.

María Laura De La Hoz.

Este trabajo de investigación fue posible gracias a una infinidad de

personas por aportar su granito de arena diariamente. Principalmente

agradezco a mi padre por haberme inculcado los valores necesarios para

seguir adelante y siempre ser una mejor persona en la sociedad. Gracias

a mis familiares y amigos más cercanos por su apoyo incondicional

durante todo el transcurso de este trabajo de investigación, especialmente

a Natasha Paéz y Dora Cásares por apoyarme día tras día sin importar

las circunstancias y motivarme a afrontar mis miedos a lo largo de este

trayecto tanto personal como profesional, siempre estaré agradecido por

su hospitalidad, confianza y su cariño incondicional, gracias por todo.

También doy gracias a todas aquellas personas que tomaron un poco de

su tiempo para ayudarnos en los momentos más difíciles, tediosos y

estresantes que se presentaron en el camino de este trabajo de

VI

investigación, Yoliángely Rivas, Yatsuri Velasco, Sthefany Da Gama,

Bárbara león, Carlos Marcano, Gabriel Landaeta, Fares Rivas, Joshua

Albarrán, Sinaí Hernández, Isabella Molina, entre otros. Además,

agradezco a mi tutora de tesis Analjorie Lugo, mejor conocida como Fari,

por su apoyo y consideración a diario. Por último pero no menos

importante, agradezco enormemente a mi compañera María Laura De La

Hoz Ontiveros por su motivación, personalidad y forma de trabajo ya que

fue una pieza clave en todo el trayecto y por complementarme a cada

momento.

Jeison Enrique Sarmiento.

A la Universidad Metropolitana, por permitir nuestra formación

como ingenieros, aplicando el conocimiento adquirido a lo largo de todo el

desarrollo de este trabajo.

A nuestra tutora, Fari Lugo, por ser una excelente guía,

escucharnos y aconsejarnos en todo momento, y por siempre prestarnos

su apoyo incondicional. Nos animaste a continuar y a ser mejores cada

día. Gracias.

A la Sra. Magaly de Villegas y a los técnicos de laboratorio, mejor

conocidos como los Migueles, por su disposición y constante ayuda en el

desarrollo del trabajo experimental.

A los profesores Fernando Armas, Gerardo Camacho, Eleida

García y Rosa Rodríguez, por su disposición a escucharnos, guiarnos y

aportar ideas valiosas a lo largo de todo el trabajo de investigación.

A María Elena Álvarez, por estar siempre ahí escuchando todas

nuestras inquietudes y ser un apoyo constante, animándonos a continuar

y completar esta etapa de nuestras vidas.

María Laura De La Hoz y Jeison Enrique Sarmiento.

VII

Tabla de Contenido

Resumen ..................................................................................... XX

Introducción ................................................................................... 1

Capítulo I. Carbón Activado: Alternativa para la purificación de

gases de combustión. ............................................................................... 2

I.1 Planteamiento del problema ...................................................... 2

I.2 Objetivos ................................................................................... 4

I.2.1 Objetivo general: ......................................................... 4

I.2.2 Objetivos específicos: .................................................. 4

I.3 Limitaciones .............................................................................. 5

I.4 Delimitación .............................................................................. 5

I.5 Justificación .............................................................................. 7

Capítulo II: Marco Teórico .............................................................. 9

II.1 Introducción ............................................................................. 9

II.2 Ambiente y la contaminación.................................................... 9

II.2.1 Cambio climático ...................................................... 10

II.2.2 Efecto Invernadero ................................................... 10

II.2.3 Combustión .............................................................. 11

II.2.4 Dióxido de carbono ................................................... 14

II.3 Adsorción ............................................................................... 16

II.3.1 Tipos de adsorción ................................................... 17

II.3.2 Isotermas de adsorción ............................................ 19

II.3.2.1 Isoterma tipo I ........................................................ 20

VIII

II.4 Carbón Activado..................................................................... 22

II.4.1 Industria .................................................................... 24

II.4.2 Métodos de activación del carbón............................. 25

II.4.3 Activación química .................................................... 25

II.4.4 Activación física ........................................................ 27

II.5 Materia prima ......................................................................... 28

II.5.1 Concha de coco ........................................................ 29

II.5.2 Cáscara de naranja .................................................. 30

II.6 Reactivos y soluciones ........................................................... 31

II.6.1 Indicadores ............................................................... 31

II.6.2 Ácidos y bases ......................................................... 33

II.6.4 Colorantes ................................................................ 35

II.7 Métodos de evaluación .......................................................... 37

II.7.1 Titulación ácido – base ............................................. 37

II.7.2 Adsorción de soluciones acuosas ............................. 37

II.7.2.1 Medida de absorbancia en una solución de azul de

metileno ....................................................................................... 38

II.7.2.2 Medida del área superficial .................................... 39

II.7.3 Adsorción de dióxido de carbono desprendido ......... 40

II.7.3.1 Pruebas pilotos con ENO Seltzer ........................... 40

II.7.3.2 Reacciones con el agua ........................................ 40

II.7.3.3 Reacción con soluciones alcalinas ........................ 42

IX

II.7.4 Método de cuantificación de carbonatos y bicarbonatos

..................................................................................................... 42

Capítulo III: Marco Metodológico .................................................. 47

III.1 Tipo de estudio...................................................................... 47

III.4 Elaboración de carbón activo a partir de cáscaras de naranja y

conchas de coco con el fin de adsorber dióxido de carbono ................... 54

III.4.1 Metodología establecida por Martín-González, Susial,

Pérez-Peña y Doña-Rodríguez..................................................... 54

III.4.1.1 Acondicionamiento de muestras de conchas de

coco ............................................................................................. 54

III.4.1.1.1 Procedimiento experimental .............................. 54

III.4.1.2 Acondicionamiento de muestras de cáscaras de

naranja ......................................................................................... 55


III.4.1.3 Activación química de las muestras ...................... 56


III.5 Selección del carbón activado con mayor capacidad de

adsorción mediante el trabajo experimental relacionado a partir de las

muestras obtenidas................................................................................. 58

III.5.1 Langmuir ................................................................. 58

III.5.1.1 Procedimiento experimental ................................. 59

III.5.2 Adsorción de una solución de Azul de Metileno ....... 60

III.5.2.1 Procedimiento experimental para la curva de

calibración de la solución de azul de metileno en el

espectrofotómetro de UV visible ................................................... 60


X

III.6 Diseño del sistema de captura de dióxido de carbono emitido

por el tubo de escape de un automóvil.................................................... 62

III.6.1 Malla de carbón activado ......................................... 62


III.6.2 Desplazamiento de una columna de agua por medio

de desprendimiento de dióxido de carbono .................................. 63


III.6.2.1 Alternativa del proceso de desplazamiento de agua

por desprendimiento de gases ..................................................... 65


III.6.3 Pruebas pilotos de dióxido de carbono con soluciones

alcalinas ....................................................................................... 67


III.7 Selección de la metodología experimental para la

cuantificación de dióxido de carbono adsorbido de las muestras de gases

por el carbón activado ............................................................................. 69

III.7.1 Selección del automóvil ........................................... 69

III.7.2 Trampa de gases conteniendo soluciones álcali ...... 70


III.7.3 Sistemas propuestos para la adsorción de dióxido de

carbono en carbón activado ......................................................... 71


III.7.4 Sistema para la determinación de dióxido de carbono

inicial en la muestra de gases ...................................................... 72


XI

III.7.5 Peso de malla de Carbón Activado post - combustión

..................................................................................................... 75

Capítulo IV ................................................................................... 76

IV.1 Muestras de carbón activado a base de conchas de coco y

cáscaras de naranja ................................................................................ 76

IV.2 Adsorción de soluciones acuosas. ........................................ 79

IV.2.1 Solución de azul de metileno. .................................. 79

IV.2.2 Langmuir ............................................................................ 83

IV.2.2.1 Isotermas de adsorción ........................................ 83

IV.2.2.2 Área superficial específica .................................... 87

IV.3 Selección de materia prima para producir carbón activado para

la adsorción de dióxido de carbono. ........................................................ 89

IV.3.1 Producción en masa de carbón activado de materia

prima seleccionada ...................................................................... 89

IV.3.2 Isoterma de Langmuir y área por gramo de carbón . 89

IV.4 Pruebas pilotos de adsorción de dióxido de carbono ............ 91

IV.4.1 Desplazamiento de agua por medio de dióxido de

carbono. ....................................................................................... 91

IV.4.2 Corroboración de adsorción de dióxido de carbono

por medio de titulación del ácido carbónico .................................. 93

IV.4.3 Determinación de dióxido de carbono por medio de

carbonatos y bicarbonatos ........................................................... 97

IV.5 Adsorción de dióxido de carbono en carbón activado

proveniente de la combustión ....................................................... 98

Conclusiones ............................................................................. 108

XII

Recomendaciones ..................................................................... 109

Bibliografía ................................................................................. 110

Apéndices .................................................................................. 121

Apéndice A ...................................................................... 121

Apéndice B ...................................................................... 124

Apéndice C ...................................................................... 131

Apéndice D ...................................................................... 137

Apéndice E ...................................................................... 140

Apéndice F ...................................................................... 145

Apéndice G ..................................................................... 149

Anexos ....................................................................................... 152

XIII

Tabla de figuras

Figura 1. Aumento de concentración de dióxido de carbono en

función del tiempo ................................................................................ 15

Figura 2. Tipos de isotermas según Brunauer ......................... 20

Figura 3. Isoterma tipo I ............................................................. 21

Figura 4. Estructura del carbón activado ................................. 24

Figura 5.Seccionesde un coco maduro .................................... 30

Figura 6. Estructura del azul de metileno ................................. 36

Figura 7. Fracción de especies presentes en función del pH . 41

Figura 8. Curva de valoración de una solución de MeOH con

HCl estándar .......................................................................................... 43

Figura 9. Curva de valoración de una solución de Me2CO3 con

HCl estándar .......................................................................................... 44

Figura 10. Curva de valoración de una solución de MeHCO3

con HCl estándar .................................................................................. 44

Figura 11. Curva de valoración de una solución de ................ 45

Figura 12. Curva de valoración de una solución de Me2CO3y

MeHCO3 con HCl estándar .................................................................... 46

Figura 13. Gráfica de Langmuir................................................. 59

Figura 14. Mallas de felpa .......................................................... 63

Figura 15. Sistema armado para el experimento ..................... 64

Figura 16. Sistema para adsorción de dióxido de carbono con

la trampa de gases ................................................................................ 72

Figura 17. Sistema para la determinación de dióxido de

carbono inicial ...................................................................................... 73

Figura 18. Precipitado formado en el experimento .................. 74

Figura 19. Muestras de carbón activado en crisoles de

porcelana ............................................................................................... 76

Figura 20. Carbón activado a base de conchas de coco a

temperatura de activación de 650°C .................................................... 76

XIV

Figura 21. Carbón activado a base de cáscaras de naranja a




Figura 23. Carbón activado a base de cáscaras de naranja a


Figura 24. Moles adsorbidos de azul de metileno a diferentes

tiempos de contacto por carbón activado a base de cáscaras de

naranja a ambas temperaturas de activación ..................................... 81

Figura 25. Moles adsorbidos de azul de metileno a diferentes

tiempos de contacto por carbón activado a base de conchas de coco

a ambas temperaturas de activación................................................... 82

Figura 26. Isoterma de adsorción de Langmuir para las

muestras de conchas de coco a temperatura de activación de 650°C

............................................................................................................... 84


muestras de cáscaras de naranja a temperatura de activación de

650°C...................................................................................................... 84


muestras de conchas de coco a temperatura de activación de 450°C

............................................................................................................... 85



450°C...................................................................................................... 85



Figura 31. Isoterma de adsorción de Langmuir de carbón

activado a base de conchas de coco a temperatura de activación de

650°C...................................................................................................... 90

Figura 32. Sistema utilizado para el desplazamiento de gases

desprendidos ........................................................................................ 91

XV

Figura 33. Gramos promedio de dióxido de carbono

adsorbidos por gramo de carbón en función del tiempo de

exposición a gases de combustión emitidos por el automóvil a

temperatura ambiental ....................................................................... 106

Figura 34. Soluciones utilizadas para la calibración del

espectrofotómetro. ............................................................................. 133

Figura 35. Curva de calibración de la solución de azul de

metileno. .............................................................................................. 134

Figura 36. Experimento de hidróxido de bario con los gases de

combustión. ........................................................................................ 152

Figura 37. Experimento con la trampa de gases en presencia

de los gases de combustión. ............................................................. 152

Figura 38. Velocidad angular alcanzada en cada experimento

realizado con el automóvil. ................................................................ 153

Figura 39. Malla de carbón integrada en el sistema de

adsorción de dióxido de carbono de los gases de combustión. ..... 153

XVI

Índice de tablas

Tabla 1. Radios atómicos en unidades de Angstroms al

cuadrado(𝑨𝟐) ........................................................................................ 34

Tabla 2. Variables de operación ................................................ 48

Tabla 3. Datos del dióxido de carbono ..................................... 49

Tabla 4. Datos del ácido clorhídrico ......................................... 49

Tabla 5. Datos del ácido acético ............................................... 50

Tabla 6. Datos del ácido fosfórico ............................................ 50

Tabla 7. Datos del hidróxido de sodio ...................................... 51

Tabla 8. Datos del hidróxido de potasio ................................... 51

Tabla 9.Datos del hidróxido de bario octahidratado ............... 52

Tabla 10. Reactivos utilizados................................................... 52

Tabla 11. Instrumentos utilizados ............................................. 53

Tabla 12. Características de desempeño y capacidad del

automóvil ............................................................................................... 70

Tabla 13. Moles adsorbidos de azul de metileno por muestras

de carbón activado con respecto al tiempo de contacto ................... 80

Tabla 14. Porcentaje de remoción de azul de metileno por

muestras de carbón activado con respecto al tiempo de contacto .. 80

Tabla 15. Resultado de las áreas superficiales específicas de

los carbones activados a base de ambas materias primas y

temperaturas de activación .................................................................. 87

Tabla 16. Área superficial específica de carbón activado a

temperatura de 650°C por tres horas a base de conchas de coco .... 90

Tabla 17. Moles de dióxido de carbono producidos por gramo

de ENO Seltzer determinados mediante el desplazamiento de agua en

una columna .......................................................................................... 92

Tabla 18. Rendimiento de la valoración de dióxido de carbono

adsorbido por el carbón activado a temperatura constante de 0°C en

pruebas pilotos con ENO Seltzer ......................................................... 93

Tabla 19. Coeficientes de absorción de gases ........................ 95

XVII

Tabla 20. Influencia de la temperatura sobre solubilidades de

gases en agua. ...................................................................................... 95

Tabla 21. Moles de dióxido de carbono en estado acuoso por

gramo de carbón activado basándose en el pH de la solución y sus

respectivas fracciones molares a temperatura constante de 0°C ..... 96

Tabla 22. Rendimiento de la captura de dióxido de carbono en

soluciones alcalinas a temperatura ambiental ................................... 97


una solución de hidróxido de bario a temperatura ambiental ........... 98

Tabla 24. Gramos emitidos de dióxido de carbono por el

automóvil a distintos tiempos de corrida manteniendo constante la

velocidad angular ................................................................................. 99

Tabla 25. Comparación de métodos de determinación de

dióxido de carbono adsorbido por carbón activado emitido por el

automóvil a temperatura ambiental mediante el uso de solución de

hidróxido de sodio y la valoración del ácido carbónico y CO2 acuoso,

manteniendo constante la velocidad angular ................................... 101

Tabla 26. Comparación de métodos de determinación de

dióxido de carbono adsorbido por carbón activado emitido por el

automóvil a temperatura ambiental mediante el uso de solución de

hidróxido de potasio y la valoración del ácido carbónico y CO2

acuoso, manteniendo constante la velocidad angular..................... 102

Tabla 27. Aumento en peso del carbón activado, especificando

los gramos de CO2 y otros compuestos inmersos en la combustión

del automóvil que fueron adsorbidos a distintas corridas

manteniendo la velocidad angular constante ................................... 103

Tabla 28. Influencia del pH en las fracciones molares de los

respectivos compuestos involucrados en el equilibrio de reacción

del ácido carbónico en agua a temperatura constante de 0°C ........ 104


respectivos compuestos involucrados en el equilibrio de reacción

del ácido carbónico en agua a temperatura constante de 0°C ........ 105

XVIII

Tabla 30. Porcentaje de remoción de dióxido de carbono de los

gases de combustión tratados .......................................................... 107

Tabla 31. Valores de las pruebas para la isoterma de Langmuir

para el carbón activado a base de cáscaras de naranja a 450°C como

temperatura de activación .................................................................. 128





para el carbón activado a base de conchas de coco a 450°C como





Tabla 35. Datos representativos de la isoterma de Langmuir de

las muestras y la concentración a la que se forma la monocapa del

carbón activado .................................................................................. 130

Tabla 36. Datos de absorbancia y concentración de soluciones

de azul de metileno utilizada para la curva de calibración de la

solución. .............................................................................................. 134

Tabla 37. Valores para las pruebas de azul de metileno para el

carbón activado a base de cáscaras de naranja a una temperatura de

activación de 450°C ............................................................................ 135



activación de 650°C ............................................................................ 135


carbón activado a base de conchas de coco a una temperatura de

activación de 450°C ............................................................................ 135



activación de 650°C ............................................................................ 136

XIX

Tabla 41. Valores para las pruebas pilotos de adsorción de

CO2 en carbón activado por el desprendimiento del mismo en una

tableta de ENO Seltzer ........................................................................ 139

Tabla 42. Valores para las pruebas pilotos de adsorción de

CO2 en carbón activado por el desprendimiento del mismo en una

tableta de ENO Seltzer para su valoración con hidróxido de sodio 144

Tabla 43. Valores para las pruebas de adsorción del CO2

emitido por el automóvil, empleando NaOH como solución dentro de

la trampa de gases .............................................................................. 151

Tabla 44. Valores para las pruebas de adsorción del CO2

emitido por el automóvil, empleando KOH como solución dentro de

la trampa de gases .............................................................................. 151

XX

Resumen

Carbón activado: Alternativa para la purificación de gases de

combustión.

Autor(es): María Laura De La Hoz

Jeison Enrique Sarmiento

Tutor: Prof. Analjorie Lugo Caracas, Junio 2017.

Las emisiones de dióxido de carbono representan un agente

contaminante de gran influencia sobre el calentamiento global, siendo

éstas producto del uso de combustibles fósiles, como la gasolina. Por lo

tanto, varias alternativas han sido estudiadas para la reducción de dichas

emanaciones, siendo el carbón activo una de las propuestas más

atractivas. Este material adsorbente puede ser fabricado a partir de

material lignocelulósico, entre los que destacan la cáscara de naranja y

concha de coco; materia prima utilizada en esta investigación. Dichos

materiales fueron activados químicamente, mediante la impregnación con

ácido fosfórico al 23,54% por una semana, y su posterior carbonización a

450°C y 650°C por un período de 3 horas. Se realizaron diversas pruebas

para medir la propiedad adsortiva de las muestras, como su área por

gramo de carbón; con el propósito de establecer cuál sería el material

precursor más adecuado para la adsorción de dióxido de carbono emitido

por los automóviles. Se concluyó que el carbón activo a partir de conchas

de coco, activado a una temperatura de 650°C era un material viable, por

lo que se realizaron diversas metodologías experimentales que

permitieron la cuantificación del dióxido de carbono adsorbido por el

adsorbente, calculando así el porcentaje de remoción de dicho compuesto

en las corrientes de gases de combustión estudiadas, superando éste el

90% en la mayoría de los casos.

Palabras Claves: Carbón activado, adsorción, preparación de carbón

activo, caracterización de carbón activo, gases de combustión, dióxido de

carbono.

Introducción

Actualmente el cambio climático es una problemática que afecta a

todo ser vivo, siendo el calentamiento global una de las consecuencias

más directas del mismo. El aumento de la temperatura terrestre es

producto del incremento de la concentración de los gases de efecto

invernadero, en donde el dióxido de carbono se figura como aquel que

tiene más influencia. Las emisiones de dióxido de carbono provienen en

su mayoría del uso de energías contaminantes, como los combustibles

fósiles, entre los que se puede mencionar la gasolina; por lo tanto, el

origen más importante de las emanaciones de este gas son las fuentes

móviles.

Entre las alternativas estudiadas para la disminución de dióxido de

carbono del ambiente, la adsorción se presenta cada vez como una de las

más viables; tal que entre los adsorbentes mayormente utilizados, el

carbón activo se muestra como uno de los más eficientes en la remoción

de sustancias orgánicas e inorgánicas presentes en el agua y en la

purificación de gases, siendo este último el objeto de estudio en este

trabajo. Su estructura porosa desarrollada y grupos funcionales presentes

en su superficie, entre los que figuran los grupos carboxílicos, fenólicos,

lactonas y carbonilos, le otorgan la capacidad de retener en su interior los

compuestos que se deseen eliminar. El carbón activado se elabora

partiendo de materia prima con un alto contenido de carbono, tal que el

uso de materia renovable, como las cáscaras de naranja y conchas de

coco, se presentan como una opción viable, tanto económica como

técnicamente. De tal manera, este trabajo de investigación se centra en la

elaboración de carbón activo partiendo de los materiales previamente

mencionados, con el fin de verificar su capacidad de adsorción de dióxido

de carbono de las corrientes de gases emanadas por los tubos de escape

de los automóviles.

Para lograr el objetivo propuesto, las muestras son sometidas a un

proceso de activación a tiempo constante y temperatura variable. Esto

permite evaluar el comportamiento de la materia prima a dichas

condiciones, permitiendo la determinación del área superficial específica

de cada muestra mediante isotermas de adsorción de ácido acético sobre

carbón activo. Luego de su respectiva comparación, se define la

temperatura óptima y la materia precursora a emplear para la purificación

de los gases de combustión.

Al repetir el proceso de activación con la materia prima

seleccionada, a través de la aplicación de diversas metodologías

experimentales, se puede calcular el porcentaje de remoción de dióxido

de carbono de la corriente de gas trabajada, verificando así la eficiencia

del carbón activo fabricado en dicho proceso de adsorción.

El tomo está estructurado de la siguiente manera:

- Capítulo I: En donde se localiza la introducción al trabajo, el

planteamiento de problema, la delimitación y justificación de la

investigación, así como los objetivos planteados, de forma

general y específica.

- Capítulo II: Se presenta el marco teórico, en donde se detallan

los conceptos relevantes para la comprensión de esta

investigación.

- Capítulo III: En este capítulo se encuentra la metodología

empleada a lo largo del desarrollo de este estudio.

- Capítulo IV: Corresponde a los resultados y su respectiva

discusión, en función a las pruebas realizadas.

Por último, se presentan las conclusiones y recomendaciones de

este trabajo de investigación.

2

Capítulo I. Carbón Activado: Alternativa para la

purificación de gases de combustión.

I.1 Planteamiento del problema

Desde el siglo pasado se ha visto un incremento exponencial en la

fabricación de automóviles que trabajan con motores de combustión

interna de gasolina, lo que ha influenciado de manera desfavorable al

medio ambiente debido a que ha generado una contaminación

atmosférica que afecta directamente a todos los ecosistemas del planeta.

“Uno de los cambios ambientales más importantes que se están

produciendo en la actualidad es la acumulación de dióxido de carbono

(CO2) atmosférico” (Henry y Heinke, 1999, p.135). Esta frase expresa uno

de los problemas ambientales más preocupantes de los últimos tiempos,

debido a que las altas concentraciones de este compuesto derivan en

efectos dañinos para la salud. Aunado a esto, la mayor influencia que

tiene la acumulación de los gases invernaderos sobre el planeta es el

incremento de la temperatura atmosférica y de la superficie terrestre,

dichas consecuencias vienen dadas en una gran proporción por las

emisiones de gases al ambiente.

De acuerdo a lo expresado por Masters y Ela (2008):

La mayor parte de las emisiones provienen de coches y

camiones, que emiten esos contaminantes en medio de

poblaciones urbanas llenas. En muchos países en vías de

desarrollo del mundo, la tasa de crecimiento de vehículos

sobrepasa con mucho la tasa de crecimiento demográfico, y

esto lleva a la congestión y una calidad del aire urbano muy

poco sana (p. 416).

3

De la cita anterior, se puede deducir que uno de los mayores

agentes contaminantes en las ciudades de gran población son las

emisiones generadas por la combustión que tiene lugar en los

automóviles, por lo que se han establecido medidas para controlar y

regular sus emisiones y así, generar un menor impacto sobre el medio

ambiente. Según Masters y Ela (2008), los fabricantes de automóviles en

pro de cumplir los estándares sobre la emisión de gases llegaron a la

conclusión de que la mejor manera de controlar estas emisiones era por

medio de un método de conversión catalítica. Por lo tanto, se integró en

los vehículos una estructura llamada catalizador que, impregnada de

diversos compuestos inertes, oxida los hidrocarburos y el monóxido de

carbono (CO) presentes, como también reduce las emisiones de óxidos

de nitrógeno a nitrógeno molecular (N2). Aunque este convertidor

catalítico proporciona un control sobre las emisiones muy eficiente, al

transformar el CO en dióxido de carbono (CO2), genera un mayor flujo de

dióxido de carbono que también es necesario regular; esta es una

problemática a la que se debe prestar atención para no acelerar el daño al

ambiente.

Actualmente, se han implantado herramientas y/o maneras de

reducir dichas emanaciones antes de que se integren al aire atmosférico,

como lo son el uso de filtros que se acoplan al tubo de escape, que

contienen algas e hidróxido de sodio que transforman el CO2 desprendido

en azúcares inocuas y agua mediante la fotosíntesis; tomando como

ejemplo de dicha aplicación el CO2UBE. Estos métodos de regulación de

las emisiones son costosos y tienen una vida útil muy corta, por lo que se

podría considerar otra alternativa para purificar los gases de combustión

que emanan del tubo de escape de automóviles, como por ejemplo, el

carbón activado.

Dicho carbón “es un producto que posee una estructura cristalina

reticular similar a la del grafito; es extremadamente poroso y puede llegar

a desarrollar áreas superficiales del orden de 1,500 metros cuadrados, por

4

gramo de carbón.” (E. U. Politécnica U. Sevilla, 2010, p.10). Este material

es producto de la carbonización y activación de ciertos materiales

orgánicos, dándole propiedades únicas en cuanto al área intraparticular

que facilita la adsorción de diversos compuestos químicos que pueden

estar en fase gaseosa o líquida. Este, a su vez, puede variar en sus

características dependiendo de la materia orgánica y método de

activación seleccionado para la elaboración del producto. (E. U.

Politécnica U. Sevilla, 2010, pp.10-12). Estos atributos le dan la capacidad

de ser aplicable en diversas áreas, por lo que surge la siguiente

interrogante: ¿Será de utilidad el carbón activado con el fin de adsorber el

CO2 dentro de las emisiones de los gases de los tubos de escape de los

carros?

I.2 Objetivos

I.2.1 Objetivo general:

Evaluar la capacidad de adsorción del CO2 proveniente de la

combustión de gasolina de 95 octanos con carbón activado.

I.2.2 Objetivos específicos:

- Elaborar carbón activado a partir de cáscaras de coco y de

naranja con el fin de adsorber CO2.

- Seleccionar el carbón activado con mayor capacidad de

adsorción mediante el diseño experimental relacionado a partir

de las muestras obtenidas.

- Diseñar el sistema para la captura del CO2 emitido por el tubo

de escape de un automóvil.

5

- Seleccionar la metodología experimental para la determinación

de la cantidad de CO2 adsorbido de las muestras de gases por

el carbón activado.

I.3 Limitaciones

En el transcurso de este trabajo de investigación se enfrentaron

diversos problemas que obstaculizaron y retrasaron la metodología

seguida, entre las que se puede mencionar:

La inexistencia de equipos necesarios para el cumplimiento

adecuado de cada procedimiento establecido, lo que fomentó la

reestructuración de estrategias para cumplir con los objetivos planteados.

El acondicionamiento de la materia prima, cuya duración fue mayor

a la esperada, retrasando así el cronograma. El porcentaje de agua en las

cáscaras de naranja alargó el tiempo estipulado para el secado de las

muestras, como también el endocarpio del coco, por ser un material de

alta dureza, dificultó el proceso de trituración.

Además, se tomó un período extra para verificar las condiciones de

los reactivos a utilizar, tanto su fecha de vencimiento como su

concentración real, para poder realizar los cálculos con los valores

exactos.

Por otro lado, se invirtió un tiempo considerable para hallar el

automóvil que tuviese un catalizador integrado, sin embargo, se encontró

el adecuado al momento de realizar las pruebas con los gases de

combustión.

I.4 Delimitación

El trabajo de investigación se enfocó en el tratamiento de gases, en

específico en la adsorción de CO2, procedente de las emisiones de gases

de combustión de gasolina por el tubo de escape de automóviles. A partir

6

de 1996 se han celebrado distintas jornadas ambientales donde se llegó a

la conclusión de que, aunque el CO2 no es el gas de mayor efecto

invernadero, éste ha sufrido un aumento de más de 15% en los últimos 30

años (Ballesteros et al., 2009). Este incremento es significativo y ha

provocado un considerable recalentamiento en la superficie terrestre, lo

que representa un peligro a la sostenibilidad del ambiente y del planeta.

Se pueden aplicar varios métodos para la recolección del CO2

presente en el ambiente, entre ellos la adsorción con un material

altamente poroso es una alternativa considerable. Se utilizó carbón

activado como elemento de estudio para la adsorción del material, ya que

su área intraparticular le permite adsorber moléculas tanto en presencia

de líquidos como en gases. Para la fabricación del carbón activado se

decidió trabajar con residuos de materia orgánica, las conchas de coco y

cáscaras de naranja específicamente, ya que estos materiales poseen un

alto contenido de carbono en su estructura; además, son de fácil

adquisición en la ciudad de Caracas y tienen un precio asequible. La

metodología que se tomó como guía para el proceso de activación

química y el procedimiento experimental asociado es aquel establecido

por Martín-González, Susial, Pérez-Peña y Doña-Rodríguez (2013) en su

trabajo de investigación de carbón activado partiendo de hojas de banana.

Luego, se aplicó el modelo de Langmuir para la determinación de la

porosidad del carbón activado por medio del análisis de las isotermas

obtenidas de la adsorción de soluciones acuosas de ácido acético.

También se realizaron pruebas en donde se evaluó la decoloración de

una solución de azul de metileno con carbón activado.

Se realizó un proceso de adsorción tomando los gases producidos

por la combustión interna de un automóvil como muestra; estos fueron

procedentes de la quema de gasolina de 95 octanos sin plomo en el

proceso de combustión interna del automóvil.

El trabajo experimental se llevó a cabo en el Laboratorio de Calidad

Ambiental como en el Laboratorio de Analítica de la Universidad

7

Metropolitana; se necesitaron diversos reactivos para la realización de los

experimentos que se adquirieron en los laboratorios de la Universidad; en

caso de no haberlos conseguido, estos fueron de fácil fabricación. Se

realizaron todas las pruebas experimentales en un período de tiempo de

15 semanas.

I.5 Justificación

Hoy en día, el aumento de la concentración de los gases de efecto

invernadero que tienen impacto en la atmósfera ha afectado directamente

al medio ambiente de tal manera que la calidad de vida de los organismos

vivos se ha visto en peligro; debido a que puede ocasionar enfermedades

que afectan al aparato respiratorio, entre muchos otros efectos. Aunado a

este hecho, en un comunicado de prensa de la Organización Mundial de

la Salud (OMS, 2016) se declara que en la última década se ha

determinado una cifra de aproximadamente 8,2 millones de personas que

han muerto por enfermedades atribuibles a la contaminación del aire. En

el mismo también se nombra una cifra de muertes que se pueden evitar

proporcionando una buena gestión ambiental, siendo la cifra mayor a los 6

millones de personas entre niños y adultos. Como lo expresa la Dra.

Margaret Chang (2016), citada en el comunicado de prensa de la

Organización Mundial de la Salud (OMS, 2016), “si los países no adoptan

medidas para que los ambientes en los que se vive y se trabaja sean

sanos, millones de personas seguirán enfermando y muriendo

prematuramente”. Por estas razones, hemos enfocado el trabajo de

investigación a la regulación de emisiones de CO2, para mitigar su

impacto en el entorno y posteriormente en la salud de las personas y el

ecosistema.

Existen muchos métodos para regular y optimizar los procesos que

generan emisiones de CO2, como lo son el uso del dióxido de carbono

como materia prima en procesos industriales, la utilización de filtros en las

corrientes gaseosas y/o líquidas que se liberan en la atmósfera, como

8

también se han explorado estructuras que permiten la adsorción de

compuestos en las corrientes de fluidos, que es el caso de estudio de este

trabajo. Por lo tanto, debido a las propiedades físicas y químicas que

presenta el carbón activado, se estima que este puede adsorber

moléculas de CO2, por lo que se verificó cuál es el grado de afinidad que

tiene el CO2 que proviene de las corrientes de gases de combustión de

los tubos de escape de los automóviles con el carbón activado que se va

a trabajar, evaluando su nivel de adsorción y por consiguiente, la eficacia

del proceso. Esto se realiza con la finalidad de poder establecer

parámetros de estudio e investigación para generaciones futuras, que

deseen utilizar nuevas tecnologías y generar alternativas sustentables

para disminuir así las emisiones de este gas de efecto invernadero en la

atmósfera.

9

Capítulo II: Marco Teórico

II.1 Introducción

En el siguiente capítulo se tratarán diversos temas de suma

importancia para la comprensión del trabajo de grado desarrollado, por lo

cual en este se separarán las diversas áreas de conocimiento, las cuales

son: el ambiente y la contaminación, la adsorción, los reactivos y

soluciones preparadas, los métodos de evaluación utilizados y los

instrumentos usados, estos conceptos y explicaciones permitirán un

entendimiento adecuado del trabajo de grado.

II.2 Ambiente y la contaminación

De acuerdo a Henry y Heinke (1999, p.2), el ambiente es “el hábitat

físico y biótico que nos rodea; lo que podemos, ver, oír, tocar, oler y

saborear”. Es decir, es el sistema en el cual se integran variables

biológicas y físico – químicas, que son necesarias para los organismos

vivos, es donde interactúan las formas de vida. Sin embargo, con el

tiempo éste se ha ido deteriorando debido a la contaminación, que los

mismos autores definen como “un cambio indeseable en las

características físicas, químicas o biológicas del aire, el agua o el suelo

que puede afectar de manera adversa la salud, la supervivencia o las

actividades de los humanos o de otros organismos vivos”.

Las mejoras al estándar de vida de los seres humanos mediante la

aplicación de diversas tecnologías, se han derivado en la alteración del

medio ambiente que nos rodea, afectándolo mayormente de forma

negativa. “Los seres humanos son los más poderosos perturbadores de

su propio medio, no obstante que su salud y quizá su supervivencia sobre

la Tierra dependen de las condiciones del mismo” (Henry y Heinke, 1999,

p.111). Mantener en buen estado el medio ambiente es imperativo, por lo

que se deben crear medidas para el control de todas las consecuencias

10

de la contaminación provocadas tanto antropológica como naturalmente,

siendo uno de los principales efectos el cambio climático.

II.2.1 Cambio climático

Según la Organización de las Naciones Unidas para la

Alimentación y la Agricultura (2018), “el cambio climático amenaza

nuestra capacidad de alcanzar la seguridad alimentaria mundial, erradicar

la pobreza y lograr el desarrollo sostenible.”

El cambio climático es la variación global del clima de la Tierra, y

representa una problemática que afecta a todo ser vivo, debido a que

influye directamente en su ecosistema; de acuerdo a lo establecido por

Greenpeace (2018), algunos de los efectos que se pueden evidenciar

debido al cambio climático es el incremento en el nivel del mar, el deshielo

de los glaciares y el aumento de la temperatura global, que en 2016 fue

de 1,1°C, el mayor de la historia de la humanidad. Estos hechos influyen

tanto en las sequías presentadas en el planeta, los riesgos en la salud,

como el rebrote de enfermedades y los fenómenos meteorológicos

extremos.

II.2.2 Efecto Invernadero

El aumento de la temperatura global es una consecuencia directa

del efecto invernadero, por lo que es necesario definir primero este

término antes de continuar. El efecto invernadero es un fenómeno

mediante el cual ciertos gases emitidos de la superficie terrestre se

acumulan en el límite de la atmósfera con el espacio exterior, lo que crea

una capa que sólo permite la salida de una parte del calor al espacio, lo

cual produce un calentamiento gradual de la superficie. Gallardo y Barra

(1997), clama que el clima global ha aumentado significativamente como

resultado del aumento de concentraciones de gases invernaderos, los

11

cuales son el metano, vapor de agua, el dióxido de carbono, óxidos

nitrosos y de azufre, ozono y clorofluorocarbonos; estos son conocidos

como Gases de Efecto Invernadero (GEI), se originan de manera natural o

antropológico y son capaces de absorber y emitir las radiaciones de onda

larga, es decir, la radiación infrarroja, proveniente del sol; al aumentar la

concentración de dichos gases, la atmósfera ofrece mayor resistencia al

escape necesario de la radiación al espacio y dicha propiedad es la

causante del efecto invernadero.

En el XII Congreso Forestal, celebrado en Quebec, Canadá, en el

año 2003, se mencionan las principales fuentes de emisiones de dichos

gases; el metano, se produce del consumo de combustibles fósiles y la

quema de biomasa, como de la descomposición anaeróbica de vegetales

en tierra húmedas. En cambio, el óxido nitroso proviene mayormente de

las actividades agropecuarias, como de fuentes industriales y la

combustión de carburantes fósiles. Los clorofluorocarbonos se originan

del uso de materiales de origen sintético, como lo pueden ser los

aerosoles, las espumas, refrigerantes, entre otros. El dióxido de carbono,

se forma de la quema de combustibles fósiles, como lo son el petróleo,

gas y el carbón, de la deforestación y el desgaste del humus del suelo;

este representa el mayor contribuyente al calentamiento global. Un claro

ejemplo de las consecuencias de las emisiones de dichos gases, según

Masters y Ela (2008, p.416), son los problemas urbanos de contaminación

atmosférica en China, en donde se estima que causan alrededor de

50.000 muertes de niños por año y 400.000 ataques respiratorios. De

todas las fuentes emisoras, la combustión de los vehículos a motor

representa la gran mayoría de las emisiones.

II.2.3 Combustión

Para entender inicialmente qué es la combustión, es necesario

introducir los elementos que participan en este proceso, como lo son:

12

- Combustible: Se considera un combustible cualquier material que

libera energía al quemarse. En este caso, es aquella sustancia,

compuesta principalmente de carbono (C) e hidrógeno (H), que

forman largas cadenas de hidrocarburos; dependiendo de la forma

de la cadena se forman compuestos diferentes como gasolina,

gasoil, gas petróleo licuado (GPL), entre otros.

- Comburente: Es la sustancia necesaria para que el combustible

reaccione, es decir, un agente que permita la oxidación del

combustible.

La combustión, según Testo Argentina S.A. (2018), “es la

conversión de la energía química primaria contenida en los combustibles

fósiles tales como el carbón, petróleo y madera en energía calorífica por

medio de un proceso de oxidación”. Es decir, es aquel proceso en donde

el combustible se combina con el comburente, usualmente aire,

produciendo así calor y luz en forma de llama y los productos químicos

resultantes de la reacción.

Es necesario especificar un poco sobre el aire y su composición,

ya que es el agente oxidante más utilizado; de acuerdo a Cengel y Boles

(2009, p. 773), para efectos prácticos, se considera que el aire está

compuesto en un 21 por ciento de oxígeno y 79 por ciento de nitrógeno.

Por lo tanto, por cada mol de oxígeno que ingresa en la cámara, se tienen

3,76 moles de nitrógeno, siendo este último inerte en la combustión. En el

proceso de combustión, es necesario llevar el combustible por encima de

su temperatura de ignición, que para el caso de la gasolina, sería

aproximadamente 260°C.

De acuerdo a Domínguez (2013), la combustión puede clasificarse

de la siguiente manera:

- Combustión completa: Se quema por completo el combustible; en

este caso todo el carbono en el combustible se convierte en CO2,

todo el hidrógeno enagua (H2O), y todo el azufre, en caso de que lo

haya, en dióxido de azufre (SO2).

13

- Combustión incompleta: No se quema por completo el combustible,

dejando remanentes de C, H2 y CO. Esto puede ocurrir por exceso

o defecto de aire en el proceso.

- Combustión estequiométrica: Es aquella combustión ideal que

utiliza la cantidad teórica de comburente, aire teórico, para quemar

por completo el combustible.

Sin embargo, en la práctica, cuando se tratan combustiones reales,

es común utilizar lo que se conoce como exceso de aire, para permitir que

todo el combustible reaccione y lograr controlar la temperatura de la

cámara de combustión, utilizando una cantidad mayor al aire teórico; a su

vez, cuando se ingresa menos aire del teórico se le conoce como

deficiencia de aire.

El combustible utilizado mayormente en Venezuela para el uso de

vehículos es la gasolina de 91 y 95 octanos sin plomo, la diferencia entre

ellas radica en el octanaje, por lo que se debe definir inicialmente qué es

el mismo. El octanaje es una medida de calidad y capacidad de la

gasolina para evitar las detonaciones, se evalúa dentro de un rango de 0

a 100, siendo 0 la peor detonación, casi inmediata, y 100 una detonación

lenta; por lo tanto, así se evitan explosiones espontáneas dentro del

cilindro del motor. Los fabricantes de automóviles especifican un octanaje

específico que sus carros pueden soportar sin sufrir una combustión

prematura, debido a que la eficacia del motor radica en los altos índices

de compresión; por lo tanto, se debe verificar que el combustible soporte

ese nivel de compresión.

Es muy difícil lograr una combustión completa, por lo cual se tiene

una amplia gama de productos, tanto inofensivos, como lo son el

nitrógeno, dióxido de carbono, vapor de agua y oxígeno; como nocivos, tal

como el monóxido de carbono, óxidos nitrosos y de azufre, hidrocarburos

y partículas sólidas como el hollín y la ceniza. Existen varios métodos

para purificar la salida de los gases de combustión, una de ellas viene

integrada en el sistema de escape de la mayoría de los vehículos, que es

14

el catalizador. Este se encarga de transformar las sustancias tóxicas de

los gases de combustión en compuestos inertes, o en su defecto, menos

dañinas, en donde se dice que reduce en un 80 por ciento las emisiones

de gases tóxicos. El catalizador se fundamenta en una catálisis

heterogénea, y consiste en una malla de cerámica cubierta de ciertos

metales que tienen la función de catalizar una reacción entre los gases de

combustión de escape.

Sin embargo, aunque es una buena alternativa para la salvaguarda

del medio ambiente, el uso de gasolina con plomo destruye rápidamente

al convertidor catalítico, como también muchas personas lo remueven de

su coche para lograr mayor aceleración, ya que los gases salen

directamente al ambiente, pero esto contamina más. También, el mal

funcionamiento del catalizador genera emisiones adicionales y reduce la

eficiencia del combustible. Aunado a esto, los catalizadores tienen una

vida útil, cuando llega el momento de cambiarlo, la mayoría de las

personas deciden quitarlo ya que reponerlo es una inversión monetaria

cuantiosa.

Por otro lado, ya que la mayoría del carbono sale al ambiente en

forma de CO2, esto genera a su vez un mayor flujo de este gas, lo cual

aumenta su concentración en el ambiente y fomenta el efecto

invernadero.

II.2.4 Dióxido de carbono

Dicho esto, se debe ahondar en la definición del dióxido de

carbono, conocido también como anhídrido carbónico; sus características

y propiedades físico-químicas, de dónde proviene, y su efecto sobre la

salud humana y el medio ambiente.

El dióxido de carbono a temperatura ambiente es un gas incoloro,

inodoro, poco reactivo y no inflamable. Es uno de los gases más

abundantes de la atmósfera y juega un rol importante en el proceso de

15

fotosíntesis, vital para los seres vivos. Aunque la presencia de dióxido de

carbono es necesario para cumplir con el ciclo de carbono y parte de este

se elimina constantemente para cubrir dicho ciclo, este se desequilibró

desde la revolución industrial, lo que supone que la tasa de absorción es

menor a la producción del mismo, como se puede evidenciar en la figura

1. De tal manera, se puede decir que la acumulación de dióxido de

carbono atmosférico es uno de los cambios ambientales más relevantes

en la actualidad.

Figura 1. Aumento de concentración de dióxido de carbono

en función del tiempo

Fuente: Masters y Ela (2008)

Para tener una idea en cómo el dióxido de carbono afecta al medio

ambiente, en palabras recopiladas del XII Congreso Forestal, en el 2003,

este contribuye con el 70% de lo que sería el calentamiento de la Tierra

previsto para los próximos años; las proyecciones de crecimiento de dicho

gas proveniente del transporte, si no se toma ninguna medida para

16

contrarrestar su efecto, aumentaría de 2500 millones de toneladas en

1990 a un rango entre 3500 y 5100 millones de toneladas para el 2020.

Estudios recientes han concluido que las emisiones de dióxido de carbono

juegan un papel importante en la frecuencia y severidad de las sequías,

inundaciones y tormentas, afectando así a la producción agrícola global.

Aunado a esto, la Organización de las Naciones Unidas para la

Alimentación y la Agricultura (2018), expresa que “las grandes cantidades

de CO2 absorbidas por los océanos causan acidificación, influyendo en la

salud de nuestros océanos y en aquellos cuyos medios de vida y nutrición

dependen de los océanos”. En cuanto a la exposición de los seres

humanos a una concentración alta de este gas en el medio ambiente,

afecta la función respiratoria, da jaqueca, mareos, fatiga, distorsión visual,

entre otros efectos negativos; por lo que es primordial hallar una manera

sustentable de detener el crecimiento de su concentración en la

atmósfera. Aunque el catalizador es una opción, hay diversos caminos

que desarrollar e investigar en cuanto a la post – combustión, en pro de

reducir las emisiones de dióxido de carbono que a un futuro puedan

perjudicar el ecosistema.

II.3 Adsorción

La adsorción se puede utilizar para la remoción de sustancias

indeseadas o impurezas en una corriente de gas o líquido, en donde el

componente a separar se liga de forma química o física a una superficie

sólida, en dicho proceso existe una interacción interfacial y es necesario

remarcar los elementos que la componen:

- Adsorbato: Aquel componente líquido o gas que se adhiere a

las paredes internas del adsorbente, que tiene mayor

concentración que en la fase fluida; es decir, aquel que se va a

adsorber.

- Adsorbente: La fase sólida que posee gran porosidad interna,

en donde el adsorbato se va a adsorber.

17

La capacidad de adsorción que puede tener un adsorbente en

específico varía en función a diversos criterios, primeramente, el tamaño

de los poros internos, es decir, el área intramolecular que posee; las

características físicas y químicas del adsorbato, como de su

concentración o presión; tiempo de contacto entre el adsorbato y

adsorbente, y las condiciones a las que se encuentra el sistema

(temperatura y presión). Es necesario acotar que todos los procesos de

adsorción presentan desprendimiento de calor, por lo cual existe un ∆𝐻

asociado.

II.3.1 Tipos de adsorción

Barrow (1985) establece que la clasificación de los tipos de

adsorción se fundamenta en las fuerzas que fijan las moléculas del

adsorbato, que pueden ser esencialmente físicas o en donde se formen

enlaces químicos, al momento de producirse la adsorción.

Las fuerzas de Van der Waals, también conocidas como fuerzas de

London, son fuerzas residuales, tanto de atracción como de repulsión

entre moléculas o grupos atómicos, no derivadas de un enlace covalente,

de la interacción electrostática entre iones, o de grupos iónicos entre sí o

con moléculas neutras. Las fuerzas de Van der Waals, al igual que los

enlaces de hidrógeno, se basan en dipolos, es decir, en una diferencia de

carga entre dos átomos o moléculas; pero a diferencia de los enlaces de

hidrógeno, los dipolos asociados a las fuerzas de Van der Waals no son

permanentes, es decir, son transitorios. (Consejo Superior de

Investigaciones Científicas, 2018)

La adsorción física se ve regida por las fuerzas de Van der Waals,

que es lo que permite que el adsorbato se quede adherido a la superficie

del sólido. Se caracteriza por la existencia de un equilibrio reversible entre

el sólido y el adsorbato, que puede ser alcanzado al variar la temperatura

y presión del proceso, en donde la adsorción sólo es apreciable a

18

temperaturas inferiores a la de ebullición del adsorbato; además la

fisisorción no es de naturaleza específica y permite la formación de

multicapas. También se identifica por tener un calor de adsorción menor a

40 kJmol-1; por ejemplo, la adsorción de un gas en un sólido puede

depender de la energía mínima necesaria en el sistema antes de que se

comience el proceso, en otras palabras, la energía de activación, que en

este caso es despreciable. (Barrow, 1985)

De acuerdo a lo expresado por Martín Martínez (1990), “la

adsorción física de gases y vapores constituye una de las técnicas más

completas y extendidas para el estudio de la textura de adsorbentes de

todo tipo, aunque no es la única que hoy se utiliza.” (p. 20) Las

propiedades superficiales que le dan esa capacidad de adsorción a los

sólidos vienen dadas principalmente por su porosidad, que es una

propiedad que relaciona el volumen que ocupan los poros en el volumen

total de dicho sólido. Según Martín Martínez (1990, p.22), la clasificación

de los poros más aceptada hoy en día es aquella sugerida por la IUPAC,

en donde se tienen las siguientes clasificaciones:

- Microporos, con diámetros inferiores a 2 nm.

- Mesoporos, con diámetros comprendidos entre 2 y 50 nm.

- Macroporos, con diámetros superiores a 50 nm.

Por otro lado, la adsorción química, quimiadsorción o quimisorción

involucra fuerzas de naturaleza química y se conoce por ser una

adsorción irreversible entre el sólido y el adsorbato. Este tipo de adsorción

ha sido muy estudiada debido a que se forman compuestos superficiales

entre el adsorbato y el adsorbente a elevadas temperaturas, donde la

fuerza de Van der Waals no es relevante. Barrow (1985), establece que

este proceso se caracteriza por calores de adsorción superiores a 80

kJmol-1en donde la adsorción ocurre a temperaturas elevadas, se

presenta una energía de activación y es dependiente tanto del adsorbato

como del adsorbente.

19

Sin embargo, este proceso no ocurre con todos los tipos de

adsorbatos, por ejemplo, ocurre con nitrógeno y monóxido de carbono en

presencia de óxido de zinc, hidrógeno sobre níquel, oxígeno sobre plata,

níquel y carbón, etcétera, (Glasstone, 1968). En este caso, las moléculas

del gas se mantienen unidas a la superficie del sólido, mediante enlaces

químicos, en lo que se crea una monocapa sobre la superficie, el proceso

cesa; es de naturaleza específica.

II.3.2 Isotermas de adsorción

En el caso de la adsorción de gas con un sólido, estudiar este

proceso resulta más sencillo al medir directamente la cantidad de gas

adsorbido a una temperatura dada en función de la presión del gas en

equilibrio con el sólido. Viades (2012) define, “una isoterma de adsorción,

es la relación general entre la cantidad de gas adsorbido por un sólido, a

temperatura constante como función de la presión del gas”.

Experimentalmente, esto se realiza colocando el sólido en un

recipiente con una cantidad conocida de gas, medido usualmente a través

de la presión, hasta que alcance el equilibrio. Midiendo la diferencia de

presiones, y realizando este procedimiento varias veces, de ahí se

obtienen diversos datos de gas adsorbido frente a la presión del equilibrio,

que constituyen lo que son las isotermas de adsorción, en donde la

presión del gas en equilibrio es representado en el eje de las abscisas,

mientras que en el eje de las ordenadas se representa la cantidad

adsorbida. (Tuñón y Silla, s.f). De acuerdo a lo expuesto por Barrow

(1985), en la quimiadsorción las curvas tienen un tramo inicial de acusada

pendiente, que gradualmente se asemejan a una recta paralela al eje de

las abscisas. “la parte inicial corresponde a la gran tendencia que tiene la

superficie a unirse con las moléculas del gas, y la disminución de esta

tendencia se atribuye a la saturación de estas fuerzas”. En cambio, en la

fisisorción estas curvas vienen representadas por una isoterma que tiende

20

a presentar una pendiente creciente, a medida que aumenta la presión del

gas; cada incremento de la presión genera un incremente de la porción de

gas adsorbido, hasta un límite, presentado cuando la presión es igual a la

presión de vapor del adsorbato.

Brunauer clasificó las isotermas de adsorción de gases sobre

sólidos en 5 tipos o perfiles de isotermas, I, II, III, IV y V; cada una de ellas

corresponde a un tipo específico de adsorción. En cada una de las

isotermas, es importante acotar que estas se detienen cuando se alcanza

la presión de vapor, representada por P* en la siguiente figura.

Figura 2. Tipos de isotermas según Brunauer

Fuente: Tuñón y Silla, s.f.

Al llegar a la presión de vapor, si se aumenta la cantidad de gas,

eso produciría la condensación del mismo, por lo que dicha cantidad

adsorbida estaría representada de manera vertical, ya que la presión en el

equilibrio sería siempre igual. (Tuñón y Silla, s.f). Rosas (1999), define

brevemente en qué consiste cada una, sin embargo, se explicará con

detalle la isoterma tipo I, que es el modelo que aplica para este trabajo de

investigación.

II.3.2.1 Isoterma tipo I

En este tipo de adsorción, el adsorbente, que se asume que posee

una superficie uniforme, es cubierto por una monocapa del adsorbato, el

21

límite de capacidad del adsorbente es cuando la monocapa está

completa; esta isoterma es característica a presiones relativas bajas.

Figura 3. Isoterma tipo I

Fuente: Rosas, V. (1999)

La isoterma de Langmuir se ajusta a ese tipo de isoterma, que se

fundamenta en la siguiente ecuación:

θ = α ∗ P

1 + α ∗ P (1)

En donde:

- θ representa la fracción de cobertura de la superficie.

- Pes la presión del gas o concentración.

- α es la constante de adsorción de Langmuir, cuyo valor es

mayor a medida en que la energía de ligadura de la adsorción

aumente, y a menor temperatura.

Esta ecuación se fundamenta en la suposición de que la superficie

proporciona un cierto número de posiciones para la adsorción y que todos

ellos son equivalentes, es decir, que poseen la misma energía; además,

se considera que cada posición adsorbe una sola molécula y que no

existe interacción entre las moléculas adsorbidas; también se asume que

el calor de adsorción no depende del recubrimiento, y el equilibrio

alcanzado está descrito por la siguiente ecuación, demostrando su

reversibilidad:

22

A(g) + M sup ↔ A − M(sup ) (2)

La isoterma de Langmuir es utilizada en muchos casos de

quimisorción, aunque no siempre es esta la que se ajusta mejor al sistema

estudiado. Teniendo en cuenta esto, se puede caracterizar

detalladamente el adsorbente que se va a utilizar, en función de las

moléculas o sustancias que se deseen adsorber con el mismo. Entre uno

de los diversos materiales que se pueden utilizar para un proceso de

adsorción, se puede nombrar el carbón activado.

II.4 Carbón Activado

Existen diversos materiales que cumplen con las características

necesarias para un proceso de adsorción, por lo cual se deben analizar a

fondo sus características para la correcta selección de la materia prima.

Actualmente, en la industria se están utilizando cada vez con más

frecuencia los carbones activados, debido a que son materiales muy

versátiles y se pueden aplicar en diversas áreas gracias a sus grandes

capacidades de adsorción. Este se puede encontrar en la industria como

polvo o de forma granular de color negro, es un material que puede ser

obtenido por medio de la carbonización de diferentes elementos, tal como

residuos de productos vegetales, entre ellos se puede nombrar cáscaras,

conchas, semillas, etcétera, así como maderas poco duras; que luego son

molidos y activados, física o químicamente, en una atmósfera libre de

oxígeno, para evitar la combustión del carbón a activar, con el fin de

aumentar su porosidad, que se asemeja a una esponja con estructura de

carbón.

La Peña, Giraldo y Moreno (2012) explican en la Revista

Colombiana de Química que:

El carbón activado es el adsorbente más versátil y

comúnmente usado debido a su alta área superficial y

volumen de poro, alta capacidad de adsorción, con cinética

23

rápida, y relativamente fácil regeneración, se trata de un

grupo de materiales preparados mediante reacción de un

material carbonizado con gases oxidantes o mediante la

carbonización de un material lignocelulósico impregnado con

agentes químicos deshidratantes. (p. 311)

El carbón activo, al ser activado químicamente, “permite la

formación de una capa de partículas debido a la presencia de grupos

carboxílicos, fenólicos, cetonas, quinonas, hidroquinonas y aldehídos que

le dan la característica de material adsorbente”. (Asimbaya, Endara,

Guerrero y Rosas, 2015). Debido a la química superficial del mismo y las

fuerzas implicadas en el proceso de adsorción, el carbón es propicio para

la retención de moléculas apolares y de alto volumen molecular, como lo

son los colorantes.

El carbón activo puede ser considerado como “el contrapunto de

las dos estructuras perfectamente ordenadas de las dos formas

alotrópicas del carbono, (diamante y grafito)” (Giraldo, Moreno – Piraján y

Vargas. 2011). Referenciando a los autores anteriores, los planos

hexagonales de los microcristales que constituyen el carbón activo,

evidenciados en la figura 4, no están bien orientados, es decir, están

desplazados y solapados entre sí. Esta desordenación es lo que genera la

porosidad del mismo, y está relacionada con la gran área de superficie

interna; la generación de una gran porosidad se ve directamente influido

por la naturaleza de la materia prima con el que se fabrica, la temperatura

de activación, el método de activación aplicado, e intrínsecamente del

agente activante empleado.

24

Figura 4. Estructura del carbón activado

Fuente: ChiemiVall, s.f.

II.4.1 Industria

El carbón activado tiene un rango amplio de aplicaciones tanto en

su forma granular como en polvo, tanto en medio líquido como en

gaseoso. En medio líquido es utilizado para la potabilización de agua,

decoloración de licores de azúcares, purificación de grasas y aceites

comestibles, medicamento para la desintoxicación, entre otros. “El

carbono activo es utilizado en la industria como filtro, especialmente en la

recuperación de gases, control de emisiones, eliminación de olores en

aguas industriales y residuales” (E. U. Politécnica U. Sevilla, 2010). En

medio gaseoso, la primera aplicación fue en el diseño de las máscaras

anti –gas, también es utilizado como desodorizante, puede ser usado con

fines catalíticos, entre otros. El carbón activo, de acuerdo a lo expresado

por Giraldo et al. (2011), está vinculado a la purificación y la protección del

medio ambiente, supliendo la demanda de purificación de productos, la

producción de carbón activado ha evolucionado, pudiendo utilizarse en el

almacenamiento de gases, como lo son el metano y el dióxido de

carbono, NOx, SOx, moléculas orgánicas, entre otros.

Asimbaya et al. (2015), expresan que el carbón activado tiene

aplicaciones industriales que involucran el tratamiento de efluentes, que le

25

permiten alcanzar los valores permisibles en el desecho de aguas

residuales, así como puede ser utilizado para la recuperación de

solventes, eliminación de colorantes y la eliminación de malos olores.

II.4.2 Métodos de activación del carbón

La activación de un carbón se refiere a la generación de aquellas

partículas cristalinas que le dan la porosidad y gran área superficial

interna al carbón, favoreciendo idóneamente los procesos de adsorción.

Este está basado en dos procesos fundamentales, la carbonización de la

materia prima y la activación del producto carbonizado.

Existen dos métodos para llevar a cabo la activación del carbón,

que según Luna, González, Gordon y Martin (2007) son los siguientes:

- Activación física o térmica: consiste en la carbonización del

material a altas temperaturas en presencia de un gas oxidante.

- Activación química: consiste en la deshidratación química del

material a temperaturas más bajas que en la activación física,

con un calentamiento posterior.

Ambas pueden otorgarle al carbón características intrínsecas

increíblemente diferentes, que pueden ser aplicadas en distintas áreas de

estudio e investigación.

II.4.3 Activación química

La activación química es un proceso que se fundamenta en la

descomposición térmica de la materia impregnada de agentes químicos.

De acuerdo a Giraldo et al. (2011), en la etapa de impregnación:

Los agentes impregnantes se difunden hacia el interior de la

estructura de partida produciendo una fragmentación parcial

de la celulosa y otros biopolímeros de estructura vegetal

26

tales como hemicelulosa y lignina; las reacciones siguientes

son la deshidratación y condensación permitiendo que más

compuestos aromáticos se produzcan con apariencia de

alquitranes, los cuales permanecen en la superficie de la

partícula impregnada y actúan como aglomerante. Debido a

esto, no es necesario el uso de ningún material que una las

partículas del precursor.

Posteriormente, el material es carbonizado a elevadas

temperaturas, comprendidas entre 300°C y 1000°C, resultando en un

carbón con grandes capacidades de adsorción y actividad elevada,

además de su gran versatilidad en su uso diario. Sin embargo, luego de

dicha carbonización o activación, se procede al enfriamiento y lavado del

adsorbente, para asegurar que no retenga dentro de sus poros moléculas

de las soluciones químicas usadas para la activación; se finaliza secando

y filtrando el producto final.

Por otro lado, la activación química muestra un mayor grado de

porosidad con respecto a la activación física, porque las paredes rugosas

son muy bien parecidas a una molécula orgánica de carácter aromático y

alifático, además puede ser muy bien controlado en una atmosfera inerte.

(E. U. Politécnica U. Sevilla, 2010). Por lo tanto, la influencia de la

solución que se utiliza para la activación es de gran importancia ya que es

altamente influyente en el producto final y su grado de activación.

En la industria del carbón activado existe un sinfín de soluciones

que son empleadas para la activación química debido a que son

sustancias deshidratantes, como “el cloruro de zinc, ácido fosfórico, ácido

sulfúrico, ácido bórico, ácido nítrico, sulfuro de potasio, sulfatos de

magnesio y sodio, etc.” (Grisales y Rojas; 2016, p.9).

Los resultados experimentales obtenidos por Giraldo et al.(2011),

indican que la activación realizada con cloruro de zinc y ácido fosfórico

produce un amplio desarrollo de porosidad; sin embargo, el ácido

fosfórico, conocido industrialmente como ácido ortofosfórico, es uno de los

27

reactivos químicos más utilizados para este proceso de activación y ha

suplantado el cloruro de zinc como agente activador porque se ha

concluido que se obtiene un mayor grado de activación y su uso es menos

tóxico para el medio ambiente. (E. U. Politécnica U. Sevilla, 2010).

II.4.4 Activación física

La activación física, consiste en dos etapas diferenciadas, que son

la carbonización y activación del material a trabajar. De acuerdo a

Asimbaya et al. (2015), la primera etapa “consiste en la carbonización de

la materia prima en una atmosfera inerte a temperaturas cercanas a

1000°C”, sin el suficiente aire para que haga combustión. En este proceso

se logra la deshidratación del material, eliminándose las sustancias

volátiles, y obteniendo un carbonizado con alto porcentaje de carbono fijo

y una estructura porosa inicial; el hidrógeno y oxígeno son eliminados con

dicha pirólisis. En esta etapa, los átomos de carbono se organizan en

estructuras microcristalinas, en donde existe espacio por su ordenamiento

irregular. Esta pequeña capacidad de adsorción aumenta con el proceso

de activación. (E. U. Politécnica U. Sevilla, 2010).

Posteriormente, la segunda etapa es el proceso de activación, este

se realiza con una gasificación parcial con un agente oxidante, que puede

ser vapor de agua, oxígeno y dióxido de carbono; esto promueve la

formación de nuevos poros, generando la estructura microporosa

deseada. Si se utiliza vapor de agua como gas oxidante, se lleva a cabo la

siguiente reacción:

C s + H2O(g) → CO(g) + H2(g) (3)

Esta reacción es endotérmica, por lo que es necesario generar las

condiciones de temperatura, que se pueden mantener con el

desprendimiento de gases, lo que ayuda a la formación de micro, meso, y

macroporos. El proceso puede ser acelerado con la presencia de

28

impurezas en el carbón, tal como la ceniza. Es característico en este

método un bajo rendimiento en la etapa de activación.

Ayala – Tirado, Durán – de- Bazúa, Morales – Téllez y Solís –

Fuentes (2012), fabricaron carbón activo partiendo de materia prima

residual de la agroindustria, en donde se activó la materia tanto de

manera física, calcinando a 600°C, como de manera química,

impregnando con un agente deshidratante y calcinando a 500°C, en

donde se concluyó que los carbones activados químicamente, empleando

ácido fosfórico como agente activante, presentaron mejores rendimientos

en la remoción de sustancias. Por tanto, dicha activación presenta

ventajas sobre la activación física, ya que requiere de temperaturas

menores, sólo se involucra una etapa de tratamiento térmico, alcanzando

así mejor rendimiento y reducción de costos del proceso.

II.5 Materia prima

Existen muchísimos materiales de partida para la fabricación de

carbón activo, ya que como su nombre lo indica, es materia carbonizada

de origen vegetal o mineral, cumpliendo con el requisito de poseer alto

porcentaje de carbono en su estructura, por lo que la mayoría de las

veces se utilizan materiales lignocelulósicos. El material lignocelulósico,

según Cortes Ortiz (2011), consiste en tres tipos diferentes de polímeros,

celulosa, hemicelulosa y lignina; en donde la celulosa está compuesta

principalmente por glucosa, dándole una estructura cristalina al material.

La hemicelulosa es una estructura compleja de carbohidratos que

consiste en diversos polímeros provenientes de azúcares. En cambio, la

lignina es uno de los polímeros más abundantes en la naturaleza y forman

parte de las paredes celulares del material.

Como se puede observar, estos son materiales con alto contenido

de carbono en su conformación, lo cual los hace idóneos para la

fabricación de carbón activo. Sin embargo, es necesario acotar que estos

29

materiales usualmente requieren de un tratamiento mecánico previo, que

consiste en la reducción del tamaño de las partículas, esto conduce a un

aumento del área de superficie disponible, que aumenta a su vez la

efectividad de activación del carbón.

Entre los materiales lignocelulósicos más utilizados para este

propósito, se encuentran las cáscaras y residuos de frutas, huesos de

nueces, fibra de coco, al igual que desechos agrícolas de origen

maderero, en donde se puede mencionar el aserrín y el bambú. En el

presente estudio, el material lignocelulósico escogido para la obtención de

carbón activado son la cáscara de la naranja y la concha de coco.

II.5.1 Concha de coco

El coco, de la familia Palmáceas, es una fruta tropical obtenida del

cocotero, también conocido como Cocos nucifera, es la palmera más

cultivada. Es un fruto muy aromático, de sabor agradable. Su composición

varía en función al tiempo de maduración, pero primordialmente

constituido por grasas y agua, rico en ácidos grasos saturados; de igual

manera, es una fruta rica en minerales como el magnesio, fósforo, calcio y

potasio. Aunado a esto, es importante relucir su aporte de fibras, que

contribuyen a la salud del ser humano; además, tiene en su conformación

vitamina E y ciertas vitaminas hidrosolubles del grupo B.

Está compuesta por 3 partes, la cáscara exterior gruesa conocida

como exocarpio; el endocarpio, que es una estructura fibrosa, dura,

vellosa y marrón; por último, la pulpa que está adherida al endocarpio,

que es blanca y aromática, apta para su consumo. En la siguiente figura,

se visualizan las secciones de un coco maduro.

30

Figura 5.Seccionesde un coco maduro

Fuente: Peinado, M. (2017)

Los productos comerciales provenientes del coco son el agua de

coco, leche de coco, cocada, aceite de coco, arroz con coco, entre otros.

Sin embargo, el endocarpio, es un material lignocelulósico residual, por lo

que es considerado apto para la producción de carbón activo, como es

trabajado en este caso.

II.5.2 Cáscara de naranja

La naranja, de familia Rutaceae y género Citrus, es una fruta cítrica

subtropical, que necesita temperaturas cálidas para la correcta

maduración de los frutos. Se consume como fruta fresca, en jugos y

enlatados; de igual manera se puede hacer mermelada y elaborar aceites

a partir de la cáscara. Contiene diversos nutrientes y vitaminas que lo

hacen ideal para su consumo, como lo son la vitamina C, A, B1, B2, sodio,

potasio, fósforo, calcio y magnesio. Son consideradas laxantes por la

celulosa presente en su estructura, aunado a esto, poseen diversas

azúcares reductoras que les permite ser candidatos para la producción de

carbón activo a partir de ella.

31

Es una de las frutas más producidas en el mundo, de acuerdo a la

Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura

(2018), la producción y el consumo mundial de las frutas cítricas se ha

incrementado exponencialmente desde 1980; más específicamente, la

producción de naranjas prevista en 2010 fue de 66,4 millones de

toneladas. Esta gran producción hace que sea imperativo sacarle el

mayor provecho a este material, no sólo a las porciones más significativas

utilizadas en la industria, sino utilizar de igual manera la cantidad

considerable de residuos generados. Debido a esto, se seleccionó la

cáscara de naranja como material precursor para la fabricación del carbón

activo.

II.6 Reactivos y soluciones

Para el desarrollo de este trabajo de grado se utilizaron diversas

soluciones y reactivos que es necesario especificar, como se hace a

continuación.

II.6.1 Indicadores

Un indicador químico es “una substancia que puede reaccionar con

uno de los participantes en la reacción volumétrica, de modo que

produzca un cambio observable del aspecto de la solución; generalmente,

este cambio consiste en una modificación del color.” (Skoog y West, 2002,

p.230). En cambio, Chang (1992), explica que son sustancias orgánicas

débiles, ya sea un ácido o una base, que tiene un color característico en

su forma no ionizada, y otro distinto en su forma ionizada; estas dos

formas se relacionan con el pH de la disolución en la cual se encuentra el

indicador.

Según Pickering (1980), la propiedad característica de los

indicadores es que sus dos formas son de colores distintos, una antes de

32

la reacción y otra después de la misma; por lo cual sirven para dejar en

manifiesto el momento en el que ocurre el punto de equivalencia de una

titulación ácido – base.

Sin embargo, no todos los indicadores varían su color en el mismo

valor de pH, cada indicador tiene un rango de viraje específico, por lo que

se debe elegir adecuadamente el indicador para una titulación basado en

el tipo de ácido y base que se estén trabajando, fuertes o débiles.

Si se considera, como lo hace Chang (1992), un ácido débil

monoprótico, HIn, que actúa como indicador, en una disolución éste

forma:

HIn ac ↔ H+(ac ) + In−

ac (4)

Si el indicador se encuentra en un medio ácido, el equilibrio se

desplaza hacia los reactivos y el color visible sería el de la forma no

ionizada, HIn, en cambio, en un medio básico el equilibrio se desplaza

hacia los productos, por lo que el color visible sería el correspondiente a la

base conjugada, In-. Lo mismo ocurre si se trabaja con una base débil.

- Fenolftaleína

La fenolftaleína es un indicador utilizado en las titulaciones ácido –

base, comúnmente utilizado con ácidos y bases fuertes, como el NaOH y

el HCl. Este es incoloro en disoluciones ácidas y neutras, sin embargo, es

rosa en medio básico. El intervalo de pH para este indicador está entre

8,3 y 10,0; el indicador permanece incoloro por debajo de 8,3; sin

embargo, por encima de ese valor la fenolftaleína vira a un color rosa o

violeta. (Chang, 1992)

- Azul de bromofenol

El azul de bromofenol es una molécula orgánica de carácter ácido

débil, que también puede ser utilizado para las valoraciones ácido – base.

Es también conocido como 3,3,5,5 – tetrabromofenol, que tiene la

siguiente fórmula molecular C19H10Br4O5S. Presenta dos coloraciones

33

características que dependen del pH de la solución en donde está

disuelto, en medio ácido es amarillo, mientras que en medio básico es de

color azul. Su rango de viraje, por lo tanto, está entre los valores de 3,0 –

4,6.

II.6.2 Ácidos y bases

A lo largo del desarrollo de este trabajo de grado se utilizaron

diversos ácidos y bases para poder llevar a cabo la metodología

experimental establecida, que se nombrarán a continuación.

- Ácido clorhídrico (HCl)

Este es un ácido fuerte, estable, incoloro, que humea al aire y es

corrosivo; puede tener trazas amarillentas por la presencia de color, hierro

o materia orgánica. Es un ácido monoprótico, ya que cada unidad de

ácido libera un ion de hidrógeno, como se ve a continuación:

HCl ac → H+(ac ) + Cl− ac (5)

- Ácido acético (CH3COOH)

Es un ácido débil, de olor agrio, incoloro, corrosivo e igualmente

monoprótico, encontrado comúnmente en el vinagre, se disocia de la

siguiente manera:

CH3COOH ac ↔ CH3COO−(ac ) + H+

(ac ) 6

El área molecular del ácido acético, en función a los radios

atómicos de los elementos involucrados, se puede calcular asumiendo

que la molécula se asemeja a un disco, de tal manera que su área sería

𝜍 = 𝜋𝑟2. Tomando en cuenta los radios atómicos de Van der Waals:

34

Tabla 1. Radios atómicos en unidades de Angstroms al

cuadrado(𝑨 𝟐)

Radios atómicos (A 2)

C 1.5

O 1.4

H 1.2

Fuente: Universidad de Oviedo (2017)

Se estima un área superficial de ácido acético de 21 A 2.

- Ácido fosfórico u ortofosfórico (H3PO4)

Es un ácido débil, denso, inodoro, transparente o ligeramente

amarillo; es un ácido triprótico, lo que indica que este ácido produce 3

iones de hidrógeno, cabe destacar que las 3 especies formadas son

ácidos débiles.

H3PO4 ac ↔ H+(ac ) + H2PO4

− ac (7)

H2PO4−

ac ↔ H+(ac ) + HPO4

2− ac (8)

HPO42−

ac ↔ H+(ac ) + PO4

3− ac (9)

Por otro lado, las bases utilizadas en la experimentación para el

desarrollo de este trabajo de grado fueron todas bases fuertes, en donde

se ionizaban completamente en los iones metálicos e iones hidroxilos

(OH-), ellas fueron las siguientes:

35

- Hidróxido de Sodio (NaOH)

Es un sólido blanco, corrosivo, higroscópico, también conocido

como soda caústica, es un electrolito fuerte que se ioniza en solución

acuosa de la siguiente forma:

NaOH S

H2O Na+

ac + OH− ac (10)

En solución es un líquido incoloro, más denso que el agua.

- Hidróxido de Potasio (KOH)

Es una base higroscópica, conocida también como potasa caústica,

es un sólido blanco, corrosivo en ambientes húmedos, que se ioniza

en solución acuosa de manera exotérmica, de la siguiente forma:

KOH S

H2O K+

ac + OH− ac (11)

- Hidróxido de Bario (Ba(OH)2)

Es un sólido blanco, inodoro, corrosivo, que en solución se

comporta como electrolito fuerte, conocido también como barita caústica,

se ioniza en solución acuosa de la siguiente forma:

Ba(OH)2 S

H2O Ba+

ac + 2OH− ac (12)

Mayormente, el hidróxido de bario se encuentra en su forma

octahidratada.

II.6.4 Colorantes

De acuerdo a lo expuesto por Sanz (s.f.), un colorante es un

compuesto orgánico que al ser aplicado a un sustrato, le confiere un color

36

característico, más o menos permanente; el sustrato debe tener afinidad

con el colorante para poder absorberlo. Existen colorantes aniónicos

como catiónicos, dependiendo de su naturaleza. En la molécula, la parte

responsable de aportar la coloración es el cromóforo. Los colorantes

aniónicos, o ácidos, poseen una carga neta negativa, son solubles en

medio ácido, son atraídos por componentes celulares básicos. En cambio,

los colorantes catiónicos, o básicos, están formados por una sal de una

base orgánica que contiene el cromóforo unido al catión, combinada con

un ácido incoloro. En el desarrollo de este trabajo de investigación, se

utilizó azul de metileno como colorante.

- Azul de metileno

El azul de metileno, también conocido como cloruro de metiltionina, es

un colorante sintético básico, se encuentra en forma de polvo de color

verde oscuro brillante, inodoro, que al ser disuelto en agua o en alcohol,

toma una tintura azul oscuro profundo. Es un compuesto químico

heterocíclico aromático, con la siguiente formula molecular C16H18ClN3S, y

masa molar de 319,09 g/mol.

Figura 6. Estructura del azul de metileno

Fuente: León (2016)

37

Según Rubinos (2008), la superficie proyectada de la molécula de

azul de metileno ha sido estimada como 130 – 135 A 2.

II.7 Métodos de evaluación

Siguiendo los objetivos planteados inicialmente, existen diversas

formas de cuantificar los valores requeridos para poder hacer la selección

correspondiente del carbón activado, como de los estudios realizados

posteriormente para su evaluación con los gases de combustión a tratar.

Por lo tanto, a continuación se hará un seguimiento detallado de la teoría

y se mencionarán los procedimientos necesarios para los cálculos

realizados.

II.7.1 Titulación ácido – base

El estudio cuantitativo de las reacciones ácido – base, en donde se

produce una sal y agua, se realizan mediante un procedimiento conocido

como titulación o valoración, en el cual se agrega gradualmente una

solución patrón a la solución problema, hasta que la reacción entre ambos

se complete; este momento es conocido como punto de equivalencia, que

se puede identificar con un cambio de color del indicador.

Al igualar los moles de la base con los del ácido, se puede calcular

la concentración de la solución problema, si se conoce el volumen de la

solución estándar y desconocida utilizada, como la concentración de la

solución patrón. Este método fue utilizado para la estandarización de

todas las soluciones utilizadas en el laboratorio.

II.7.2 Adsorción de soluciones acuosas

En el proceso de adsorción partiendo de disoluciones se considera

que sólo se genera una monocapa y que la adición de otras capas

38

posteriores está impedida; por lo tanto, estos procesos pueden ser

estudiados con la isoterma de Langmuir. En el desarrollo de esta

investigación se hicieron dos pruebas distintas de adsorción en soluciones

acuosas, tanto de ácido acético como azul de metileno, que tienen

fundamentos distintos. A continuación, se mencionarán ambas pruebas y

su fundamento teórico asociado.

II.7.2.1 Medida de absorbancia en una solución de azul de

metileno

Debido a la naturaleza coloreada de la solución, una manera eficaz

de comprobar la concentración en el equilibrio de dicha solución es a

través de la medición de la absorbancia de la misma. La ley de Lambert –

Beer establece que la absorbancia está directamente relacionada con las

propiedades del analito, con su concentración y con la longitud de la

trayectoria del haz de radiación al atravesar la muestra; esta ley se puede

expresar matemáticamente de la siguiente manera:

A = C ∗ ε ∗ L (13)

En donde:

- C es la concentración del cromóforo.

- A es la absorbancia de la muestra.

- L es la longitud de la cubeta que contiene la muestra en cm.

- 𝜀 es la absortividad molar.

La absortividad molar es hallada mediante la realización de una

curva de calibración del espectrofotómetro con la solución a realizar. Las

cubetas generalmente son de 1 cm de longitud.

39

II.7.2.2 Medida del área superficial

Como se mencionó anteriormente, los sistemas de adsorción de un

adsorbato sobre un adsorbente pueden ser representados por diversas

isotermas, en este caso, se considera que el modelo de Langmuir se

adecua considerablemente a las condiciones del sistema trabajado, por lo

cual se utilizó este método para el cálculo del área de los poros internos

del carbón activado.

Sin embargo, para poder trabajar con los datos obtenidos, se

escribe de manera lineal la ecuación de Langmuir, considerando que se

están trabajando soluciones acuosas, expresada de la siguiente manera:

C

X=

C

N+

1

KN (14)

En donde:

- X representa los moles adsorbidos por gramo de carbón activo.

- C representa la concentración de la solución acuosa en el

equilibrio.

- K es el coeficiente de adsorción.

- N es la cantidad máxima de adsorbato que se puede adsorber en

un gramo de carbón activado.

N se determina a partir de la pendiente de la ecuación, mientras

que K se calcula a partir del punto de corte con el eje de las ordenadas.

Estos valores, permiten el cálculo del área por gramo de carbón, de la

siguiente manera:

A = N ∗ No ∗ σ ∗ 10−20 (15)

En donde:

- No es el número de Avogrado, 6,02 ∗ 1023 moléculas

- σ es el área de adsorción del adsorbato en unidades de A2.

40

II.7.3 Adsorción de dióxido de carbono desprendido

Como fue mencionado previamente, el carbón activo tiene muchas

aplicaciones en la industria, tanto en medio líquido como gaseoso; para la

comprobación de que el carbón activado se puede utilizar con corrientes

de gases, específicamente con el dióxido de carbono, se hicieron las

siguientes pruebas.

II.7.3.1 Pruebas pilotos con ENO Seltzer

El ENO Seltzer es un medicamento antiácido que contiene

bicarbonato de sodio, cuya reacción con ácido clorhídrico viene expresada

en la siguiente reacción:

NaHCO3(s) + HCl(ac ) → NaCl(ac ) + CO2(g) + H2O(l) (16)

Este comprimido es usualmente utilizado en experimentos a

pequeña escala, ya que se puede hacer uso del dióxido de carbono que

se desprende de la reacción; en vista de esto, al colocar una malla de

carbón activo que entra en contacto con el gas desprendido, se espera

que se adsorba gran parte de este.

II.7.3.2 Reacciones con el agua

Una de las maneras de comprobar la presencia de dióxido de

carbono en una corriente de gases es hacerlo pasar por agua, ya que si

se hace reaccionar el dióxido de carbono en agua, se obtienen las

siguientes reacciones.

CO2(g) + H2O(l) ↔ CO2(ac ) + H2O(l) (17)

CO2(ac ) + H2O(l) ↔ H2CO3 ac (18)

41

Esta reacción es reversible, ya que el ácido carbónico formado es

muy inestable en esa forma, y rápidamente entra a formar parte del

complejo químico ácido – base, en donde participan las diferentes formas

carbonatadas presentes en el agua y que se forman en el proceso, por lo

tanto, inicialmente el ácido carbónico se disocia de la siguiente forma:

H2CO3(ac ) + H2O(l) ↔ H+(ac ) + HCO3

–(ac) (19)

El bicarbonato formado, a su vez se disocia de la siguiente

manera:

HCO3–

(ac ) + H2O(l) ↔ H+(ac ) + CO3

2–(ac ) (20)

A valores de pH superiores a 12, la única especie existente es el

carbonato, CO3-2. Además, se cumple que a cualquier valor de pH tan

sólo existen dos especies en cantidades significativas, en ningún caso

existen simultáneamente las tres. En la figura 7 se ilustra la distribución de

las especies en función del pH, en donde los puntos en los cuales se

cruzan entre sí las curvas, las concentraciones de las tres especies son

idénticas, por lo tanto, su relación es igual a la unidad. En el caso del

ácido carbónico, esto ocurre a los pKa indicados en la figura.

Figura 7. Fracción de especies presentes en función del pH

Fuente: Fernández, P. (2012)

42

II.7.3.3 Reacción con soluciones alcalinas

Cortés – Castillo y Prada – Matiz (2011), realizaron un estudio

referente a los procesos de captura de gases de combustión mediante el

uso de soluciones alcalinas de hidróxido de sodio, hidróxido de calcio e

hidróxido de potasio. En donde la eficiencia de la captura radicaba en el

contacto entre el dióxido de carbono y el hidróxido que se estuviera

tratando, de tal manera que se produzca el carbonato correspondiente.

No obstante, la concentración de las soluciones alcalinas, la

velocidad de los gases de combustión, el contacto existente entre ambos

son factores determinantes en la producción de los carbonatos en

solución.

II.7.4 Método de cuantificación de carbonatos y bicarbonatos

Para los métodos de cuantificación de carbonatos y bicarbonatos

presentes en la solución, se evaluarán aquellos originados a partir del

NaOH y el KOH. De acuerdo a Hamilton y Simpson (1971), la manera de

calcular la cantidad presente de los compuestos anteriores es mediante

una titulación ácido – base con un ácido fuerte, como el HCl. Se utilizará

el término Me para representar el metal alcalino, que en este caso sería el

sodio y el potasio.

En este proceso, la presencia de carbonatos se titula utilizando

fenolftaleína como indicador, ya que tiene un rango de viraje básico, y los

bicarbonatos se titulan utilizando azul de bromofenol, cuyo rango de viraje

es ácido; las titulaciones son consecutivas. Para la evaluación de las

soluciones problemas, se presentan 5 casos característicos, los cuales

son:

- Caso I: La solución sólo contiene el hidróxido metálico, MeOH

En este caso, el volumen requerido para alcanzar el punto final es

el mismo, independientemente del indicador utilizado, ya que el rango de

43

variación del pH que corresponde al punto de equivalencia es muy

pronunciado, de tal manera que abarca ambos rangos de viraje. A

continuación, se presenta la curva de valoración para este caso.

Figura 8. Curva de valoración de una solución de MeOH

con HCl estándar

Fuente: de Figarella, E., Figarella, X., Rosales, F., Norma, D. (2001)

- Caso II: La solución sólo contiene carbonatos, Me2CO3

Debido a que se realizan dos titulaciones consecutivas, la primera

consiste en la neutralización del Me2CO3 a MeHCO3 con fenolftaleína,

siguiendo la siguiente reacción.

Me2CO3 + HCl → MeHCO3 + MeCl (21)

Seguidamente, con el azul de bromofenol se detecta la

neutralización completa, que es:

Me2CO3 + 2HCl → H2CO3 + 2MeCl (22)

En este caso, el volumen requerido para alcanzar el punto final con

el azul de bromofenol es el doble que el consumido en la titulación con la

fenolftaleína. La curva de valoración se visualiza en la figura 9.

44

Figura 9. Curva de valoración de una solución de Me2CO3

con HCl estándar


- Caso III: La solución sólo contiene bicarbonatos, MeHCO3

En este caso, el pH de la solución está por debajo del rango de

viraje de la fenolftaleína, por lo cual el volumen consumido con el azul de

bromofenol, corresponde a la siguiente reacción:

MeHCO3 + HCl → H2CO3 + MeCl (23)

Figura 10. Curva de valoración de una solución de MeHCO3

con HCl estándar


45

La figura anterior representa la curva de valoración

correspondiente a este caso.

- Caso IV: La solución contiene hidróxido y carbonatos, Me2CO3

y MeOH

En este caso, el volumen consumido para alcanzar el punto final

con la fenolftaleína debe ser mayor que la mitad del volumen necesario

para el viraje del azul de bromofenol, esto se debe a que tanto el hidróxido

como el carbonato reaccionan con el ácido para formar bicarbonatos,

siguiendo las siguientes reacciones respectivamente.


MeOH + HCl → MeCl + H2O (25)

A continuación, se presenta la curva de valoración de este caso.

Figura 11. Curva de valoración de una solución de Me2CO3 y

MeOH con HCl estándar


46

- Caso V: La solución contiene tanto carbonatos como

bicarbonatos, Me2CO3 y MeHCO3.

El volumen requerido para la titulación con el azul de bromofenol

debe ser más del doble que el consumido en la titulación correspondiente

a la fenolftaleína, debido a que todo el carbonato presente pasa a formar

bicarbonatos en solución, de la siguiente manera:


MeHCO3 + HCl → H2CO3 + NaCl (27)

En la figura siguiente se representa la curva de valoración

pertinente.

Figura 12. Curva de valoración de una solución de Me2CO3y

MeHCO3 con HCl estándar

Fuente: de Figarella, E., Figarella, X., Rosales, F., Norma, D.

(2001)

En presencia de un exceso de solución alcalina, se espera obtener

en mayor proporción iones carbonatos.

47

Capítulo III: Marco Metodológico

III.1 Tipo de estudio

El siguiente trabajo de investigación tiene un enfoque cuantitativo,

que “utiliza la recolección de datos para probar hipótesis con base en la

medición numérica y el análisis estadístico” (Hernández, 2014, pg. 4).

Este trabajo sigue dicha naturaleza debido a que las variables recopiladas

y estudiadas son de naturaleza cuantitativa.

Además, el alcance de esta investigación puede considerarse

explicativo, ya que requirió generar explicaciones acerca de las diversas

variables estudiadas, como lo son las condiciones experimentales, la

temperatura a las que se sometieron las muestras, el tiempo de contacto

con los gases problema, el área de los poros, etc.; influyen directamente

en la capacidad de adsorción de dióxido de carbono del carbón activado

para su futura aplicación en la industria. Sin embargo, es indispensable

acotar que fue necesario pasar por una etapa tanto exploratoria, ya que el

uso de cáscaras de naranja y conchas de coco como materia prima para

la adsorción de dióxido de carbono con carbón activo es un tema poco

estudiado y documentado; de igual manera se tuvo un nivel de

investigación descriptivo, ya que se tuvo que medir y especificar las

características físico-químicas del carbón activado al variar las

condiciones experimentales a las cuales se expone la materia prima.

El diseño de la investigación es del tipo experimental ya que para

el cumplimiento de los objetivos planteados es necesario realizar diversas

metodologías experimentales, con base en los resultados de las mismas

se reestructuraron varios experimentos, ya que eran dependientes de la

eficiencia del método probado, para cumplir así con los objetivos

planteados.

48

III.2 Variables de operación

Las variables de operación involucradas en la investigación

realizada son las siguientes.

Tabla 2. Variables de operación

Variable Unidad

Absorbancia Adimensional

Área Metro cuadrado por gramo, (𝑚2

𝑔 )

Concentración Molaridad (M)

Masa Gramos (g)

Longitud Milímetros (mm)

Longitud de onda Nanómetro (nm)

pH Adimensional

Tiempo Segundos (s), minutos (min), horas (h)

Temperatura Centígrados (°C)

Volumen Litros (L), mililitros (ml)

Fuente: Elaboración propia.

III.3 Reactivos y equipos

III.3.1 Reactivos

A continuación se encuentran las propiedades correspondientes a

los reactivos involucrados en la metodología experimental.

49

III.3.1.1 Dióxido de carbono

Tabla 3. Datos del dióxido de carbono

Fórmula molecular CO2

Masa molar 44,009 g/mol

Solubilidad en agua a 0°C 171 ml/100 ml H2O

Densidad a 0°C, 1 atm 1,976 g/L

Punto de ebullición -78,5 °C

Punto de fusión -56,6 °C

Presión de vapor a 20°C 5720 kPa

Fuente: PubChem (2018)

III.3.1.2 Ácido clorhídrico

A una concentración de 37%, sus propiedades más relevantes son:

Tabla 4. Datos del ácido clorhídrico

Fórmula molecular HCl


Solubilidad en agua a 30°C 67,3 g/100 g H2O

Densidad a 20°C 1,184 kg/L

Punto de ebullición 108,6°C

Punto de fusión -30 °C

Presión de vapor a 20°C 100 mmHg

Fuente: Winkler (2007)

50

III.3.1.3 Ácido acético

Tabla 5. Datos del ácido acético

Fórmula molecular CH3COOH


Solubilidad en agua a 20°C 0,7 g/100 ml H2O

Densidad relativa (agua = 1) 1,05

Punto de ebullición 117,9 °C

Punto de fusión 16,6 °C

Presión de vapor a 20°C 1,5 kPa

Fuente: IPCS (2010)

III.3.1.4 Ácido fosfórico

A una concentración de 85%, sus características más notables con

las descritas a continuación.

Tabla 6. Datos del ácido fosfórico

Fórmula molecular H3PO4


Solubilidad en agua a 20°C 548 g/ 100 g H2O

Densidad relativa del vapor (Aire = 1) 3,4

Punto de ebullición 158 °C

Punto de fusión 21,1 °C

Presión de vapor a 21°C 3,33 kPa

Fuente: CORQUIVEN, C. A (2000)

51

III.3.1.5 Hidróxido de Sodio

Tabla 7. Datos del hidróxido de sodio

Fórmula molecular NaOH


Solubilidad en agua a 20°C 109g/ 100 ml H2O

Densidad 2,1 g/ml


Punto de fusión 318 °C

Fuente: IPCS (2010)

III.3.1.6 Hidróxido de Potasio

Tabla 8. Datos del hidróxido de potasio

Fórmula molecular KOH


Solubilidad en agua a 25°C 110 g/ 100 ml H2O

Densidad 2,04 g/ml



Fuente: IPCS (2010)

52

III.3.1.7 Hidróxido de bario octahidratado

Tabla 9.Datos del hidróxido de bario octahidratado

Fórmula molecular Ba(OH)2* 8H2O


Solubilidad en agua a 20°C 72 g/ L H2O

Densidad a 20°C 2,18 g/ml

Punto inicial de ebullición 780°C


Fuente: Merck. (2015)

A continuación se menciona el fabricante y porcentaje de pureza

de cada reactivo utilizado.

Tabla 10. Reactivos utilizados

Reactivo Fabricante Concentración (%)

Ácido acético

Universidad

Metropolitana 99

Ácido clorhídrico Riedel-de Haën 37

Ácido fosfórico NORMAPUR 85

Azul de bromofenol

Riedel – de

Haën N/A

Azul de metileno Riedel- de Haën N/A

Fenolftaleína

Riedel – de

Haën N/A

Hidróxido de bario Merck 98

Hidróxido de potasio EkaChemicals 86

Hidróxido de sodio Riedel-de Haën 80


53

III.3.2 Equipos

A continuación se listan los instrumentos y equipos utilizados en

los laboratorios de la Universidad Metropolitana a lo largo de la

metodología experimental.

Tabla 11. Instrumentos utilizados

Instrumento Marca Modelo Apreciación

Agitador

New

Brunswick

Scientific

G24

EnvironmentalI

ncubatorShake

r

N/A

Agitador con baño térmico GFL 1083 N/A

Balanza Ohaus

Corp. Adventurer 0,0001

Espectrofotómetro ThermoScie

ntific Genesys 20 0,001

Estufa Memmert UM 400 1 °C

Plancha de calentamiento

y agitación Corning N/A N/A

pH- metro

Thermo

Fischer

Scientific

Orion 4 Star 0,001

pH- metro HANNA

Instruments HI8424 0,01


54

III.4 Elaboración de carbón activo a partir de cáscaras de

naranja y conchas de coco con el fin de adsorber dióxido de carbono

Se siguió la metodología descrita a continuación para la fabricación

de carbón activo, utilizando como material precursor las conchas de coco

y las cáscaras de naranja.

III.4.1 Metodología establecida por Martín-González, Susial,

Pérez-Peña y Doña-Rodríguez

En el trabajo de investigación realizado por los autores

mencionados, se utiliza una metodología experimental detallada, que

consiste en un proceso de acondicionamiento, secado, impregnación con

reactivos químicos y lavado de materia prima para la obtención de carbón

activo. Las conchas de coco fueron adquiridas en un puesto de venta de

cocadas, ubicado en La Guairita, Municipio Baruta; mientras que las

cáscaras de naranja se obtuvieron de un puesto de jugo de naranja,

ubicado en el centro comercial Bello Campo, en el Municipio Chacao,

como parte de los residuos en el procesamiento de la naranja para la

elaboración de jugo concentrado.

III.4.1.1 Acondicionamiento de muestras de conchas de coco

Para llevar a cabo este procedimiento fue fundamental el uso de un

martillo y mortero para romper las conchas de coco; también se utilizó

agua destilada, tamices industriales de un diámetro mayor a 4,39 mm,

beakers de vidrio entre 500 y 1000 ml de capacidad, una plancha de

agitación, agitadores magnéticos y un horno con termostato.

III.4.1.1.1 Procedimiento experimental

El coco que se utilizó para crear carbón activo fue coco playero; el

cual fue separado manualmente del exocarpio y mesocarpio, que es de

55

color verde o amarillo, dejando así la sección a utilizar, denominada

endocarpio, este es un material velloso y de color marrón.

Al obtener la concha deseada, se procedió a su trituración con un

martillo, y posteriormente mortero, hasta alcanzar a un diámetro de

partículas aproximadamente 4,39 mm; éste se verificó con el uso de los

tamices industriales previamente mencionados.

El lavado de las muestras se realizó colocando las muestras

trituradas en un beaker, que fue colocado luego en una plancha de

agitación. A este recipiente se le colocó agua destilada en una relación de

50:1000, 50 gramos de muestra por cada 1000 ml de agua, y se procedió

a su agitación, a una velocidad de 1100 rpm durante dos horas.

Culminado el período de agitación y lavado, se prosiguió con el

filtrado de las muestras y su secado por 24 horas a una temperatura

controlada de 105°C dentro del horno.

III.4.1.2 Acondicionamiento de muestras de cáscaras de

naranja

Para llevar a cabo este procedimiento se hizo uso de cuchillos

afilados, tijeras, agua destilada, licuadora, mortero, tamices industriales de

diámetro menor a 2,39 mm, plancha de agitación, beaker de 500 ml a

1000 ml de capacidad, agitadores magnéticos y un horno con termostato.


Al recolectar las cáscaras de naranja se eliminaron las membranas

que no eran requeridas, hasta que quedara sólo la parte externa de la

naranja, denominada exocarpio. Las muestras fueron lavadas con agua

destilada, se redujo su tamaño con el uso de tijeras y cuchillos, que luego

se dejaron en un proceso de secado a temperatura ambiente durante una

56

semana para eliminar la humedad que contenían. Se procedió a eliminar

cualquier resto de humedad introduciendo las muestras en el horno a una

temperatura controlada de 107°C.

Después, se utilizó una licuadora de cocina para triturar las

cáscaras secas con la finalidad de obtener un diámetro de partículas

menor a 2,39 mm. Con ayuda de tamices industriales se verificó el

diámetro de las muestras obtenidas.

Posteriormente, con ayuda de una plancha de agitación y beakers

de vidrio, se lavaron las muestras con agua destilada a una relación de

50:1000, 50 gramos de muestra por cada 1000 ml de agua, y se agitaron

por dos horas a una velocidad de 1100 rpm.

Culminado el periodo de agitación y lavado se procedió a realizar

el filtrado de las muestras y a su debido secado durante 24 horas a una

temperatura de 105°C dentro del horno.

III.4.1.3 Activación química de las muestras

Para esta etapa ambas muestras provenientes de las conchas de

coco y cáscaras de naranja fueron sometidas al proceso de activación

química descrito a continuación, acondicionando los reactivos y materiales

necesarios. (Ver apéndice A).


Al haber condicionado la materia prima, se dividieron las muestras

en beakers de vidrio y mediante el uso de planchas de agitación, se

impregnaron las muestras con ácido ortofosfórico en una relación de 100

ml de ácido por cada 10 gramos de muestra; se mantuvo en agitación por

un período de 2 horas a una velocidad de 100 rpm, a una temperatura de

25°C.

57

Transcurrido dicho período de tiempo, los recipientes que

contenían las muestras inmersas en ácido, fueron dejados en reposo por

una semana dentro de varios desecadores, a temperatura ambiente,

aumentando el contacto de las muestras con el agente químico. Al haber

culminado el proceso de impregnación, se realizó una filtración por

gravedad con el propósito de separar las muestras de la solución en la

cual se encontraban.

Las muestras filtradas se introdujeron dentro del horno para el

inicio del proceso de carbonización, primero por un período de 24 horas a

una temperatura controlada de 106°C y después 24 horas más a 168°C.

Luego del secado en las estufas, se procedió a carbonizar las

muestras en la mufla ubicada en el Laboratorio de Analítica, a dos

temperaturas distintas, a 450°C y 650°C. La masa de muestras

provenientes de la concha del coco fue separada de tal manera que la

mitad se carbonizó a 450°C y la otra a 650°C. Este proceso se repitió de

la misma manera para las muestras originadas de la cáscara de naranja.

El proceso de activación se realizó por un período de 3 horas.

El carbón activado obtenido se sometió a un proceso de lavado, ya

que quedaban residuos, presumiblemente, de moléculas del ácido

ortofosfórico utilizado en la etapa de impregnación. Las muestras fueron

lavadas con agua destilada e hidróxido de sodio 0,1M, manteniendo un

constante control de pH, de la manera descrita a continuación.

Se colocaron entre 10 a 13 gramos de carbón activo en matraces

Erlenmeyer de 125 ml, en donde se introdujeron 100 ml de agua destilada

y se procedió a su agitación en el shaker a 25°C por una hora. Luego,

mediante filtración por gravedad, se midió el pH del filtrado. Si al realizar

la verificación, el pH registrado arrojaba un valor menor a 7, se llenaban

las fiolas nuevamente con el carbón filtrado y 70 ml de agua con 50 ml de

hidróxido de sodio. Luego de una agitación por dos horas a la misma

temperatura, se filtraban nuevamente y se colocaba el carbón

nuevamente en la fiola con 100 ml de agua destilada, que se agitaba por

58

una hora, filtrando de nuevo para poder medir el pH del filtrado. Este

proceso se repitió tantas veces fuera necesario hasta alcanzar un valor de

pH cercano a 7.

Culminado el proceso de lavado se secaron las muestras en la

estufa una temperatura de 120°C por 24 horas, con la finalidad de

eliminar restos de agua que retuvieran las muestras.

III.5 Selección del carbón activado con mayor capacidad de

adsorción mediante el trabajo experimental relacionado a partir de

las muestras obtenidas

Para la selección del carbón activado con mayor capacidad de

adsorción, se procedió a realizar pruebas físico-químicas en donde se

pudiera caracterizar las muestras de carbón obtenidas. Se decidió realizar

pruebas de adsorción de soluciones acuosas, la primera con la finalidad

de verificar la capacidad de adsorción de una solución colorada con azul

de metileno, para medir la cantidad de moles que podía adsorber el

carbón activo; la segunda consistía en la aplicación de las isotermas de

Langmuir para hallar el área de adsorción por gramo de carbón activo.

Ambos métodos se detallan a continuación.

III.5.1 Langmuir

Este ensayo se realizó a todas las muestras de carbón obtenidas,

tanto de conchas coco como de cáscaras de naranja a las temperaturas

de activación establecidas, 450°C y 650°C. Además, se acondicionaron

los reactivos y materiales necesarios para luego proceder a las

experiencias. (Ver apéndice B).

59

III.5.1.1 Procedimiento experimental

En cinco fiolas Erlenmeyer de 125 ml, se introdujeron entre 0,1 y

0,3 gramos de carbón activado y con una pipeta volumétrica se

adicionaron 25 ml de solución de ácido acético de 0,15M; 0,14M; 0,12M;

0,09M y 0,06M respectivamente; dichos matraces se agitaron en el shaker

durante una hora en un baño termostático a 30°C.

Luego del proceso de agitación, se procedió a filtrar las soluciones,

en donde el filtrado se separó en dos alícuotas de 5 ml que fueron

agregadas en dos fiolas Erlenmeyer para su valoración con hidróxido de

sodio 0,1M, utilizando fenolftaleína como indicador. Los datos obtenidos

de la titulación fueron tabulados con ayuda del software Microsoft Excel

para calcular los moles finales de ácido acético.

Se realizó el cálculo del valor “C/X”, concentración final de ácido

acético entre el valor de “X” determinado anteriormente. Se graficó

entonces “C/X” versus C, que representa a la isoterma de Langmuir,

siendo esta recta la descrita en la ecuación 14.

Figura 13. Gráfica de Langmuir


De esta, se tomó el valor de la pendiente y se determinó el valor

del coeficiente N con ayuda de la ecuación:

N =1

a (28)

60

Donde “a” representa la pendiente de la recta.

Se aplicó entonces la ecuación 15 para hallar el área por gramo de

carbón utilizado, en donde el área de adsorción de ácido acético de 21 A2

(σ).

III.5.2 Adsorción de una solución de Azul de Metileno

La experiencia realizada para la adsorción de una solución de azul

de metileno se detalla a continuación, en donde se emplearon reactivos y

materiales previamente seleccionados que fueron estandarizados para el

proceso. (Ver apéndice C).

III.5.2.1 Procedimiento experimental para la curva de

calibración de la solución de azul de metileno en el

espectrofotómetro de UV visible

Inicialmente, se preparó una solución de azul de metileno

diluyendo 0,1 gramos de azul de metileno en 100 ml de etanol. Esta

solución se diluyó en un factor de 10, la cual fue utilizada como solución

patrón para el procedimiento. La concentración de dicha solución patrón

es de 1,5632x10-4 M aproximadamente.

Para la realización de la curva de calibración, se utilizaron diversas

soluciones diluidas realizadas a partir de la solución patrón previamente

mencionada. Se tomaron varias alícuotas de 10 ml de la solución patrón y

se diluyeron en balones aforados de 250 ml, 200 ml, 100 ml, 50 ml, 25 ml;

para el balón aforado de 10 ml se utilizó una alícuota de 2 ml de la

solución patrón.

Conociendo la concentración de la solución patrón de la cual se

partió para hacer las demás soluciones diluidas, se calcularon las

concentraciones de cada solución diluida.

61

Al haber calculado cada concentración, se procedió a medir la

absorbancia de cada solución por triplicado en el espectrofotómetro de UV

visible, se realizó la curva de calibración graficando absorbancia versus

concentración de azul de metileno. Esta curva debe ser una recta de

pendiente positiva de la forma:

A = mCAM + b (29)

En donde se tomó el valor de la pendiente y se dividió entre la

profundidad de la cubeta utilizada en el espectrofotómetro en unidades de

centímetros para el cálculo de la absortividad molar, como se muestra a

continuación:

E =m

4,4 (30)

Este valor era necesario para la determinación de la concentración

de las soluciones de azul de metileno utilizadas posteriormente en los

experimentos con el carbón activado, mediante el uso de la ley de Beer –

Lambert, expresada en la ecuación 13.


En cuatro fiolas Erlenmeyer de 125 ml se colocaron 30 ml de

solución patrón de azul de metileno junto con carbón activado, entre 0,4

gramos y 0,6 gramos, y se dejaron agitando en el shaker a temperatura

ambiente durante 30, 50, 60 y 90 minutos.

Después de finalizado el proceso, se filtraron las soluciones

correspondientes y se midió la absorbancia por triplicado de cada una con

el espectrofotómetro. Para el cálculo de las concentraciones finales, se

utilizó la Ley de Beer – Lambert, que establece lo siguiente:

CAM 2 =A

E × L (31)

62

Luego de haber obtenido las concentraciones correspondientes, se

calcularon los moles adsorbidos de azul de metileno en el proceso de

agitación con el carbón activado. Este procedimiento se realizó con cada

una de las muestras de carbón activado a base de conchas de coco y

cáscaras de naranja a temperaturas de activación de 450°C y 650°C.

III.6 Diseño del sistema de captura de dióxido de carbono

emitido por el tubo de escape de un automóvil

Para cumplir con este objetivo se plantearon diferentes alternativas

y metodologías, que se fundamentan en la integración de diversas ideas

que se adquirieron a lo largo de la etapa de revisión bibliográfica.

III.6.1 Malla de carbón activado

Para las pruebas realizadas con gases, tanto pruebas pilotos como

las realizadas en el automóvil seleccionado, era necesario escoger un

material que permitiera retener en su interior el carbón activo sin que se

perdiera parte del mismo debido al tamaño de las partículas; como

también que posibilitara el paso de los gases. Fueron considerados dos

materiales, lana de vidrio y felpa.


Inicialmente, se probó la lana de vidrio, de tal manera que se

dispusieron varios trozos de dicho material en forma rectangular, que se

colocaron uno encima del otro y se envolvió con esto una cierta cantidad

de carbón activo, entre 1 y 2 gramos. Sin embargo, con el paso del tiempo

las muestras no lograban quedar encapsuladas en la lana, pues es un

material muy suave y con espacios lo suficientemente grandes para dejar

63

salir el carbón; por lo que debía utilizar más lana para envolver el carbón y

que éste permaneciera dentro de la misma.

Por otro lado, se planteó utilizar felpa proveniente de las envolturas

de CD’s, ya que es un material parecido a la tela, es resistente y no

permite la pérdida del carbón activado. Este material se tenía de forma

cuadrada, sin embargo, se cosió cuidadosamente de manera circular,

verificando que no quedaran espacios en los cuales se pudiese salir el

carbón, como se puede ver en la figura 14; se dejó una abertura pequeña

para poder introducir entre 4 a 6 gramos de carbón con un embudo,

distribuido uniformemente.

Figura 14. Mallas de felpa


III.6.2 Desplazamiento de una columna de agua por medio de

desprendimiento de dióxido de carbono

La verificación de la capacidad de adsorción de dióxido de carbono

se realizó mediante una prueba experimental en el laboratorio, en donde

se emplearon reactivos e instrumentos fundamentales para el proceso.

(Ver apéndice D)

64


Se preparó una solución saturada, en donde se añadieron 125 ml

de agua junto con la cuarta parte de una tableta de ENO Seltzer y 3 ml de

solución de ácido clorhídrico 3M. Se ensambló el siguiente sistema:

Figura 15. Sistema armado para el experimento

Fuente: Armas y Figarella (s.f.)

Se dispuso de una ampolla con un tubo neumométrico que se

rellenó con la solución preparada anteriormente, para asegurar de que no

hubiese absorción de dióxido de carbono; se comprobó que no existiesen

fugas en el equipo, se preparó la fiola y se adicionaron 5 ml de ácido

clorhídrico y un pedazo de ENO Seltzer colgando con un hilo, entre 0,1 y

0,2 gramos del mismo. Se igualó la presión del sistema a la presión

atmosférica y se cerró el sistema. Se puso en contacto el pedazo de ENO

Seltzer con el ácido, que reaccionaban de la manera descrita en la

ecuación 16.

El gas desprendido hacía desplazar la columna de agua en el tubo

neumométrico, se tabuló el volumen desplazado y mediante la relación

estequiométrica se procedió a calcular los moles de dióxido de carbono

formado.

65

Este proceso se realizó nuevamente, integrando un pequeño tubo

de vidrio en forma de L, que se acoplaba entre la fiola Erlenmeyer y el

tapón de la misma. En esta elongación se dispuso de la malla de lana de

vidrio con carbón activado, para que éste se pusiera en contacto con el

dióxido de carbono desprendido. El proceso realizado con carbón y sin

carbón sirvió para la determinación, mediante diferencia de un promedio

de moles adsorbidos de dióxido de carbono por el carbón activado.

Cabe destacar que se debe modificar los moles iniciales de dióxido

de carbono en todo el proceso ya que son dependientes de los gramos de

ENO Seltzer utilizados, es por eso que se establece una relación de

moles de dióxido de carbono producido por gramos de ENO Seltzer

utilizado para corregir ese factor en cada una de las experiencias,

asociándolo a los gramos reales de ENO Seltzer empleados.

Por otro lado, tomando en cuenta que parte del dióxido de carbono

generado se disolvía en el ácido clorhídrico, que a una temperatura de

25°C y una presión de 760 mmHg, el factor de solubilidad es de 0,8 ml de

dióxido de carbono por cada ml de ácido utilizado, se procedió la

corrección del volumen en las condiciones reales del proceso.

III.6.2.1 Alternativa del proceso de desplazamiento de agua por

desprendimiento de gases

Al proceso anterior se le aplicó una modificación, que permitía

cuantificar la cantidad de dióxido de carbono adsorbido de manera directa.

En esta metodología se prepararon reactivos e instrumentos necesarios

para el experimento. (Ver apéndice E). Esta experiencia se fundamenta

en la formación de ácido carbónico al reaccionar dióxido de carbono con

agua.

66


El procedimiento del experimento anterior se repitió en las mismas

condiciones, sin embargo, el carbón activo que se colocaba en la malla

hecha con la lana de vidrio se traspasaba a una fiola Erlenmeyer de 250

ml que contenía 50 ml de agua una temperatura entre -5°C y 5°C para

favorecer la solubilidad del dióxido de carbono en la misma.

Se agregaron 3 gotas de fenolftaleína al matraz, se tapó y agitó la

fiola por unos minutos y se midió el pH de la solución para verificar su

carácter ácido, tal que un pH menor a 5 confirma la existencia de ácido

carbónico, un pH mayor a este demuestra la presencia de otros

subproductos de reacción. Esta solución fue posteriormente titulada con

hidróxido de sodio 0,1M hasta llegar al punto de equivalencia, evidenciado

por el cambio de color del indicador.

Con los datos de los volúmenes de la titulación se calcularon los

moles de ácido carbónico. Mediante las reacciones de equilibrio basadas

en la interacción del dióxido de carbono y el agua, se determinaron los

componentes en la solución en estado de equilibrio. Refiriendo las

reacciones de equilibrio y sus respectivas constantes de ionización, se

calcularon las fracciones molares del ácido carbónico y dióxido de

carbono en el equilibrio.

Al realizar el análisis del equilibrio, siguiendo la ley de la

conservación de la masa, los moles finales son los moles iniciales de la

reacción, es decir, los moles de dióxido de carbono acuoso, por lo que si

se despejan los moles totales se puede obtener inmediatamente los moles

de dióxido de carbono.

67

III.6.3 Pruebas pilotos de dióxido de carbono con soluciones

alcalinas

Una de las metodologías más prometedoras en la cuantificación de

dióxido de carbono presente en las muestras de gases es el uso de

soluciones alcalinas para la formación de iones carbonatos y

bicarbonatos, que pueden ser determinados mediante técnicas de química

analítica. Para esta parte de la metodología se emplearon 3 diversas

soluciones álcalis, diversos reactivos y equipos específicos que fueron

estandarizados previamente para la validación de los experimentos. (Ver

apéndice F).


Se tomaron dos fiolas Erlenmeyer, en la primera se agregaron 100

ml de solución alcalina, tanto hidróxido de sodio, de potasio y de bario; en

la segunda se adicionaron 10 ml de ácido clorhídrico.

Luego se conectaron ambas fiolas con una manguera de plástico,

la cual se encontraba en contacto con la solución alcalina en la segunda

fiola, mientras que en el matraz que contenía la solución acida la

manguera no se encontraba en contacto con la misma.

Se aplicó el mismo fundamento de los experimentos con el ENO

Seltzer, en donde se hace reaccionar una cierta cantidad del mismo con

ácido clorhídrico, lo que produce un desprendimiento de dióxido de

carbono, que es direccionado con la manguera a la fiola con la solución

alcalina, que mediante burbujeo, reaccionaba y formaba los carbonatos

respectivos.

Utilizando la metodología analizada en el marco teórico, se realizó

una titulación usando dos indicadores que tenían un rango de viraje

distinto. Se utilizó fenolftaleína y azul de bromofenol para valorar la

68

solución alcalina problema con ácido clorhídrico, que contiene iones

hidroxilo, carbonatos y bicarbonatos.

Se tomaron dos alícuotas de 10 ml de la solución problema, se

introdujeron en dos fiolas Erlenmeyer de 250 ml y se agregaron 10 gotas

de fenolftaleína, haciendo que la solución se coloreara de un tono rosa

intenso, se agregaba ácido clorhídrico hasta que virara el color del

indicador demostrando que se alcanzó el primer punto de equivalencia, en

donde se neutralizaron los iones carbonatos de la solución contenidos en

la muestra, dichos iones en el proceso se convertían en iones

bicarbonato.

Para la segunda etapa de la titulación se agregaron 3 gotas del

indicador azul de bromofenol, haciendo que la solución tomara un color

azul, se seguía agregando ácido clorhídrico hasta que se evidenciara un

cambio de color, verde o amarillo. Hasta este punto se realizó la

neutralización completa, habiendo titulado en esta parte los iones

bicarbonato presentes en la muestra. Teniendo en cuenta los valores

obtenidos, se tabularon y se calcularon los moles de iones carbonatos y

bicarbonatos titulados.

Como se está en presencia de una solución alcalina, inicialmente

el ácido clorhídrico neutraliza la base presente y luego los iones

carbonatos, todo esto ocurre dentro del rango de viraje de la fenolftaleína,

por lo tanto, el volumen consumido representa a la neutralización de la

base y de los carbonatos. Sin embargo, el volumen consumido en la

segunda titulación, en presencia del azul de bromofenol, representa el

volumen necesario para la neutralización de los iones bicarbonatos. Al

estar en una relación 1:1 con los carbonatos, el volumen requerido para la

neutralización de los iones carbonatos es el mismo. Al haberse consumido

más ácido en la primera titulación, el resto representa el volumen

necesario para la neutralización de la base presente. Ya sabiendo los

moles formados de iones carbonatos y bicarbonatos se pueden

determinar los moles de dióxido de carbono iniciales.

69

III.7 Selección de la metodología experimental para la

cuantificación de dióxido de carbono adsorbido de las muestras de

gases por el carbón activado

Para cumplir con este objetivo se emplearon herramientas,

instrumentos y diversos reactivos; cabe destacar que cada una de las

metodologías empleadas en esta etapa de investigación se realizaron en

conjunto, ya que la mayoría de ellas eran dependientes entre sí (ver

apéndice G)

III.7.1 Selección del automóvil

El automóvil ideal era aquel que utilizara gasolina 95 octanos, con

una perfecta inyección de gasolina, una combustión interna lo bastante

ideal y que poseyera catalizador; por lo tanto, se escogió un vehículo que

cumpliera con dichos requisitos, el cual fue un KIA Sportage año 2017,

versión SXL, el cual posee un catalizador en el lado derecho del

automóvil, con una longitud de 765 mm. Las características de

desempeño son las siguientes.

70

Tabla 12. Características de desempeño y capacidad del automóvil

Modelo del motor

Theta 2.4 GD de 2,4 L de

gasolina

Tipo de inyección Directa

Tipo de gasolina 91 y/o 95 octanos

Radio de compresión 11,3:1

Potencia máxima 181 hp a 6000 rpm

Torque máximo 175 lb – ft a 4000 rpm

Batería 68 Ah

Alternadores FWD y

AWD 13,5V/140A

Fuente: KIA Motors América, Inc. (2018)

También almacena una capacidad de 16,4 galones y consume

entre 4,6 y 7,6 litros de gasolina por cada 100 kilómetros recorridos. Así

mismo, almacena 2,7 litros de refrigerante y 4,8 litros de aceite del motor.

Asumiendo que el automóvil recorre 15.000 kilómetros al año en una

ciudad, las emisiones de CO2 son de 201 g/km, estimando una emisión

anual de 3.015 kg, con una emisión de contaminantes al aire muy baja.

(Eco – Vehículos, s.f.)

III.7.2 Trampa de gases conteniendo soluciones álcali

En esta metodología experimental se emplearon reactivos y

soluciones clave para los experimentos, pues la trampa de gases era el

medio que permitía reaccionar el dióxido de carbono, proveniente de los

gases de combustión del automóvil que no fueron adsorbidos por el

carbón activado, con una solución alcalina; este proceso permite

cuantificar el dióxido de carbono que no fue adsorbido por el carbón.

71


En la trampa de gases se introdujeron 30 ml de solución alcalina,

ya fuese hidróxido de sodio o de potasio. Esta trampa era adherida a un

sistema que la conectaba al tubo de escape, luego una persona en el

automóvil pisaba el acelerador un tiempo estipulado, 10, 20 y 30

segundos tres veces, con una separación de 10 segundos entre cada

período; mediante burbujeo reaccionaba el hidróxido con el dióxido de

carbono para formar iones carbonato y bicarbonato.

Finalizado dicho proceso, se tomaban alícuotas de 10 ml de la

solución contenida dentro de la trampa de gases y se colocaban en dos

fiolas Erlenmeyer, en donde se procedía a su doble titulación, como lo

establece Hamilton y Simpson (1971). Este procedimiento se realizó tanto

para el hidróxido de sodio como de potasio, determinando así los moles

de dióxido de carbono que no fueron adsorbidos por la malla de carbón

activado.

III.7.3 Sistemas propuestos para la adsorción de dióxido de

carbono en carbón activado

Para llevar a cabo esta metodología se emplearon materiales de

fácil adquisición y mayormente reciclables, se llevaron a cabo varias

experiencias que son explicadas a continuación.


El sistema consistía en la conexión de la trampa de gases a una

manguera de goma que se encontraba conectada, a su vez, a una botella

que contenía en su interior la malla de carbón activado realizada con

felpa, esta estaría en contacto directo con los gases emitidos por el tubo

de escape del automóvil. Ilustración en la figura 16.

72

Figura 16. Sistema para adsorción de dióxido de carbono

con la trampa de gases


Al haber culminado la experiencia se procedió a realizar las

respectivas metodologías de química analítica; primero, se pesó la malla

de carbón inicialmente y luego de haberse puesto en contacto con los

gases, para determinar de tal manera si tuvo un aumento en peso, lo que

indica que adsorbió moléculas. Luego, se realizó la titulación de ácido

carbónico explicada anteriormente, para verificar la cantidad de dióxido de

carbono adsorbido. Además, se puso en práctica la metodología

experimental para la titulación de los iones carbonatos y bicarbonatos

también mencionada previamente, con la finalidad de cuantificar cuánto

dióxido de carbono no se adsorbió.

III.7.4 Sistema para la determinación de dióxido de carbono

inicial en la muestra de gases

De igual manera, en esta metodología se utilizaron reactivos e

instrumentos de fácil acceso y reciclables, el sistema armado era análogo

con un proceso de absorción co-corriente, ya que los gases se ponían en

73

contacto con una solución que en presencia de dióxido de carbono

generaba un precipitado.


Con botellas de plástico se armó el sistema demostrado en la

figura 16, de aproximadamente 40 cm de altura, en el tope de la torre se

encontraba suspendida una pequeña tapa de plástico con agujeros, entre

20 y 30 agujeros de 1 mm de diámetro, en el fondo de la torre había un

agujero de 1,5 cm de diámetro. A un costado de la torre se había adherido

otra botella de plástico de aproximadamente 10 cm de diámetro que se

pondría en contacto con el tubo de escape del automóvil.

Figura 17. Sistema para la determinación de dióxido de

carbono inicial


Este sistema se fundamentaba en la reacción entre el hidróxido de

bario y el dióxido de carbono proveniente de la combustión del automóvil,

esto con el propósito de cuantificar la cantidad de dióxido de carbono

emitido por el automóvil en los períodos de evaluación establecidos.

Básicamente, comenzado el proceso una persona dentro del automóvil

presionaba el acelerador a una velocidad predeterminada por un tiempo

74

de 30, 20 y 10 segundos tres veces, con una separación entre tiempos de

10 segundos; simultáneamente en el tope de la torre se iba agregando la

solución de hidróxido de bario, para que el dióxido de carbono reaccionara

con él y formara el respectivo carbonato.

Al formarse el precipitado, que tenía aspecto blanco y lechoso,

como se puede ver en la figura 18, este se recolectaba en un envase de

plástico, para no comprometer el estado de los materiales de vidrio, se

traspasaba a un beaker y se procedía a realizar el filtrado con embudos

de vidrio sin tallo y filtros de papel.

Figura 18. Precipitado formado en el experimento


Los filtros de papel se pesaron antes de realizar el proceso de

filtrado, para que el residuo del filtrado, que era el carbonato de bario, se

secara en un ambiente libre de humedad para su posterior pesada, lo cual

permitía hallar los gramos de carbonato formados y haciendo uso del

peso molecular del carbonato de bario se calcularon los moles del mismo.

75

Finalmente, se calcularon los moles de dióxido de carbono que

reaccionaron en base a la relación estequiométrica 1:1 entre el carbonato

de bario y el dióxido de carbono.

III.7.5 Peso de malla de Carbón Activado post - combustión

Este proceso consistió en pesar la malla de carbón activado

realizada con felpa al inicio y al final de cada experimento con los gases

de combustión. Al introducir el carbón activado en la malla, se pesaba la

misma, se realizaba el experimento propuesto, y culminado el proceso se

pesaba nuevamente la malla para determinar su aumento en peso,

corroborando así que ocurrió el proceso de adsorción; sin embargo,

quizás no sólo había presencia de dióxido de carbono, sino tal vez de

otros componentes de las corrientes de gases evaluadas.

76

Capítulo IV

IV.1 Muestras de carbón activado a base de conchas de coco y

cáscaras de naranja

Figura 19. Muestras de carbón activado en crisoles de

porcelana



temperatura de activación de 650°C


77

Figura 21. Carbón activado a base de cáscaras de naranja

a temperatura de activación de 650°C





78

Figura 23. Carbón activado a base de cáscaras de naranja

a temperatura de activación de 450°C


En las cinco figuras previamente mostradas, se puede evidenciar

en detalle el carbón activo fabricado usando cáscaras de naranja y

conchas de coco como materia prima precursora, sometidas a dos

temperaturas de carbonización, 450°C y 650°C, que son las utilizadas en

la metodología seguida. Al momento de la activación, se observó un

comportamiento distinto con ambos materiales lignocelulósicos.

Al impregnar las muestras de coco y colocarlas en agitación, se

observó que las partículas permanecían suspendidas al tope de la

solución, hasta que con el paso del tiempo y el uso de un agitador

magnético, éstas se distribuyeron uniformemente en todo el volumen de la

disolución. En cambio, el comportamiento de las muestras pertenecientes

a las cáscaras de naranja fue muy peculiar, ya que el ácido tuvo la

capacidad de disolver gran parte de las muestras produciendo una mezcla

espesa y de color oscuro. Esto quizás se debe al tamaño de las

partículas, ya que las cáscaras de naranja tenían un menor tamaño que

las de coco, lo que permitió el aumento de la reactividad de las mismas.

Culminada la impregnación se procedió a un proceso de filtrado, las

conchas de coco fueron filtradas por gravedad fácilmente, sin embargo,

79

las muestras provenientes de las cáscaras de la naranja, debido a la

consistencia que tenía la mezcla, se tuvo que realizar un filtrado al vacío,

ya que la mezcla era demasiado espesa. La diferencia entre las

consistencias de las muestras se asume que es debido al porcentaje de

lignina que poseen las mismas, ya que este es responsable de la dureza y

resistencia del material lignocelulósico, cubriendo así las estructuras

celulósicas de la materia prima. Según diversos estudios, se ha podido

determinar que el porcentaje de lignina en la concha de coco y cáscara de

naranja es de 43% y 3% respectivamente; además, al saber que la lignina

es un componente insoluble en ácidos, se infiere que las muestras de

cáscara de naranja tuvieron la capacidad de disolverse casi en su

totalidad, ya que el bajo porcentaje de lignina le permitió al ácido tener

una mayor superficie de contacto con la celulosa y la hemicelulosa, dando

a lugar a una hidrólisis ácida y a su vez, la formación de azúcares

reductores. Cabe destacar, que ocurre lo mismo con las muestras de

concha de coco, sin embargo, al existir un mayor porcentaje de lignina,

este no permitió la solubilidad por completo en el ácido fosfórico.

Al final del proceso de activación, todas las muestras de coco

presentaron una coloración negro opaco; mientras que las de naranja

tenían un poco de brillo. Dichas muestras fueron sometidas a distintas

pruebas fisicoquímicas para su caracterización y así poder determinar

cuál material y temperatura de activación presentaba mayor capacidad de

adsorción de dióxido de carbono

IV.2 Adsorción de soluciones acuosas.

IV.2.1 Solución de azul de metileno.

Al colocar en contacto una solución de azul de metileno, de

concentración inicial conocida, con carbón activado, este, debido a sus

propiedades adsortivas, debe retener varias moléculas del colorante en su

80

interior, resultando en la decoloración de la solución. Por lo tanto, para el

uso del espectrofotómetro con dicho fin, se realizó una curva de

calibración (ver apéndice C), que permitió el cálculo de las

concentraciones finales de las soluciones de azul de metileno partiendo

de la absorbancia de la solución final utilizadas en el experimento, cuyos

resultados se reflejan en las siguientes tablas.

Tabla 13. Moles adsorbidos de azul de metileno por muestras de

carbón activado con respecto al tiempo de contacto

Moles adsorbidos AM/CA(106)

Naranja Coco

Tiempo (min) 450°C 650°C 450°C 650°C

30 4,5022 4,5616 1,4124 4,6748

50 4,5579 4,2236 3,6999 4,6748

60 4,6339 4,6173 3,7241 4,6674

90 4,6804 4,6693 4,6786 4,6841


Tabla 14. Porcentaje de remoción de azul de metileno por

muestras de carbón activado con respecto al tiempo de contacto

% de Remoción

Naranja Coco

Tiempo (min) 450°C 650°C 450°C 650°C

30 96,0010% 97,2680% 30,1161% 99,6832%

50 97,1888% 90,0618% 78,8962% 99,6832%

60 98,8122% 98,4558% 79,4110% 99,5249%

90 99,8020% 99,5645% 99,7624% 99,8812%


81

Como se puede observar en la tabla 13 de manera general, a

mayor tiempo de contacto entre la solución evaluada y las muestras

respectivas de carbón activado, mayores fueron los moles adsorbidos en

la mayoría de los casos. El proceso de agitación provee un mejor contacto

entre el adsorbente y el adsorbato, de tal forma que se favorece el

proceso de adsorción; como se ilustra en la tabla mencionada, a un mayor

tiempo de agitación (lo que implica un mayor contacto entre las fases), se

favorece la adsorción y el carbón es capaz de adsorber más moléculas de

azul de metileno, a los 90 minutos se alcanza un porcentaje de remoción

de más del 99% en todos los casos, llegando casi al equilibrio.

En cuanto al carbón activo procedente de las cáscaras de naranja,

como se evidencia en la siguiente figura, se puede notar cómo los moles

adsorbidos en el proceso incrementaron progresivamente al aumentar el

período de tiempo; sin embargo, aquel que presentó la mayor cantidad de

moles adsorbidos en un menor tiempo de contacto fue la naranja

sometida a una temperatura de activación de 650°C.

Figura 24. Moles adsorbidos de azul de metileno a

diferentes tiempos de contacto por carbón activado a base

de cáscaras de naranja a ambas temperaturas de activación


3,900000E-06

4,000000E-06

4,100000E-06

4,200000E-06

4,300000E-06

4,400000E-06

4,500000E-06

4,600000E-06

4,700000E-06

4,800000E-06

450 650

Mo

les

adso

rbid

os

Temperatura de activación (°C)

Cáscaras de naranja

30 min

50 min

60 min

90 min

82

Por otro lado, en cuanto a las muestras provenientes de las

conchas de coco, se evidenció una diferencia entre las temperaturas de

activación, observándose una adsorción progresiva al aumentar el tiempo

con las muestras activadas a 450°C, mientras que el carbón activado a

650°C mostró una adsorción casi constante sin importar el tiempo en que

se mantuvieron en contacto con la solución, es decir, alcanzó adsorber la

mayor cantidad de moles en el menor período de tiempo, como se ilustra

en la siguiente figura.

Figura 25. Moles adsorbidos de azul de metileno a

diferentes tiempos de contacto por carbón activado a base de

conchas de coco a ambas temperaturas de activación


Esta diferencia de comportamiento en función a la temperatura de

activación, se debe a que el proceso de activación y la naturaleza de la

materia prima son factores relevantes, ya que como se mencionó

anteriormente, las cáscaras de naranja, debido a que las partículas eran

muy pequeñas, permitieron un mayor contacto con el ácido fosfórico, de

tal manera que pudo generar un área superficial más grande y uniforme

que la del coco, éstas tenían un tamaño de partículas más grandes, por lo

cual el área de contacto era menor.

0,000000E+00

5,000000E-07

1,000000E-06

1,500000E-06

2,000000E-06

2,500000E-06

3,000000E-06

3,500000E-06

4,000000E-06

4,500000E-06

5,000000E-06

450 650

Mo

les

adso

rbid

os

Temperatura de activación (°C)

Conchas de coco

30 min

50 min

60 min

90 min

83

Esta prueba permitió establecer qué temperatura de activación,

con ambas muestras de carbón, arrojaba un porcentaje de adsorción

mayor en la menor cantidad de tiempo. En ambas muestras de carbón,

aquellas activadas a una temperatura de 650°C mostraron el mejor

comportamiento y como se refirió previamente, el coco activado a dicha

temperatura presentó la mayor capacidad de adsorción de dicha solución

acuosa. Por lo que se puede decir que los sitios activos en esta muestra

de coco eran mayores a las demás muestras y generaban un gradiente

más grande, esto permitió la formación de la monocapa de manera más

rápida y a su vez, la decoloración de la solución de azul de metileno, que

a comparación con las demás, fue decolorándose progresivamente.

Según Shankar (2012), el carbón activo a partir de conchas de coco, tiene

mayor dureza a comparación con los otros carbones activos, lo que lo

hace ideal para la purificación de agua, como se observa en este caso.

IV.2.2 Langmuir

IV.2.2.1 Isotermas de adsorción

En las siguientes figuras se ilustran las isotermas de Langmuir

resultantes de la metodología experimental que permite calcular el área

por gramo de carbón activo.

84


muestras de conchas de coco a temperatura de activación de

650°C




650°C


y = 178,7x + 1,749R² = 0,958

0

5

10

15

20

25

30

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

C/X

(g/

L)

Concentración (mol/L)

y = 155,1x + 2,997R² = 0,968

0

5

10

15

20

25

30

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

C/X

(g/

L)


85


muestras de conchas de coco a temperatura de activación de

450°C




450°C


Para la realización de las gráficas anteriores, se realizó la línea que

fuera lo más cercana posible a la media entre los puntos, para hacer esto

y = 204,8x + 2,473R² = 0,955

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

C/X

(g/

L)


y = 112,8x + 5,153R² = 0,840

0

5

10

15

20

25

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

C/X

(g/

L)


86

se tuvo que aplicar criterio ingenieril y hacer caso omiso del punto

experimental correspondiente a la solución de ácido acético de 0,1448 M,

ya que no seguía el patrón de los demás.

De los gráficos anteriores, en función a los coeficientes de

determinación, R2, que indican qué tan exacta es la correlación entre las

variables, lo cual permite pronosticar valores futuros, se puede evidenciar

que las muestras carbonizadas a una temperatura de 650°C fueron las

que obtuvieron un R2

más cercano a 1, lo cual indica que estos valores

son los bastante representativos y se adaptan muy bien al modelo. De

acuerdo a Ramírez (2018), el carbón que se activa a temperaturas

superiores a 600°C en ausencia de oxígeno, enfriado en una atmósfera

inerte, resulta cargado negativamente y adsorbe preferentemente

moléculas ácidas en una solución líquida, como es evidenciado en este

experimento.

Como se observa, las muestras de naranja activadas a esa

temperatura muestran un mejor ajuste, por lo que se puede asumir que

las características superficiales de éstas le permiten la creación de una

monocapa del soluto tratado. Esto se puede verificar en los resultados

obtenidos de las pruebas realizadas con las soluciones de azul de

metileno, ya que se puede observar que las muestras de carbón activo de

las cáscaras de naranja fueron las que mostraron mejor capacidad de

adsorción, independientemente de la temperatura de activación a las que

fueron sometidas.

87

IV.2.2.2 Área superficial específica

Tabla 15. Resultado de las áreas superficiales específicas de los

carbones activados a base de ambas materias primas y temperaturas de

activación

Muestra Área [m2/g]

C. coco activado a 450°C por 3 horas 617 ± 94

C. naranja activado a 450°C por 3 horas 1121 ± 345

C. coco activado a 650°C por 3 horas 707 ± 104

C. naranja activado a 650°C por 3 horas 815 ± 103


Con base en las figuras anteriores, se pudo realizar el cálculo del

área por gramo de carbón, utilizando la ecuación 15. De los resultados

obtenidos, se puede observar en la tabla 15 que el carbón activo que

presentó una mayor área superficial fue el precedente de la naranja

activada a una temperatura de 450°C, seguido por la naranja activada a

650°C, el coco activado a 650°C y finalmente el coco activado a 450°C.

Sin embargo, para este experimento se utilizaron soluciones de

ácido acético a diferentes concentraciones; como se mencionó

previamente, la superficie estimada para este compuesto es de 21 𝐴2 , es

una molécula de un tamaño considerable, al igual que la de azul de

metileno, que posee una superficie de alrededor 130𝐴2 . Como las

muestras de naranja se presentaron eficaces en la adsorción de ambas

soluciones, tanto de ácido acético como de azul de metileno, se puede

inferir que las cáscaras de naranja son un buen material precedente para

la fabricación de carbón activo con poros grandes; esto explica el por qué

las muestras de carbón procedentes de la naranja se mostraron eficientes

en ambas pruebas realizadas. En cambio, las muestras de carbón activo

partiendo de la concha de coco mostraron un comportamiento variable en

88

función de la temperatura. El aumento de la temperatura durante la

impregnación fomenta el proceso de pirólisis, el cual produce un

rompimiento de enlaces y, por consecuencia, una expansión de poros. La

deshidratación y degradación del material favorece las reacciones de

condensación aromática entre las moléculas adyacentes, con su

consiguiente evolución de productos volátiles gaseosos, que son

liberados. Por lo tanto, la porosidad desarrollada a una temperatura de

650°C permite una mejor adsorción de soluciones, a comparación con el

carbón activado a 450°C.

Es posible que el tamaño de los poros del carbón de coco activado

a 650°C varíe, predominando en éste los microporos, tal como lo

menciona la E. U. Politécnica U. Sevilla (2010, p.23), el carbón activo

proveniente de la concha de coco se puede suponer microporoso. Esto

pudo haber influenciado en los resultados de los experimentos realizados,

ya que si las moléculas poseían gran tamaño, el carbón pudo haber

adsorbido parte de ellas, pero no en su totalidad, ya que el tamaño de los

poros no le hubiese permitido el paso a través de la estructura interna del

carbón.

La concha de coco, como precursor para la fabricación de carbón

activo, es un material que beneficia a la agroindustria en el manejo

ambiental de desechos, entre los cuales se puede mencionar el control de

emisiones, entre ellas, la emanación de dióxido de carbono, que es el

objetivo de este estudio. (Bastidas, Buelvas, Márquez y Rodríguez, 2010).

Los contaminantes ambientales en estado gaseoso tienen diámetros

moleculares pequeños, que pueden ser adsorbidos en microporos; por lo

tanto, los carbones de concha de coco son los carbones con mayor

microporosidad y son aplicados mayormente en la purificación de aire y

gases. (Azcuénaga, 2006, p. 48)

89

IV.3 Selección de materia prima para producir carbón activado

para la adsorción de dióxido de carbono.

En base a lo anteriormente dicho, se decidió que para las pruebas

involucrando a los gases de combustión, se utilizaría el carbón activado

procedente de las conchas de coco, con una temperatura de

carbonización de 650°C.

IV.3.1 Producción en masa de carbón activado de materia

prima seleccionada

La metodología explicada sobre el procedimiento de activación se

replicó para la nueva fabricación de carbón activo, como materia

precursora la concha de coco a una temperatura de carbonización de

650°C, estas muestras se ilustran en la siguiente figura.




IV.3.2 Isoterma de Langmuir y área por gramo de carbón

Se realizó nuevamente el experimento de adsorción de una

solución de ácido acético, para calcular el área por gramo del carbón

90

activo, verificando así que el valor se asemeje al calculado en las

muestras anteriores. Resultando de esta manera la siguiente gráfica.

Figura 31. Isoterma de adsorción de Langmuir de carbón

activado a base de conchas de coco a temperatura de activación

de 650°C


Mediante el uso de la ecuación 15, se hizo el cálculo respectivo

para determinar el área por gramo de carbón, cuyo valor es el

especificado en la siguiente tabla.

Tabla 16. Área superficial específica de carbón activado a

temperatura de 650°C por tres horas a base de conchas de coco

Área [m2/g] 796 ± 143


Como se puede observar en la tabla 16, el valor es bastante

cercano al obtenido en las muestras anteriores, que fue 707 m2/g. En este

caso, se procuró que la materia prima estuviese más triturada, para que el

proceso de activación fuese más efectivo y generar así una mayor área de

adsorción, como se puede evidenciar que ocurrió.

y = 158,7x + 1,135R² = 0,911

0

5

10

15

20

25

30

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

C/X

(g/

L)


Isoterma de Langmuir

91

IV.4 Pruebas pilotos de adsorción de dióxido de carbono

IV.4.1 Desplazamiento de agua por medio de dióxido de

carbono.

El experimento se realizó a temperatura ambiental y presión

atmosférica para que el CO2 tuviera un comportamiento lo bastante

cercano a lo ideal, pues al determinar el factor de comprensibilidad “Z” se

obtuvo un valor muy cercano a 1, dejando claro que a dichas condiciones

se puede manejar, con la ecuación de estado ideal, el número de moles

de dicho gas.

Figura 32. Sistema utilizado para el desplazamiento de

gases desprendidos


En la tabla 17 se muestran los moles de CO2 desprendidos para

dos muestras diferentes, con la finalidad de determinar una relación entre

los moles deprendidos por gramo de ENO Seltzer empleado; como se

puede apreciar no existe gran variación en dicha relación sin importar los

92

gramos de muestra empleados y se podría considerar contantes si se

mantienen las mismas condiciones.

Tabla 17. Moles de dióxido de carbono producidos por gramo de

ENO Seltzer determinados mediante el desplazamiento de agua en una

columna

Gramos de ENO Seltzer ±

0,0001

Moles de CO2

desprendidos ideales ±

0,02 (104) [mol]

Moles de CO2

desprendidos por gramo

de ENO Seltzer ± 0,2 (104)

[mol/g]

0,1313 6,13 46,7

0,1505 7,03 46,7

Promedio 6,58 46,7


Este factor calculado, de mol desprendido por gramo de ENO

Seltzer, constituye una base fundamental para el proceso de adsorción de

CO2 en carbón activado. Al exponer carbón activo a una determinada

cantidad de CO2, habiendo verificado que no existían fugas en el equipo,

no se notó ningún desplazamiento en la columna, es decir, que todo el

CO2 producido fue adsorbido por el adsorbente y fue un resultado que se

observó en cada una de las repeticiones de este experimento. El diámetro

molecular del dióxido de carbono es de 3,24 Angstrom (Å), asumiendo

que la molécula de dióxido de carbono es rectangular y el radio de Van

der Waals del carbono es de 1,7 Å el área molecular del dióxido de

carbono es de 2,754 Å2. Si se considera que tiene forma esférica, su radio

molecular es de 8,245 Å2. Los carbones microporosos se caracterizan por

tener un diámetro menor a 20 Å, por lo cual esto lo hace ideal para la

adsorción de moléculas de pequeño tamaño, como lo es el dióxido de

carbono. Como se evidencia en los experimentos realizados, el carbón

proveniente de la concha de coco es un buen adsorbente para las

moléculas de dióxido de carbono, por lo que se puede asumir que las

93

muestras de carbón posee en su estructura microporos, como se puede

constatar con las pruebas realizadas de Langmuir, ya que ésta es

indicativa de una adsorción en microporos.

IV.4.2 Corroboración de adsorción de dióxido de carbono por

medio de titulación del ácido carbónico

Al haber determinado mediante la técnica anterior los moles

adsorbidos, se pudo determinar el rendimiento de la valoración de ácido

carbónico producido al hacer reaccionar el CO2 con agua. Como se puede

apreciar en la tabla 18 la relación de moles adsorbidos por gramo de

carbón varió en función de los gramos de ENO Seltzer y carbón activo

utilizados.

Tabla 18. Rendimiento de la valoración de dióxido de carbono

adsorbido por el carbón activado a temperatura constante de 0°C en

pruebas pilotos con ENO Seltzer

Moles de CO2

teóricos adsorbidos

por gramo de carbón

± 0,01 [mmol/g]

Moles de CO2 por gramo

de carbón determinados

por valoración [mmol/g]

% de rendimiento

del método de

valoración

5,68 3,1 ± 0,1 55,63 ± 0,03

5,43 3,8 ± 0,1 71,47 ± 0,03

5,31 2,15 ± 0,04 40,44 ± 0,02

2,02 2,01 ± 0,02 99,39 ± 0,02

2,15 1,88 ± 0,02 87,44 ± 0,02

2,05 1,77 ± 0,02 86,40 ± 0,02


Esto se debe a que hay 4 reacciones involucradas en este

proceso, la primera consiste en el equilibrio entre la fase líquida y la fase

94

gaseosa del CO2 al entrar en contacto con el agua, y puede ser afectado

por distintos factores.

En principio dicha reacción es exotérmica por poseer una entalpía

de reacción negativa, de (-19,391 kJ/mol), a su vez, tomando en cuenta el

principio de Le Chatelier, donde si una reacción es exotérmica y se

aumenta la temperatura, el sistema regresará a la condición de equilibrio

desplazándolo a la formación de los reactivos, que es lo mismo, si se

disminuye la temperatura se favorecerá la formación de los productos

(Chang, 1992). Por otro lado, los coeficientes de absorción y solubilidad

juegan un papel importante, el primero fue propuesto por R. Bunsen a

mediados del siglo XIX y lo definió como el volumen de un gas que se

disuelve por unidad de volumen del disolvente y viene expresado por:

α =v0

V × p (32)

Donde “v0” es el volumen del gas disuelto, reducido a condiciones

normales, “V” es el volumen del disolvente y “p” es la presión parcial del

gas en unidades de atmósfera. El segundo fue sugerido por W. Ostwald

en el mismo siglo y se define como el volumen de un gas medido a

condiciones a las que se disuelve el gas admitido por unidad de volumen

de líquido y viene dado por:

β = αT

273 (33)

Donde “T” es la temperatura del experimento en Kelvin. Por lo

tanto, se puede predecir el comportamiento de un gas en un líquido bajo

con ayuda de estos dos coeficientes (Glasstone, 1968).

95

Tabla 19. Coeficientes de absorción de gases

Coeficientes de absorción de gases a 20°C

Agua

H2 N2 CO2 O2 CO

0,017 0,015 0,880 0,028 0,025

Fuente: Glasstone, 1968.

Tabla 20. Influencia de la temperatura sobre solubilidades de

gases en agua.

Coeficientes de absorción

He N2 O2 CO2

0°C 0,0094 0,0235 0,0489 1,7130

30°C 0,0081 0,0134 0,0261 0,6650

Fuente: Glasstone, 1968.

Tomando en consideración el coeficiente de absorción del CO2 en

agua a una temperatura de 0°C de la tabla 20, e introduciéndola en la

ecuación sugerida por W. Ostwald se determina que los coeficientes de

absorción y de solubilidad son idénticos a las condiciones empleadas para

el experimento, fundamentando que la temperatura del agua a la cual

estuvo el contacto el carbón activado favorece la solubilidad del dióxido de

carbono en agua, lo que permite su respectiva valoración.

Por supuesto, cuando el carbón activado se expuso a agua a una

temperatura de 0°C, se agitó para favorecer el proceso; sin embargo, el

tiempo en el cual se mantuvo en agitación pudo afectar el rendimiento de

la valoración, puesto que la agitación respectiva se realizó por 1 ó 3

minutos sin controlar la agitación de la muestra.

A pesar que el rendimiento fue muy variado respecto a cada

prueba y, además, los volúmenes consumidos de hidróxido de sodio en la

96

valoración fueron relativamente bajos, dicha valoración determinaba sólo

los moles en equilibrio del CO2 y del ácido carbónico, que son realmente

bajas por las reacciones de equilibrio. Sin embargo, al medir el pH de las

soluciones trabajadas, se pudo apreciar tanto la existencia de CO2 como

de ácido carbónico, pudiendo calcular a su vez los moles de CO2 que

lograron pasar a fase acuosa inicialmente. Esta fue una medida clave

para la cuantificación del CO2 acuoso, ya que permite discernir la

existencia de especies en una solución.

Tabla 21. Moles de dióxido de carbono en estado acuoso por

gramo de carbón activado basándose en el pH de la solución y sus

respectivas fracciones molares a temperatura constante de 0°C

pH de la

solución ±

0,001

Fracción molar

de H2CO3 (103)

Fracción molar

de CO2 (103)

Moles de CO2 acuoso

por gramo de carbón

± 0,01 [mmol/g]

2,127 1,06 ± 0,03 998 ± 2 1,77

3,545 1,067 ± 0,001 997 ± 2 1,88

4,218 1,0618 ± 0,0002 992 ± 2 2,01

5,365 0,9742 ± 0,0001 910 ± 2 2,15

6,427 0,5004 ± 0,0001 467 ± 1 3,16

6,541 0,4320 ± 0,003 403 ± 2 3,88


97

IV.4.3 Determinación de dióxido de carbono por medio de

carbonatos y bicarbonatos

Otro método para la cuantificación de CO2 es la utilización de

soluciones alcalinas para la formación de carbonatos; cada una de ellas

posee cierta afinidad a dicho gas y pudo ser estudiado al controlar la

cantidad de CO2 que reaccionaba con la solución. Este proceso resultó

ser bastante eficiente y satisfactorio, debido a que se obtuvo un

rendimiento de más de 97% para las soluciones de hidróxido de sodio y

potasio (ver tabla 22) en cuanto a la valoración y cuantificación, dejando

claro que existe afinidad con el CO2 gaseoso, favoreciendo las reacciones

con dichas soluciones alcalinas a temperatura ambiental.


soluciones alcalinas a temperatura ambiental

Muestra

Gramos

de ENO

Seltzer ±

0,0001

Moles de CO2

desprendidos

teóricos ± 0,02 (104)

[mol/g]

Moles de CO2

determinado por

valoración ± 0,05 (104)

[mol/g]

% de

rendimiento ±

0,05

100 ml de

NaOH

0,1945 9,09 8,89 97,88

100 ml de KOH 0,1963 9,17 8,94 97,52


Por otro lado, tomando en consideración de que en estos

experimentos era utilizada una gran cantidad de solución alcalina, el CO2

que reaccionaba con la misma, en ambos casos, formaba iones

carbonatos, ya que el exceso de iones hidroxilos aceleró las reacciones

de equilibrio involucradas, promoviendo su formación. Teniendo como

productos finales la solución, hidróxido de sodio o potasio, y su sal

correspondiente. Bajo estas consideraciones, se determinó que la

metodología a emplear, de acuerdo a lo estudiado, era la de “Caso IV: La

98

solución contiene hidróxido y carbonatos, Me2CO3 y MeOH” explicada

anteriormente, para así hacer más fácil la cuantificación del CO2.

Se utilizaron dos soluciones alcalinas para verificar el

comportamiento de cada una en presencia del CO2, sin embargo, no se

presentó ninguna diferencia característica, como era esperado, ya que

tanto el sodio como el potasio son metales alcalinos y sus sales en

solución se comportaban como electrolitos fuertes. En las reacciones

respectivas con estos hidróxidos, no se visualizó ningún cambio físico,

como desprendimiento de gases o formación de precipitado.

En cambio, al momento de hacer reaccionar el hidróxido de bario

con el CO2, se observó de manera inmediata la formación de un

precipitado de color blanco, lechoso e insoluble, que brindaba la

oportunidad de cuantificar en seguida los gramos de carbonato

producidos, que mediante una relación estequiométrica, permitía el

cálculo de los gramos de CO2 que reaccionaron, mostrando una alta

eficiencia, como se demuestra en la siguiente tabla.

Tabla 23. Rendimiento de la captura de dióxido de carbono en una

solución de hidróxido de bario a temperatura ambiental

Muestra

Gramos

de ENO

Seltzer ±

0,0001

Moles de CO2

desprendidos

Teóricos ± 0,02

(104) [mol/g]

Moles de CO2

determinados a

partir de la pesada ±

0,5 (104) [mol/g]

% de rendimiento

100 ml de

Ba(OH) 2

0,1893 8,84 8,7 98,78 ± 0,06


IV.5 Adsorción de dióxido de carbono en carbón activado

proveniente de la combustión

Teniendo en cuenta que las características de desempeño del

automóvil son muy buenas, además de que éste tenía sólo un año de uso,

99

se hizo la suposición de que las emisiones del mismo consistían

prácticamente en agua, N2, O2, y CO2. Al implementar los sistemas

explicados con anterioridad, se tuvo siempre presente la pérdida de gases

de combustión, puesto que los sistemas nunca estuvieron herméticos al

tubo de escape debido a la alta temperatura y presión del mismo; sin

embargo, se hizo lo posible de no perder más del 10% del gas, ya que en

los sistemas mostrados en la figura 16 y 17, se introdujo lo más posible el

tubo de escape dentro del tubo de plástico.

El análisis del CO2 presente en los gases de combustión resultó

ser satisfactorio al emplear hidróxido de bario en solución acuosa. Como

se muestra en la tabla 24, se pudo cuantificar los gramos de dióxido de

carbono emitidos por el automóvil a una velocidad angular constante

variando los tiempos de la corrida; se logra apreciar que los gramos

emitidos de CO2 por el automóvil aumentan cuando se incrementa el

tiempo de la corrida, lo que es de esperar. Sin embargo, no se determinó

una relación constante entre los gramos emitidos por segundos, ya que la

producción de CO2 se puede ver afectada por las impurezas del aire,

impurezas en la gasolina empleada, tiempo de precalentamiento del

automóvil y, por supuesto, de la perdida de gases problema, pero esos

gramos obtenidos a distintos tiempos sirvieron como base para los

experimentos posteriores.

Tabla 24. Gramos emitidos de dióxido de carbono por el automóvil

a distintos tiempos de corrida manteniendo constante la velocidad angular

Condiciones Gramos de CO2 emitidos por el

automóvil ± 0,0001

A 3000 rpm por 30 segundos 0,1733




100

Seguido de esto, se realizaron los experimentos con la trampa de

gases, en donde se expuso el carbón activado a los gases de combustión

y se obtuvieron los resultados esperados, en donde se evidenciaba que el

gas atravesaba la malla de carbón activado con facilidad hasta llegar a la

trampa de gases para hacer reaccionar por burbujeo el CO2 no adsorbido

con la solución alcalina.

Experimentalmente, se notó en las paredes del tubo de plástico

que se colocaba en contacto con el tubo de escape, como en las

mangueras y en la trampa la condensación de agua. Esto se debe al

cambio brusco de temperatura a los que fueron sometidos los gases, ya

que estos salen a una temperatura aproximada entre 300°C y 500°C,

mientras que el sistema estaba a condiciones ambientales; por lo tanto, al

momento de contacto entre los gases y el equipo utilizado, se alcanzaba

el punto de rocío del agua, por lo que se comenzó a visualizar su

condensación.

Por otro lado, al analizar la solución alcalina contenida en la trampa

tras haber culminado la corrida, basándose en los datos obtenidos del

hidróxido de bario a velocidad angular constante, se pudo concluir que el

carbón activado adsorbió parte del dióxido de carbono de los gases de

combustión, como se refleja en la tabla 25 y 26. A su vez, se muestra el

rendimiento del proceso de valoración del dióxido de carbono acuoso en

una muestra de agua, donde se llevan a cabo las reacciones previamente

descritas.

101

Tabla 25. Comparación de métodos de determinación de dióxido

de carbono adsorbido por carbón activado emitido por el automóvil a

temperatura ambiental mediante el uso de solución de hidróxido de sodio

y la valoración del ácido carbónico y CO2 acuoso, manteniendo constante

la velocidad angular

Condición de

corrida

Moles de CO2 por

gramo de carbón

adsorbidos teóricos

(104) [mol/g]

Moles de CO2

adsorbidos por gramo

de carbón

determinados por

valoración (104) [mol/g]

% de

rendimiento

de la

valoración

A 3000 rpm por 30

segundos

8,88 ± 0,04 2,227 ± 0,002 25,07 ± 0,01

8,94 ± 0,05 1,871 ± 0,003 20,92 ± 0,02

A 3000 rpm por 20

segundos

6,95 ± 0,05 0,684 ± 0,002 9,85 ± 0,03

4,89 ± 0,06 0,934 ± 0,003 19,11 ± 0,06

A 3000 rpm por 10

segundos

5,13 ± 0,06 1,157 ± 0,004 22,53 ± 0,04

5,70 ± 0,06 1,661 ± 0,002 29,12 ± 0,01


102

Tabla 26. Comparación de métodos de determinación de dióxido

de carbono adsorbido por carbón activado emitido por el automóvil a

temperatura ambiental mediante el uso de solución de hidróxido de

potasio y la valoración del ácido carbónico y CO2 acuoso, manteniendo

constante la velocidad angular

Condición de

corrida

Moles de CO2 por

gramo de carbón

adsorbidos teóricos

(104) [mol/g]

Moles de CO2 por

gramo de carbón

determinados por

valoración (104) [mol/g]

% de

rendimiento

de la

valoración

A 3000 rpm por 30

segundos

7,632 ± 0,04 3,038 ± 0,003 39,80 ± 0,01

7,464 ± 0,05 2,521 ± 0,002 33,79 ± 0,02

A 3000 rpm por 20

segundos

6,123 ± 0,04 1,292 ± 0,001 21,11 ± 0,03

5,971 ± 0,05 1,421 ± 0,002 23,80 ± 0,05

A 3000 rpm por 10

segundos

5,656 ± 0,06 1,774 ± 0,003 31,37 ± 0,04

5,668 ± 0,06 1,234 ± 0,002 21,77 ± 0,02


Se puede observar que los rendimientos de la valoración

previamente explicada no tuvieron aumento del más del 39% en

comparación a los expuestos en la tabla 22, esto pudo haber ocurrido

debido a que el carbón activado tuvo la capacidad de adsorber otros

compuestos emitidos por el tubo de escape, como se puede evidenciar en

los resultados de la tabla 25. Aunado a esto, es probable que el oxígeno

presente haya reaccionado con la superficie del carbón, creando grupos

funcionales que también se vieron involucrados en el proceso. Dichas

moléculas, aunque no evitaron la adsorción de dióxido de carbono y son

consideradas inertes, es posible que hayan ocupado sitios activos en las

muestras de carbón, lo cual reduce de por sí la cantidad de dióxido de

carbono adherido al carbón y por consiguiente, el porcentaje de

rendimiento de la técnica de la titulación. También, se considera que pudo

existir un impedimento estérico, lo que quizás afectó la cantidad de

103

dióxido de carbono que se pudo disolver con facilidad en el agua, efecto

reflejado también en el porcentaje de rendimiento. Sin embargo, sí se

visualizó un aumento de los moles adsorbidos por gramo de carbón con

respecto al tiempo de exposición al gas de combustión.

Tabla 27. Aumento en peso del carbón activado, especificando los

gramos de CO2 y otros compuestos inmersos en la combustión del

automóvil que fueron adsorbidos a distintas corridas manteniendo la

velocidad angular constante

Condición de corrida

Gramos de CO2

adsorbidos por gramo de

carbón

Gramos de otros

compuestos adsorbidos

por gramo de carbón ±

0,0001

A 3000 rpm por 30

segundos

0,033 ± 0,005 0,1234

0,039 ± 0,003 0,1279

0,039 ± 0,004 0,1064

0,032 ± 0,005 0,1129

A 3000 rpm por 20

segundos

0,026 ± 0,004 0,0807

0,026 ± 0,004 0,1082

0,030 ± 0,004 0,0018

0,021 ± 0,005 0,0688

A 3000 rpm por 10

segundos

0,024 ± 0,001 0,0182

0,024 ± 0,003 0,0484

0,022 ± 0,002 0,0653

0,025 ± 0,004 0,0465


104

Por último, se visualizan las fracciones molares de cada uno de los

componentes involucrados en la valoración, como lo son el ácido

carbónico, el dióxido de carbono, iones carbonato y bicarbonato. Estos

coexisten en la solución durante las reacciones de equilibrio químico; sin

embargo, se considera que en la solución sólo había presencia de iones

bicarbonatos, debido a que la solución de hidróxido de sodio era lo

suficientemente diluida como para permitir la formación inmediata de

iones carbonatos; no existía un exceso de iones hidroxilos, por lo que la

relación entre los componentes titulados es de 1:1. De acuerdo al pH de la

solución se puede determinar las fracciones molares de dichos

componentes, de tal manera que en presencia de pH bajo, las fracciones

molares tanto del ácido carbónico como de dióxido de carbono son

mayores a comparación a los iones carbonato y bicarbonato. Cabe

destacar que la proporción de equilibrio entre el CO2 acuoso y el ácido

carbónico es del orden de 103 y en la tabla 28 y 29 se logra apreciar este

hecho al comparar sus respectivas fracciones molares.


respectivos compuestos involucrados en el equilibrio de reacción del ácido

carbónico en agua a temperatura constante de 0°C

Continuación Tabla 29.

pH

solución

± 0,001

𝑿𝑯𝟐𝑪𝑶𝟑 𝒂𝒄 ±

0,0001 (102)

𝑿𝑪𝑶𝟐 (𝒂𝒄)± 0,3

(102)

𝑿𝑯𝑪𝑶𝟑−

(𝒂𝒄)±

0,002 (102)

𝑿𝑪𝑶𝟑−𝟐

(𝒂𝒄)±

0,00001 (102)

4,231 0,1061 99,1 0,718 4,9931x10-7

4,852 0,1037 96,9 2,935 8,5225 x10-6

4,930 0,1031 96,4 3,492 1,2135 x10-5

5,105 0,1014 94,8 5,136 2,6705 x10-5

5,160 0,1007 94,1 5,789 3,4166 x10-5

105


respectivos compuestos involucrados en el equilibrio de reacción del ácido

carbónico en agua a temperatura constante de 0°C

pH

solución

± 0,001

𝑿𝑯𝟐𝑪𝑶𝟑 (𝒂𝒄)±

0,0001 (102)

𝑿𝑪𝑶𝟐 (𝒂𝒄)± 0,3

(102)

𝑿𝑯𝑪𝑶𝟑−

(𝒂𝒄)±

0,002 (102)

𝑿𝑪𝑶𝟑−𝟐

(𝒂𝒄)±

0,00001 (102)

5,264 0,0991 92,7 7,242 5,4306 x10-5

5,372 0,0971 90,8 9,101 8,7511 x10-5

6,520 0,0443 41,5 58,464 0,0079

6,534 0,0435 40,7 59,245 0,0082

6,780 0,0300 28,0 71,912 0,0176

6,940 0,0227 21,2 78,715 0,0279

6,945 0,0225 21,0 78,907 0,0283


Finalmente, se logró obtener un promedio de gramos de CO2

adsorbidos por gramo de carbón a distintos tiempos de corrida

manteniendo la velocidad angular constante. Como se muestra en la

figura 33, hay un aumento pronunciado de adsorción entre el intervalo de

20 y 30 segundos de corrida, en donde se infiere que, debido a que el

vehículo ya se mantuvo un período de tiempo más largo en

funcionamiento y se le permitió calentar adecuadamente, la cantidad de

dióxido de carbono emitido es superior, lo que permite la adsorción del

mismo a una rata mayor.

106

Figura 33. Gramos promedio de dióxido de carbono

adsorbidos por gramo de carbón en función del tiempo de

exposición a gases de combustión emitidos por el automóvil a

temperatura ambiental


Sin importar el tiempo de corrida, el porcentaje de adsorción de

dióxido de carbono superó la mayoría de las veces el 90%, lo que indica

que el carbón activo es un buen método para la disminución de las

emisiones de dicho gas y que es un material posiblemente microporoso.

Los porcentajes varían con la corrida, siendo la corrida de 10 segundos la

que presentó el porcentaje más alto y la de 30 segundos los porcentajes

más variables y bajos, se puede decir que, como se mencionó

previamente, a mayor tiempo el catalizador puede funcionar de una mejor

manera y producir un flujo de dióxido de carbono más alto, de igual

manera existe una mayor proporción de los demás gases de salida que

pueden ocupar los poros del carbón activo utilizado, por lo cual a un

mayor período de tiempo de contacto entre los gases de combustión y la

muestra de carbón, es más propicia la adsorción de demás componentes

indeseados, por lo cual el porcentaje de remoción de dióxido de carbono

es menor que en la corrida que duró menos tiempo, en donde el tiempo

de contacto le permitió adsorber en mayor fracción el dióxido de carbono

emitido, pudiendo así recuperar en el carbón una mayor cantidad de gas.

0,02

0,022

0,024

0,026

0,028

0,03

0,032

0,034

0,036

0,038

0 5 10 15 20 25 30 35

Gra

mo

s d

e C

O2

ad

sorb

ido

s p

or

gram

o d

e ca

rbó

n

Tiempo (segundos)

107

Tabla 30. Porcentaje de remoción de dióxido de carbono de los

gases de combustión tratados

Condición de

corrida

% de

remoción de

CO2 de los

gases de

combustión

A 3000 rpm por 30

segundos

95,29 ± 0,04

77,66 ± 0,05

81,59 ± 0,04

98,53 ± 0,06

A 3000 rpm por 20

segundos

98,00 ± 0,07

84,02 ± 0,01

90,01 ± 0,02

87,52 ± 0,05

A 3000 rpm por 10

segundos

90,78 ± 0,06

97,12 ± 0,04

90,21 ± 0,03

98,85 ± 0,04


108

Conclusiones

De acuerdo a los resultados obtenidos en este trabajo de

investigación, se puede concluir lo siguiente:

- El tamaño de las partículas del material utilizado para su activación es

un factor relevante, ya que se demostró que a menor tamaño se

obtenía una mayor área superficial específica de carbón.

- El uso de ácido fosfórico como agente deshidratante se mostró

eficiente, ya que posiblemente permitió la expansión de los poros de

la materia prima usada.

- La metodología de activación seguida resultó efectiva al ser aplicada

en los materiales precursores de este estudio.

- El carbón activado con base en las cáscaras de naranja y conchas de

coco es un material con propiedades adsortivas que permiten la

remoción de colorantes y sustancias orgánicas en solución.

- El tiempo y velocidad de agitación son variables influyentes en la

solubilidad en agua del dióxido de carbono contenido en el carbón

activo.

- El uso de soluciones alcalina para la cuantificación de dióxido de

carbono presenta un rendimiento de más del 97%.

- No hay diferencia relevante entre el uso de hidróxido de sodio y

potasio en la metodología correspondiente, ya que ambos presentan

un rendimiento prácticamente igual.

- La valoración de ácido carbónico en solución acuosa es una

metodología viable para la determinación de dióxido de carbono

disuelto en agua.

- El carbón activado con base en las conchas de coco a una

temperatura de 650°C de activación es un buen adsorbente, tanto

para soluciones acuosas como para gases presentes en la post-

combustión de un automóvil.

109

Recomendaciones

Con base en los resultados y conclusiones alcanzados, se

proponen varias recomendaciones para las investigaciones posteriores

sobre el tema de estudio tratado.

- En caso de tener una materia prima de gran dureza, como lo es la

concha de coco, se recomienda moler las muestras con un triturador

industrial.

- Para la cuantificación de dióxido de carbono disuelto en agua, se

puede realizar una metodología que permita la formación de

precipitado, en vez de realizar una titulación.

- Se aconseja la identificación de grupos funcionales en la superficie

química del material mediante espectroscopía infrarroja con

transformada de Fourier (FTIR), ya que los compuestos existentes

influyen en el proceso de adsorción.

- Se recomienda determinar la morfología del carbón activo por

microscopía electrónica de barrido (SEM).

- Hacer un estudio económico sobre la producción y aplicación de

carbón activo para la purificación de gases y agua a gran escala.

110

Bibliografía

Armas, F. Figarella, E. (s.f.) Práctica 6: Determinación de bicarbonato de

sodio en Alka – Seltzer. Recuperado de:

http://ares.unimet.edu.ve/quimica/bptqi22/Labqui/practicas.htm (12

de enero de 2018)

Asimbaya, C., Rosas, N., y Guerrero, V. (2015). Obtención de Carbón

Activado a partir de Residuos Lignocelulósicos de Canelo, Laurel

y Eucalipto. Revista Politécnica, volumen 36, N°3. Recuperado de:

https://www.revistapolitecnica.epn.edu.ec/images/revista/volumen

36/tomo3/ObtenciondeCarbonActivadoapartirdeResiduos.pdf (15

de marzo de 2018)

Ayala, R., Duran, M., Morales, M., y Solís, J. (2012). Obtención de carbón

activado a partir de residuos agroindustriales y su evaluación en la

remoción de color del jugo de caña de azúcar. Tecnología,

Ciencia, Educación, volumen 27, pp-36-48. Recuperado de:

http://www.redalyc.org/pdf/482/48224413006.pdf (15 de marzo de

2018)

Azcuénaga, L. (2006). Certificación en seguridad y salud de las empresas

contratistas y subcontratistas. FUNDACIÓN CONFEMETAL:

Madrid, España.

Ballesteros Perdices, M. et al. (2009) Cambio climático: ¿Un desafío a

nuestro alcance?: XIII Jornadas Ambientales. Salamanca,

España. Recuperado de:

https://books.google.es/books?hl=en&lr=&id=22gmFIQujEwC&oi=f

nd&pg=PA15&dq=incremento+co2+en+el+ambiente&ots=F8HBE

7z8PN&sig=BeEniSBe7uCphu0MviMHp5Qdjjk#v=onepage&q=inc

remento%20co2%20en%20el%20ambiente&f=false (6 de octubre

de 2017)

Barrow, G. M. (1985). Química Física. Barcelona: Editorial Reverté.

111

Bastidas, M., Buelvas, L., Márquez, M., y Rodríguez, K. (2010).

Producción de Carbón Activado a partir de Precursores

Carbonosos del Departamento del Cesar, Colombia. Información

Tecnológica, volumen 21, N°3, pp. 87-96. Recuperado de:

https://scielo.conicyt.cl/pdf/infotec/v21n3/art10.pdf (18 de marzo

de 2018)

Blanco, A., García – Abuín, A., Gómez – Díaz, D., Navaza, J. M., Sanjurjo,

B., Vidal – Tato, I. (2009). Absorción de CO2 en columna de

burbujeo por reacción con álcalis. AFINIDAD IQS, volumen 66, N°

544. Recuperado de:

https://www.raco.cat/index.php/afinidad/article/view/279565/36728

0 (22 de marzo de 2018)

CDMX. (2018). Mofle y convertidor catalítico, lo que necesitas saber. El

Universal. Recuperado de:

http://www.eluniversal.com.mx/autopistas/mofle-y-convertidor-

catalitico-lo-que-necesitas-saber (5 de noviembre de 2017)

Cengel, Y., y Boles, M. (2011). Termodinámica. D.F, México: Editorial

McGraw-Hill, 7ed.

Chang, R. (1992). Química. (4ª. ed.) Madrid, España: Editorial McGraw-

Hill.

ChiemiVall. (s.f). Introducción al Carbón Activado (CA). [Figura].

Recuperado de: http://www.carbonactivo.com/introduccion.html

(21 de abril de 2018)

Consejo Superior de Investigaciones Científicas (2018). Estructura de los

cristales: Fuerzas interatómicas en los cristales. Recuperado de:

http://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristalografia/parte_01_2.html (15 de

junio de 2018)

CORQUIVEN, C.A. (2000). HOJA DE SEGURIDAD (MSDS) ACIDO

FOSFORICO. Recuperado de:

112

http://www.regenciaquimica.ucr.ac.cr/sites/default/files/Acido%20f

osfórico.pdf (15 de enero de 2018)

Cortés, C., y Prada, A. (2011). Experiencias en la captura de los gases de

combustión de la cascarilla de arroz con soluciones alcalinas.

Orinoquia, volumen 15, N°1, pp. 16-30. Recuperado de:

http://www.scielo.org.co/pdf/rori/v15n1/v15n1a03.pdf (15 de abril

de 2018)

Cortes, W. (2011). Materiales lignocelulósicos como fuente de

biocombustibles y productos químicos. TECNO ESUFA, volumen

16, pp-41. Recuperado de:

https://www.publicacionesfac.com/index.php/TecnoESUFA/article/

viewFile/366/486 (18 de marzo de 2018)

de Figarella, E., Figarella, X., Norma, D., Rosales, F. (2001). Práctica 6:

Análisis de una muestra de carbonato y bicarbonato. Recuperado

de: http://ares.unimet.edu.ve/quimica/fpqi01/index1.html (17 de

marzo de 2018)

Domínguez, J. (2013). Conceptos de combustión y combustibles. Jornada

sobre Calderas Eficientes en Procesos Industriales. Llevado a

cabo en consejería de economía y hacienda, comunidad de

Madrid. Dirección general de Industria, Energía y Minas. Madrid,

España. Recuperado de:

https://www.fenercom.com/pages/pdf/formacion/13-01-

23_Jornada%20calderas%20industriales/01-Conceptos-de-

combustion-y-combustibles-GAS-NATURAL-SDG-fenercom-2013

(20 de marzo de 2018)

Dr. Barra, R., y Gallardo, M. (1997). Cambio Climático Global. (Programa

de doctorado). Universidad de Concepción, Centro Eula, Chile.

Recuperado de:

http://www.produccionbovina.com.ar/clima_y_ambientacion/06-

cambio_climatico_global.pdf (10 de noviembre de 2017)

113

Dr. Rosas, V. (1999). Adsorción. Recuperado de:

http://lqi.tripod.com/FQAv/isoterms.htm (25 de febrero de 2018)

Dr. Shankar, P. (2012). COCONUT SHELL BASED ACTIVATED

CARBON WITH NO GREENHOUSE GAS EMISSION. Water

Technology. Recuperado de:

https://www.watertechonline.com/coconut-shell-based-activated-

carbon-with-no-green-house-gas-emission/ (15 de marzo de 2018)

E. U. Politécnica U. Sevilla. (2010). Manual del Carbón Activo.

Recuperado de:

http://www.elaguapotable.com/Manual%20del%20carb%C3%B3n

%20activo.pdf (10 de octubre de 2017)

Eco – Vehículos. (s.f.). Eco – Etiquetado de Automóviles. Recuperado de:

http://www.ecovehiculos.gob.mx/ecoetiquetado.php?vehiculo_id=1

8246 (22 de marzo de 2018)

Ecoviate. (2013). CO2ube: The World's First Carbon Dioxide Filtration

System. Nashville, Estados Unidos. Revista de emprendimiento.

Recuperado de:

https://www.kickstarter.com/projects/105742033/co2ube-the-

worlds-first-carbon-dioxide-filtration (4 de octubre de 2017)

Ela, W., Masters, G. (2008) Introducción a la ingeniería medioambiental.

(3ra Ed.)Madrid, España: Pearson Educación S. A.

EROSKI CONSUMER. (2018). FRUTAS, Guía práctica de frutas.

Recuperado de: http://frutas.consumer.es/coco/propiedades (18

de marzo de 2018)

Fernández, P. (2012). Equilibrio ácido – base. Recuperado de:

https://previa.uclm.es/profesorado/pablofernandez/QG-05-

equilibrio%20acido%20base/equilibrio%20acido%20base.pdf (14

de abril de 2018)

114

García, R., y Granillo, Y. (2016). EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES

OPERACIONALES EN EL PROCESO DE PREPARACIÓN DE

CARBÓN ACTIVO DE CÁSCARA DE NARANJA VALENCIA

(Citrus Sinensis Linn Osbeck), LABORATORIOS DE QUÍMICA

UNAN-MANAGUA, II SEMESTRE 2016. (Tesis de pregrado).

Universidad nacional autónoma de Nicaragua, Managua.

Recuperado de: http://repositorio.unan.edu.ni/4275/1/96798.pdf

(14 de febrero de 2018)

Giraldo, L., Moreno, J., y Peña, K. (2012). PREPARACIÓN DE CARBÓN

ACTIVADO A PARTIR DE CÁSCARA DE NARANJA POR

ACTIVACIÓN QUÍMICA. CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y

QUÍMICA. Revista Colombiana de Química, volumen 41, N°2, pp.

311-323. Recuperado de:

http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=309028756010 (20 de enero

de 2018)

Giraldo, L., Moreno, J., y Vargas, D. (2011). Síntesis de Monolitos de

Carbón activado: análisis comparativo ente las características

texturales y energéticas determinadas mediante calorimetría de

inmersión. AFINIDAD IQS, volumen 68, N° 553. Recuperado de:

https://www.raco.cat/index.php/afinidad/article/view/268094 (18 de

abril de 2018)

Glasstone, S. (1968). Textbook of physical chemistry. (J, Sancho). Madrid,

España: Aguilar. (Trabajo original publicado en 1949)

Greenpeace. (s,f). Cambio Climático. Recuperado de:

https://es.greenpeace.org/es/trabajamos-en/cambio-climatico/ (18

de noviembre de 2017)

Grisales, A., & Rojas, W. (2016). Obtención de carbón activado a partir de

activación química de pulpa de café y su aplicación en la

remoción de colorantes en aguas residuales industriales. (Tesis

de pregrado). Universidad tecnológica de Pereira, Pereira.

115

Recuperado de:

http://repositorio.utp.edu.co/dspace/bitstream/handle/11059/6965/

628162G869.pdf (24 de enero de 2018)

Grupo ECOticias S.L. (2015). ¿El cambio climático en que se diferencia

del calentamiento global? Econoticias.com. recuperado de:

https://www.ecoticias.com/co2/106009/cambio-climatico-

diferencia-calentamiento-global (14 de febrero de 2018)

Hamilton, L., Simpson, S. (1971). Cálculos de química analítica. México:

McGraw – Hill.

Heinke, G., Henry J. (1999) Ingeniería ambiental. (2da Ed.) México D.F.,

México: Prentice Hall.

Hernández, R. (2014). Metodología de la investigación. (6ta Ed.) México

D.F. México: McGraw-Hill.

Ibercena, M., y Scheelje, J. (2003). El cambio climático principales

causantes, consecuencias y compromisos de los países

involucrados. Actas de congreso. 0523-B2. Recuperado de:

http://www.fao.org/docrep/ARTICLE/WFC/XII/0523-B2.HTM (15

de noviembre de 2017)

INDURA S.A. (2007). Hoja de datos de seguridad de materiales. HDS-

CO2-00. Recuperado de:

http://www.indura.net/Descargar/Hoja%20de%20Seguridad%20Di

%C3%B3xido%20de%20Carbono?path=%2Fcontent%2Fstorage

%2Fpe%2Fbiblioteca%2Fe710b852e36946d3bd9b06b53b9f7562.

pdf (10 de enero de 2018)

Instrumentos de Laboratorio. (2018). Balanza de Laboratorio. Recuperado

de: http://www.instrumentosdelaboratorio.net/2012/05/balanza-de-

laboratorio.html (14 de abril de 2018)

116

IPCS. (2010). ÁCIDO ACÉTICO. Recuperado de: http://sct.uab.cat/l-amb-

controlat/sites/sct.uab.cat.l-amb-controlat/files/CH3COOH.pdf (20

de abril de 2018)

IPCS. (2010). HIDRÓXIDO DE POTASIO. Recuperado de:

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasT

ecnicas/FISQ/Ficheros/301a400/nspn0357.pdf (14 de abril de

2018)

IPCS. (2010). HIDRÓXIDO DE SODIO. Recuperado de:

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasT

ecnicas/FISQ/Ficheros/301a400/nspn0360.pdf (14 de abril de

2018)

KIA. (2018). 2017 Sportage. Recuperado de:

https://www.kia.com/us/es/vehicle/sportage/2018/features (14 de

abril de 2018)

León, C. (2016). Methylene bue. Recuperado

de:https://monographs.iarc.fr/ENG/Monographs/vol108/mono108-

06.pdf (18 de abril de 2018)

López Acevedo, M., Poch Claret, R., Porta Casanellas, J.(2014)

Edafología: uso y protección de suelos. (3ra Ed.) Cataluña,

España: Ediciones Mundi Prensa. Recuperado de:

https://books.google.co.ve/books?id=7x1fAwAAQBAJ&pg=PA254

&lpg=PA254&dq=adsorcion+barrow&source=bl&ots=0op5x2TQPJ

&sig=HFSZEGQ95XekDT1Exd12YkVr0uk&hl=es&sa=X&ved=0ah

UKEwjOk8bJzsTXAhVFVyYKHX-

BD3MQ6AEIOTAF#v=onepage&q=adsorcion%20barrow&f=false

(16 de enero de 2018)

Luna, D., González, A., Gordon, M., Martín, N. (2007). Obtención de

carbón activado a partir de la cáscara de coco. UAM–

Azcapotzalco, D.F., México.

117

Martín Martínez, J. M. (1990) Adsorción física de gases y vapores por

carbones. Alicante: Universidad de Alicante, Secretariado de

Publicaciones. ISBN 84-86809-33-9, 376 p.

Martín-González, M. A., Susial, P., Pérez-Peña, J., Doña-Rodríguez, J. M.

Preparation of activated carbons from banana leaves by chemical

activation with phosphoric acid. Adsorption of methylene blue.

Revista Mexicana de Ingeniería Química Vol. 12, No. 3 (2013)

595-608.

Merck. (2018). Bario hidróxido octahidrato. Recuperado de:

http://www.merckmillipore.com/VE/es/product/Barium-hydroxide-

octahydrate,MDA_CHEM-101737 (15 de marzo de 2018)

METRIX laboratorios S.A. (2018). ESPECTROFOTOMETRÍA.

Recuperado de: http://www.metrixlab.mx/espectrofotometria/ (18

de abril de 2018)

Organismo Internacional de Energía Atómica. (2014). Química del ácido

carbónico del agua. Recuperado de: http://www-

naweb.iaea.org/napc/ih/documents/LIBRO%20ISOTOPOS/PDF%

20Isotopos-I/Seccion9.pdf (22 de abril de 2018)

Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura

(2018). Cambio Climático. Recuperado de:

http://www.fao.org/climate-change/es/ (20 de noviembre de 2017)

Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación Y la

Agricultura. (2018). Frutos Cítricos. Recuperado de:

http://www.fao.org/docrep/007/y5143s/y5143s0z.htm (14 de marzo

de 2018)

Organización Mundial de la Salud. (2016). Cada año mueren 12,6

millones de personas a causa de la insalubridad del medio

ambiente. Ginebra, Suiza. [Comunicado de prensa] Recuperado

de: http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2016/deaths-

attributable-to-unhealthy-environments/es/ (5 de octubre de 2017)

118

Peinado, M. (2017). Unas drupas especiales: almendros, nogales y

cocoteros. Recuperado de:

http://www.sobreestoyaquello.com/2017/08/unas-drupas-

especiales-almendros.html (15 de abril de 2018)

Periódico de Salud (s.f). pHmetro – Que es, fundamento, partes,

calibración. Recuperado de: https://periodicosalud.com/phmetro-

fundamento-partes-calibracion/ (17 de abril de 2018)

Pickering, W. F. (1980). Química analítica. Ed. Reverte. recuperado de:

mdoernahttps://books.google.co.ve/books?id=ZF9jSBZCghAC&pg

=PA345&lpg=PA345&dq=quimica+analitica+indicadores&source=

bl&ots=DrKBvhdl3c&sig=vseAtlp8mzqjhfdSTDapav1c-

kI&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwjLpd-

Qg_XaAhVFwlkKHa4iC1AQ6AEItQEwFg#v=onepage&q=quimica

%20analitica%20indicadores&f=false (15 de abril de 2018)

PubChem. (2018). Carbon Dioxide. Recuperado de:

https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/280#section=Top (15

de mayo de 2018)

Ramírez, C. (2009). El Carbón activado para el tratamiento del agua.

(Tesis de pregrado). Universidad de Sonora, México. Recuperado

de: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/20980/capitulo1.pdf (15

de febrero de 2018)

ROSHFRANS. (2007).¿Qué es el convertidor catalítico? Recuperado de:

http://www.roshfrans.com/que-es-el-convertidor-catalitico/ (25 de

febrero de 2018)

Rubinos, D. (2008). Utilización de lodos rojos de bauxita en la contención

e inactivación de residuos tóxicos y peligrosos. (Tesis de

postgrado).Universidad Santiago de Compostela, España.

Recuperado de:

https://books.google.co.ve/books?id=Z8XynuC_ySEC&printsec=fr

ontcover&hl=es#v=onepage&q&f=false (25 de febrero de 2018)

119

Sanz, A. (s.f.) La industria de los colorantes y pigmentos. Recuperado de:

https://www.eii.uva.es/organica/qoi/tema-11.php (15 de abril de

2018)

Skoog, D., West, D. (2002). Introducción a la química analítica. Barcelona.

Editorial Reverté (pp. 230) Recuperado de:

https://books.google.co.ve/books?id=HYxVZlYkk-

MC&pg=PA230&lpg=PA230&dq=indicador+qu%C3%ADmico&sou

rce=bl&ots=ffBybLm_M1&sig=r8ylf7M2ABmmCboEt0zHRwQQZo

8&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwir2rDTgPXaAhXHxVkKHYYFDaEQ

6AEIxQEwFw#v=onepage&q=indicador%20qu%C3%ADmico&f=f

alse (14 de abril de 2018)

Testo Argentina SA. (s.f). Energía y Combustión. Recuperado de:

http://www.academiatesto.com.ar/cms/energia-y-combustion (15

de abril de 2018)

Testo Argentina SA. (s.f). Gases de combustión. Recuperado de:

http://www.academiatesto.com.ar/cms/gases-de-combustion-1 (14

de enero de 2018)

TP - Laboratorio Químico. (2018). Mufla. Recuperado de:

https://www.tplaboratorioquimico.com/laboratorio-

quimico/materiales-e-instrumentos-de-un-laboratorio-

quimico/horno-mufla.html (18 de abril de 2018)

Tuñón, I., y Silla, E. (2008). Tema 7. Superficies sólidas: adsorción y

catálisis heterogenia. Química Molecular Estadística. Ed. Síntesis,

Madrid. Recuperado de:

https://www.uv.es/tunon/pdf_doc/Superficies_Solidas_A.pdf (18 de

abril de 2018)

Universidad de Oviedo. (2013). Química de Superficies: Adsorción de

Ácido Acético sobre Carbón Activo. Recuperado de:

https://sisoyyomismo.files.wordpress.com/2013/04/isoterma-

adsorcic3b3n.pdf (20 de enero de 2018)

120

Universidad Metropolitana. (2002). Práctica 9: Adsorción de Líquidos en

Sólidos. Recuperado de:

http://ares.unimet.edu.ve/quimica/bpqi03/p9.htm (28 de enero de

2018)

Universidad Miguel Hernández de Elche. (s.f). Transmitancia, absorbancia

y ley de Lambert – Beer. Recuperado de:

http://repositorio.innovacionumh.es/Proyectos/P_22CursoMaterial

es/Miguel_Angel_Sogorb/Wimba/Espectroscopia_05.htm (15 de

abril de 2018)

Viades, J. (2012). Fenómenos de superficie. Adsorción. Recuperado de:

http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Unidad3Adsorcion_19

664.pdf (15 de marzo de 2018)

WINKLER. (s.f). ACIDO CLORHIDRICO 37%. Recuperado de:

http://www.lco.cl/operations/safety-and-health/technical-

info/safety-data-

sheets/Ficha%20seguridad%20Acido%20Cloridrico.pdf (15 de

mayo de 2018)

Wolf – Gladrow, D., Zeebe, R. E. (2001). CO2 in seawater: Equilibrium,

kinetics, isotopes. (2ª. ed.) Elsevier Science, volumen 65, p.292.

Recuperado de:

https://books.google.co.ve/books?id=VrumU3XvQ-

gC&pg=PA292&lpg=PA292&dq=co2+%2B+h2o+equilibrium+cons

tant&source=bl&ots=0nKH072p3W&sig=ZRXCcwI3i_l5thrgEntt6W

e4gnE&hl=es-419&sa=X&ved=0ahUKEwjn-

aDalI7bAhXozVkKHZLxAtg4KBDoAQhQMAg#v=onepage&q=co2

%20%2B%20h2o%20equilibrium%20constant&f=false (16 de abril

de 2018)

121

Apéndices

Apéndice A

EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS

- Horno con termostato

- Mufla

- pH- metro

- Agitador de placas (Shaker)

- Plancha de agitación

- Agitadores magnéticos

- Beakers de vidrio de 500 ml y 1000 ml de capacidad

- Pipetas volumétricas de 10 ml, 25 ml y 50 ml

- Fiolas Erlenmeyer de 125ml, 250 ml y 2000 ml de capacidad

- Balones aforados de vidrio de 100 ml, 200ml, 500 ml y 2000 ml.

- Secadores de vidrio

- Embudos sin tallo

- Filtros de plástico

- Papel de filtro

- Kitasato

- Buretas volumétricas de 50 ml

- Propipeta

- Pinzas para buretas

- Gotero

- Balanza

- Crisoles de cerámica

- Tapones de fiolas Erlenmeyer

- Solución de ácido ortofosfórico 23,54% m/m

- Solución de hidróxido de sodio 0,1 M

- Solución de ácido clorhídrico 0,1 M

- Solución de acido clorhídrico 3,5M

- Indicador fenolftaleína

- Carbón activado

- Agua destilada

PREPARACIÓN DE REACTIVOS

N° PROCEDIMIENTO

1. Hidróxido de sodio 0,1M

1a

.

Se pesan 12,7 g de NaOH al 80% en hojuelas y se traspasan a una fiola

Erlenmeyer de 2000 ml

Se agregan 2000 ml de agua destilada

122

Colocar la fiola Erlenmeyer en una plancha de agitación

Se agitan a máxima velocidad durante 30 minutos a temperatura ambiente

1b

.

Se toman dos alícuotas de 10 ml de ácido clorhídrico de concentración conocida

Se traspasan a dos fiolas de 125 ml y se agregan 3 gotas de indicador fenolftaleína

Se cura una bureta con solución de NaOH recién preparada y se enraza hasta 0 ml

Se agrega volumen de NaOH en la fiola hasta que el indicador vire de color.

2. Ácido ortofosfórico23,54% m/m

2a

.

Agregar agua destilada en un balón aforado de 2000 ml hasta la mitad

Agregar 440 ml de ácido ortofosfórico al 85% en el balón aforado

Agitar varias veces

2b

.

Se toman dos alícuotas de 10 ml de la solución preparada


Se cura una bureta con solución de NaOH de concentración conocida y se enraza

hasta 0ml

Se valoriza la solución problema hasta que el indicador vire de color

CÁLCULOS

ESTANDARIZACIÓN DE HIDRÓXIDO DE SODIO

- Se tabulan los valores de volumen consumido de la bureta.

- Mediante la ecuación: 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 × 𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝑀𝐻𝐶𝑙 × 𝑉𝐻𝐶𝑙 se calcula la concentración real del

NaOH.

𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 =0,1

𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,01𝐿

0,0104𝐿= 0,09615

𝑚𝑜𝑙

𝐿

ESTANDARIZACIÓN DE ÁCIDO ORTOFOSFÓRICO

- Se utilizo NaOH 3,5M molar en la valoración para no consumir mucho reactivo.

- Se tabulan los valores de volumen consumidos de la bureta.

- Se calculan los moles de ácido ortofosfórico titulados de la forma:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐻3𝑃𝑂4= 3,5

𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,0237𝐿 ×

1 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑃𝑂4

3 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻= 0,02765 𝑚𝑜𝑙

- Se calcula la moralidad de la solución:

𝑀𝐻2𝑃𝑂4=

0,02765 𝑚𝑜𝑙

0,01𝐿= 2,765 𝑀

- Se calcula la densidad de la solución preparada tomando una alícuota de 5 ml y se pesa en un

beaker, se divide el valor en peso con el volumen empleado de la solución de la forma:

𝜌𝐻2𝑃𝑂4=

5,7591 𝑔

5𝑚𝐿 = 1,1518𝑔/𝑚𝐿

- Se determina el porcentaje en masa de la solución de la forma:

123

%𝑚

𝑚

=𝑀𝐻2𝑃𝑂4

𝜌𝐻2𝑃𝑂4×

1000 𝑚𝐿

1𝐿 ×

1

𝑃𝑀

=2,765

𝑚𝑜𝑙

𝐿

1,1518 𝑔

𝑚𝐿 ×

1000 𝑚𝐿

1𝐿 ×

𝑚𝑜𝑙

98 𝑔

× 100

%𝑚

𝑚

= 23,54%

124

Apéndice B


- Agitador de placas (Shaker) con baño termostático

- Balanza

- Fiolas Erlenmeyer de 125ml y 250ml de capacidad

- Beakers de 400ml de capacidad

- Bureta volumétrica de 50ml

- Soporte para bureta

- Embudos de vidrio sin tallo

- Pipetas volumétricas de 10ml y 50ml

- Papel de filtro

- Vidrio de reloj

- Soporte para filtros

- Tapones para fiolas

- Termómetro

- Solución de ácido acético 0,15M, 0,14M, 0,12M, 0,09M y 0,06M

- Agua destilada

- Solución de hidróxido de sodio 0,1M

- Solución de ácido clorhídrico 0,1M


- Carbón activado

PREPARACIÓN DE REACTIVOS

N° PROCEDIMIENTO


1a.






1b.


Se traspasan a dos fiolas de 125 ml y se agregan 3 gotas de indicador

fenolftaleína

Se cura una bureta con solución de NaOH recién preparada y se enraza hasta 0

ml


2. Ácido acético 0,15M

2a.

Se agrega agua destilada en un balón aforado de 1000 ml hasta la mitad

Se toma una alícuota de 10ml de ácido acético 15M y se añaden al balón

aforado

125

Se enraza con agua destilada el balón aforado y se agita

Se toman 187 ml, 160ml, 120ml y 80ml de ácido acético preparado y se repite

los últimos tres pasos utilizando balones aforados de 200ml.

2b.

Se toman dos alícuotas de 10ml de cada una de las soluciones preparadas y se

agregan a una fiola Erlenmeyer de 125ml y se adicionan 3 gotas de indicador

fenolftaleína

Se cura una bureta con NaOH de concentración conocida y se enraza hasta 0

ml

Se valoriza cada una de las soluciones hasta que el indicador vire de color

CÁLCULOS

ESTANDARIZACIÓN DE HIDRÓXIDO DE SODIO



NaOH.


𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,01𝐿

0,010𝐿= 0,1

𝑚𝑜𝑙

𝐿

NOTA: Esta solución se utilizó para la valoración del ácido acético en los experimentos de

isotermas de Langmuir.

ESTANDARIZACIÓN DE ÁCIDO ACÉTICO


- Mediante la ecuación: 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 × 𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝑀𝐴𝐴𝑐 × 𝑉𝐴𝐴𝑐 se calcula la concentración real del

NaOH.

𝑀𝐴𝐴𝑐 =0,09615

𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,016,8𝐿

0,010𝐿= 0,1615

𝑚𝑜𝑙

𝐿

- Este cálculo se realiza con cada una de las soluciones de ácido acético preparadas

NOTA: las soluciones de ácido acético se valoración con solución de hidróxido de sodio 0,09615M

126

CÁLCULOS RESPECTIVOS DE LAS ISOTERMAS DE LANGMUIR

- Se toman alícuotas de 5ml de las muestras respectivas de ácido acético al culminar el proceso

de agitación.

- Se tabulan los gramos de carbón activado utilizados en cada fiola Erlenmeyer, al igual que

cada volumen consumido de NaOH en la titulación de las respectivas muestras.

- Se calculan los moles de ácido acéticos finales en la muestra de 5ml titulados a partir de

NaOH mediante la ecuación:

𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 × 𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐴𝐴𝑐 ,2

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐴𝐴𝑐 ,2 = 0,1 𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,0069𝐿 = 0,000695 𝑚𝑜𝑙

- Se calculan los moles iniciales en la solución mediante la ecuación:

𝑀𝐴𝐴𝑐 ,1 × 𝑉𝐴𝐴𝑐 ,1 = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐴𝐴𝑐 ,1

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐴𝐴𝑐 ,1 = 0,1613 𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,025𝐿 = 0,0040325 𝑚𝑜𝑙

- Se calcula la concentración de ácido acético en la solución de la forma:

𝑀𝐴𝐴𝑐 ,2 =𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐴𝐴𝑐 ,2

𝑉 𝑎𝑙𝑖𝑐𝑢𝑜𝑡𝑎

𝑀𝐴𝐴𝑐 ,2 =0,000695 𝑚𝑜𝑙

0,005𝐿= 0,139𝑀 = 𝐶

- Se calculan los moles finales totales en la solución como sigue:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐴𝐴𝑐 ,1 = 𝑀𝐴𝐴𝑐 ,2 × 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐴𝐴𝑐 ,2𝑇 = 0,139 𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,025𝐿 = 0,003475 𝑚𝑜𝑙

- Se calculan los moles de ácido acético adsorbidos en el proceso como a continuación:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐴𝐴𝑐 ,1 − 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐴𝐴𝑐 ,2𝑇 = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑑𝑠

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑑𝑠 = 0,0040325 𝑚𝑜𝑙 − 0,003475 𝑚𝑜𝑙 = 0,0005575 𝑚𝑜𝑙

- Se calculan los moles adsorbidos de ácido acético por gramo de carbón “X” de la forma:

𝑋 =𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑑𝑠

𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝐶𝐴

𝑋 =0,0005575 𝑚𝑜𝑙

0,1092 𝑔= 0,0051053 𝑚𝑜𝑙/𝑔

127

- Se calcula el valor “C/X” como se explica:

𝐶

𝑋=

𝑀𝐴𝐴𝑐,2

𝑋=

0,139 𝑚𝑜𝑙

𝐿

0,0051053 𝑚𝑜𝑙

𝑔

= 27,2265

Los cálculos previos fueron repetidos para todas las muestras tratadas.

- Se construye la gráfica de la isoterma de Langmuir “C/X” Vs. “C” y se obtiene la ecuación

siguiente:

𝐶

𝑋=

𝐶

𝑁+

1

𝑁𝐾

y = 178,71x + 1,7499

- Se determina el valor de “N” y de “K”:

𝑁 =1

178,71= 0,0055957

𝐾 =1

𝑁 × (1,7499)=

1

0,0055957 × (1,7499)= 102,1258

Siempre que el valor de “K” sea mayor a 1 se favorece la adsorción.

- Una vez obtenido el valor de N se construye otra grafica para evaluar la formación de la

monocapa. Para esta parte se grafica “X/N” Vs. “C”:

y = 2,0095x + 0,7012

- Se calcula la concentración a la cual se forma la monocapa igualando la recta de tendencia a

Y=1

𝑥 = 𝐶 =1 − 0,7012

2,0095= 0,1486𝑀

- Finalmente, con el valor de N determinado anteriormente se calcula el área específica del

carbón activado, de la forma:

𝐴 = 𝑁 × 𝑁0 × 𝜍 × 10−20

Donde

𝑁𝑜 es el número de Avogadro, 6,02 ∗ 1023 moléculas

𝜍 es el área de adsorción del adsorbato en unidades de 𝐴2, el cual es 21

para el ácido acético

𝐴 = 0,0055957 × 6,02 ∗ 1023 × 21 × 10−20 = 707,4083 𝑚2/𝑔

NOTA: Este procedimiento de cálculo se repitió para cada una de las muestras

problemas, a su vez este corresponde a los datos de la muestra de carbón activado a

base de conchas de coco a temperatura de activación de 650°C

128



temperatura de activación

Gramos de

carbón

activado ±

0,001

C inicial

[mol/L] ±

0,003

C final

[mol/L] ±

0,003

Moles

adsorbidos

± 0,002 (103)

X ± 0,4

(103)

C/X ± 0,001

0,1123 0,161 0,1290 0,807 7,2 17,940

0,2013 0,145 0,1380 0,169 0,8 164,618

0,1998 0,125 0,0850 1,011 5,1 16,794

0,2075 0,086 0,0530 0,846 4,1 12,996

0,2362 0,058 0,0210 0,923 3,9 5,377





Gramos de

carbón

activado ±

0,0001

C inicial

[mol/L] ±

0,003

C final

[mol/L] ±

0,003

Moles

adsorbidos

± 0,002 (103)

X ± 0,4

(103)

C/X ± 0,001

0,0906 0,161 0,140 0,532 5,9 23,819

0,1980 0,145 0,141 0,094 0,5 297,792

0,1801 0,126 0,089 0,911 5,1 17,590

0,1898 0,087 0,055 0,796 4,2 13,110

0,2105 0,058 0,021 0,923 4,4 4,792


129




Gramos de

carbón

activado ±

0,0001

C inicial

± 0,003

[mol/L]

C final

± 0,003

[mol/L]

Moles

adsorbidos

± 0,002 (103)

X ± 0,4

(103)

C/X ± 0,001

0,1375 0,161 0,137 0,608 4,4 31,008

0,2271 0,145 0,132 0,319 1,4 94,046

0,1937 0,126 0,088 0,936 4,8 18,206

0,2215 0,087 0,057 0,746 3,4 16,919

0,2460 0,058 0,022 0,898 3,6 6,030





Gramos de

carbón

activado ±

0,0001

C inicial

± 0,003

[mol/L]

C final ±

0,003

[mol/L]

Moles

adsorbidos

± 0,002 (103)

X ± 0,4

(103)

C/X± 0,001

0,1092 0,161 0,139 0,558 5,1 27,226

0,2037 0,145 0,134 0,269 1,3 101,566

0,2018 0,126 0,078 1,186 5,9 13,269

0,2190 0,087 0,052 0,871 3,9 13,071

0,2310 0,058 0,021 0,923 3,9 5,259


130

Tabla 35. Datos representativos de la isoterma de Langmuir de las

muestras y la concentración a la que se forma la monocapa del carbón

activado

Muestras

C. Naranja

450°C

C. Naranja

650°C

C. coco

450°C

C. coco

650°C

N (103) 8,8637 6,4454 4,8821 5,5957

Coeficiente de

Adsorción 21,8906 51,7563 82,8031 102,1258

Concentración

a la que se

forma la

monocapa

[mol/L]

0,1939 0,1885 0,1635 0,1486


131

Apéndice C


- Agitador de placas (Shaker)

- Espectrofotómetro

- Pipetas volumétricas de 1ml, 5ml, 10ml, 25ml y 50ml

- Balones aforados de vidrio de 10ml, 25ml, 50ml, 100ml, 200ml, 250ml y 1000ml

- Fiolas Erlenmeyer de 125ml y 250ml

- Beakers de 400ml de capacidad

- Embudos de vidrio sin tallo

- Papel de filtro

- Vidrio de reloj

- Gotero

- Balanza


- 7 soluciones de azul de metileno a distintas concentraciones

- Etanol

- Agua destilada

- Carbón activado

PREPARACION DE REACTIVOS

N° PROCEDIMIENTO

1. Solución patrón de azul de metileno

1a

.

Se pesan en la balanza 0,1 gramos de azul de metileno

En un balón aforado se añaden 50ml de etanol y se vierte dentro los gramos

pesados de azul de metileno

Enrazar el balón aforado con etanol y agitar hasta obtener una solución homogénea

Traspasar dicha solución a un balón aforado de 1000ml y se enraza con agua

destilada y agitar

1b

.

Se toman alícuotas de 5 alícuotas de 10ml de la solución patrón y se vierten dentro

de balones aforados de 250ml, 200ml, 100ml, 50ml y 25ml

Tomar una alícuota de 2ml de la solución patrón y se vierte en un balón aforado de

10ml

Enrazar todos los balones aforados con agua destilada y agitar hasta obtener una

solución homogénea

CALCULOS

CURVA DE CALIBRACION DE AZUL DE METILENO EMPLEANDO EL

ESPECTROFOTOMETRO

- Se tabulan los valores obtenidos de absorbancia de cada una de las muestras por triplicado

132

- Se calcula la absorbancia promedio de cada una de las muestras

- Se calcula la concentración de la solución inicial de la forma:

𝑀𝐴𝑀 =𝑔𝐴𝑀

𝑉𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙×

1

𝑃𝑀𝐴𝑀

Donde PMAM es el peso molecular del azul de metileno, gAMson los gramos de azul de

metileno empleado y Vetanolles el volumen de etanol.

𝑀𝐴𝑀 =0,1𝑔

0.1𝐿×

1

319,85 𝑔

𝑚𝑜𝑙

= 0,0031265𝑀

- Se determina la concentración de cada una de las soluciones preparadas a partir de la

concentración patrón:

𝑀𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 × 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 𝑀𝑑𝑖𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎 × 𝑉𝑑𝑖𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜

𝑀𝑑𝑖𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎 =0,0031265

𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,05𝐿

1𝐿= 0,000156323𝑀

NOTA: este procedimiento de cálculo se repitió en cada una de las muestras.

CURVA EN MICROSOFT EXCEL

- Al haber determinado cada una de las concentraciones de las soluciones preparadas se

realiza la curva “Absorbancia” Vs. “Concentración”

y = 23696x - 0,0349

- Se toma el valor de la pendiente y se calcula la absortividad molar de la forma:

𝐴 = 𝑚𝐶𝐴𝑀 + 𝑏

𝐸 =𝑚

4,4

Donde “m” es el valor de la pendiente de la recta graficada y 4,4 es la profundidad de la

cubeta utilizada en el espectrofotómetro en unidades de centímetros.

𝐸 =23696 𝐿/𝑚𝑜𝑙

4,4 𝑐𝑚= 5385,4545

𝐿

𝑚𝑜𝑙 ∗ 𝑐𝑚

CALCULOS RESPECTIVOS PARA LA ADSORCION DE AZUL DE METILENO

- Se tabulan las absorbancias medidas y se saca un promedio de cada una de las muestras.

- Se calcula la concentración final de azul de metileno en cada fiola utilizando la ecuación 31.

𝐶𝐴𝑀2 =0,002667

5385,4545 𝐿

𝑚𝑜𝑙 ∗𝑐𝑚 × 1 𝑐𝑚

=

- Se calculan los moles de azul de metileno adsorbidos en el proceso con la fórmula siguiente:

133

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑑𝑠 /𝐴𝑀 = 0.0001563232𝑚𝑜𝑙

𝐿− 𝐶𝐴𝑀2 × 0.03𝐿

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑑𝑠 /𝐴𝑀 = 0.0001563232 − 4,9522𝑥10−7 𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0.03𝐿 = 4,6748𝑥10−6

- Se calcula el % de remoción del azul de metileno

%𝑅𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛 =𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑑𝑠 /𝐴𝑀

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠× 100 =

4,6748𝑥10−6

0.0001563232 𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,03L

× 100 = 99,683%

NOTA: Este cálculo se realizó para cada una de las muestras, a su vez este ejemplo de

cálculo corresponde a la muestra de carbón activado a base de conchas de coco a 650°C

como temperatura de activación a un tiempo de contacto de 30 minutos.

Figura 34. Soluciones utilizadas para la calibración

del espectrofotómetro.

Fuente: Elabroación propia.

134

Tabla 36. Datos de absorbancia y concentración de soluciones de

azul de metileno utilizada para la curva de calibración de la solución.

Absorbancia Concentración (105) (mol/L)

3,635 15,6323

1,570 6,2528

0,734 3,1264

0,614 3,1264

0,319 1,5632

0,145 0,7816

0,110 0,6253


Figura 35. Curva de calibración de la solución de azul de

metileno.


y = 23695x - 0,034R² = 0,997

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 0,00002 0,00004 0,00006 0,00008 0,0001 0,00012 0,00014 0,00016 0,00018

Ab

sorb

anci

a


Absorbancia vs Concentración de AM

135



activación de 450°C

Tiempo [min] Gramos de carbón

activado ± 0,0001

Absorbancia media

± 0,0001

Concentración final

± 0,0002 [mmol/L]

30 0,5210 0,0337 0,0063

50 0,5228 0,0237 0,0044

60 0,5004 0,0100 0,0019

90 0,5050 0,0017 0,0003






activado ± 0,0001

Absorbancia media

± 0,0001


± 0,0002 [mmol/L]

30 0,5082 0,0230 0,0043

50 0,4932 0,0837 0,0155

60 0,5162 0,0130 0,0024

90 0,4975 0,0037 0,0007






activado ± 0,0001

Absorbancia media

± 0,0001


± 0,0002 [mmol/L]

30 0,5236 0,5883 0,1092

50 0,5125 0,1776 0,0330

60 0,5101 0,1733 0,0322

90 0,4950 0,0020 0,0004


136





activado ± 0,0001

Absorbancia media

± 0,0001


± 0,0002 [mmol/L]

30 0,4982 0,0027 0,0005

50 0,5348 0,0027 0,0005

60 0,5042 0,0040 0,0007

90 0,5471 0,0010 0,0002


137

Apéndice D


- Ampolla y tubo neumométrico (ver figura 32)

- Fiolas Erlenmeyer de 125l y 250ml de capacidad

- Pipetas volumétricas de 1ml y 5ml

- Beakers de 400 ml de capacidad

- Balanza

- Lana de vidrio

- Carbón activado

- Tabletas de ENO Seltzer

- Termómetro

- Soporte de bureta

- Nueces

- Ácido clorhídrico 3M

- Hilo

- Vidrio de reloj

DETERMINACIÓN DE DIOXIDO DE CARBONO DESPRENDIDO POR GRAMO DE ENO

SELTZER

- Se tabulan los valores del desplazamiento de la columna de agua

- Se calculan los moles de dióxido de carbono aplicando la ley de gases ideales, implementado

el valor de “Z”

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑖 =𝑃𝑠𝑖𝑠 × 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑑𝑜

𝑍 × 𝑅 × 𝑇

Donde

“Z” es el factor de comprensibilidad, Z=0,99, lo cual es muy aproximado a uno y se puede

trabajar el dióxido de carbono como un gas ideal a dichas condiciones.

“R” es la constante universal de los gases

“T” es la temperatura del experimento

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑖 =𝑃𝑠𝑖𝑠 × 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑑𝑜

𝑅 × 𝑇=

1 𝑎𝑡𝑚 × 0,015𝐿

0,0820575 𝐿∗𝑎𝑡𝑚

𝑚𝑜𝑙 ∗𝐾 × 298𝐾

= 6,1342𝑥10−4𝑚𝑜𝑙

- Se calculan los moles de dióxido de carbono desprendidos por gramo de ENO Seltzer:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑖/𝐸𝑁𝑂 =𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑖

𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝐸𝑁𝑂 𝑢𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠=

6,1342𝑥10−4𝑚𝑜𝑙

0,1313 𝑔= 4,6712𝑥 10−3𝑚𝑜𝑙/𝑔

NOTA: este procedimiento se realizó con cada una de las muestras de ENO Seltzer

empleadas y se calculó un promedio entre todos los gatos.

138

CALCULO DE MOLES DE DIOXIDO DE CARBONO ADSORBIDO POR EL CARBON

- Se tabulan los valores de volumen desplazado en la columna de agua.

- Se calculan los moles de dióxido de carbono que no fueron adsorbidos de la forma:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑛𝑜 𝑎𝑑𝑠 =𝑃𝑠𝑖𝑠 × 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑑𝑜

𝑅 × 𝑇

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑛𝑜 𝑎𝑑𝑠 =1 𝑎𝑡𝑚 × 0𝐿

0,0820575 𝐿∗𝑎𝑡𝑚

𝑚𝑜𝑙 ∗𝐾 × 298𝐾

= 0 𝑚𝑜𝑙

- Se acondicionan los moles de dióxido de carbono desprendidos de acuerdo a los gramos de

ENO Seltzer empleados:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠, 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2= 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑖/𝐸𝑁𝑂 × 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝐸𝑁𝑂 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑠

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠, 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2= 4,6712𝑥10−3

𝑚𝑜𝑙

𝑔 × 0,172𝑔 = 8,0356𝑥10−4𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜𝑠

- Se calculan los moles de dióxido de carbono adsorbidos por el carbón activado:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑎𝑑𝑠 = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠, 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2− 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑛𝑜 𝑎𝑑𝑠

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑎𝑑𝑠 = 8,0356𝑥10−4𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 − 0𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 = 8,0356𝑥10−4𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜𝑠

- Se calculan los moles adsorbidos por gramo de carbón de la forma:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑎𝑑𝑠 /𝐶𝐴 =8,0356𝑥 10−4𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜𝑠

0,1413𝑔= 5,6880𝑥10−3𝑚𝑜𝑙/𝑔

NOTA: Este método de cálculo se utilizó en cada una de las muestras realizadas, a su vez este

ejemplo de cálculo corresponde a la utilización de 0,1413g de carbón activado y 0,172g de ENO

Seltzer.

139

Tabla 41. Valores para las pruebas pilotos de adsorción de CO2 en

carbón activado por el desprendimiento del mismo en una tableta de ENO

Seltzer

Gramos de

carbón activado ±

0,0001

Gramos de ENO

Seltzer ± 0,0001

Desplazamiento de

agua [L]

Moles

desprendidos de

CO2 ± 0,01[mmol]

0,1413 0,1720 0 0,80

0,1461 0,1698 0 0,79

0,1423 0,1620 0 0,76

0,3637 0,1577 0 0,74

0,2972 0,1368 0 0,64

0,3529 0,1555 0 0,73


140

Apéndice E


- Bureta de vidrio de 50ml

- Fiolas Erlenmeyer de 200ml y 2000ml de capacidad

- Pipeta volumétrica de 50ml

- Termómetro

- Envases de plástico

- Congelador

- pH-metro

- Papel aluminio

- Soporte de bureta




- Agua destilada


N° PROCEDIMIENTO


1a

.






1b

.





CALCULOS

ESTANDARIZACIÓN DE HIDROXIDO DE SODIO



NaOH.


𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,01𝐿

0,0101𝐿= 0,099

𝑚𝑜𝑙

𝐿

NOTA: esta solución de hidróxido de sodio se utilizó para la valoración del ácido carbónico.

141

CUANTIFICACION DEL DIOXIDO DE CARBONO ADSORBIDO POR EL CARBON

ACTIVADO

- Se tabulan los valores de volumen consumido de hidróxido de sodio en la bureta.

- Se calculan los moles de hidróxido de sodio consumidos:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 × 𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑁𝑎𝑂𝐻 = 0,0021𝐿 × 0,09965 𝑚𝑜𝑙

𝐿 = 0,000209265𝑚𝑜𝑙

- Para calcular las fracciones molares de los compuestos inmersos en la solución:

𝑋𝐻2𝐶𝑂3=

𝐻2𝐶𝑂3

𝐻2𝐶𝑂3 + 𝐶𝑂2(𝑎𝑐) + 𝐻𝐶𝑂3− + 𝐶𝑂3

−2

𝑋𝐶𝑂2(𝑎𝑐 )=

𝐶𝑂2(𝑎𝑐)


−2

𝑋𝐻𝐶𝑂3− =

𝐻𝐶𝑂3−


−2

𝑋𝐶𝑂3−2 =

𝐶𝑂3−2


−2

Se debe utiliza la relación entre las constantes de equilibrio y el pH que son datos del

experimento:

𝐾 = 𝐻2𝐶𝑂3

𝐶𝑂2(𝑎𝑐) = 1,07031𝑥10−3

𝐾1 = 𝐻𝐶𝑂3

− 𝐻+

𝐻2𝐶𝑂3 = 3,976596𝑥10−4

𝐾2 = 𝐶𝑂3

−2 𝐻+

𝐻𝐶𝑂3−

= 4,082735𝑥10−11

NOTA: Cada una de estas constantes de equilibrio están estandarizadas siguiendo la

ecuación de Van’tHoffpara una temperatura de 0°C. Por ejemplo, a 19°C la constante de equilibrio

“K” es igual a un valor de 10-2,98

, para trabajar la ecuación se tuvo que corregir dicho valor a las

condiciones reales de la forma:

ln(𝐾0°𝐶

𝐾19°𝐶) =

0,1826 𝐾𝑐𝑎𝑙

𝑚𝑜𝑙

1,9872𝑥10−3 𝐾𝑐𝑎𝑙

𝑚𝑜𝑙 ∗𝐾

1

292𝐾−

1

273𝐾 = 1,07031𝑥10−3

142

- Al final, combinando la ecuación resulta que:

𝑋𝐻2𝐶𝑂3=

10−𝑝𝐻

𝐾1

10−𝑝𝐻

𝐾1

1

𝐾+ 1 + 1 +

𝐾2

10−𝑝𝐻

𝑋𝐶𝑂2(𝑎𝑐) =

10−𝑝𝐻

𝐾1×𝐾

10−𝑝𝐻

𝐾1

1

𝐾+ 1 + 1 +

𝐾2

10−𝑝𝐻

𝑋𝐻𝐶𝑂3− =

110−𝑝𝐻

𝐾1

1

𝐾+ 1 + 1 +

𝐾2

10−𝑝𝐻

𝑋𝐶𝑂3−2 =

𝐾2

10−𝑝𝐻

10−𝑝𝐻

𝐾1

1

𝐾+ 1 + 1 +

𝐾2

10−𝑝𝐻

Si el pH de la solución es de 6,427, resulta que las composiciones molares en la solución

son:

𝑋𝐻2𝐶𝑂3= 0,000500407

𝑋𝐶𝑂2(𝑎𝑐) = 0,467535087

𝑋𝐻𝐶𝑂3− = 0,531906458

𝑋𝐶𝑂3−2 = 0,000058048

- Se analizan las reacciones en equilibrio involucradas

(1) 𝐶𝑂2 𝑎𝑐 + 𝐻2𝑂 ↔ 𝐻2𝐶𝑂3 𝑎𝑐

𝐴 𝐵 −

𝐴 − 𝑥1 𝐵 − 𝑥1 𝑥1

(2) 𝐻2𝐶𝑂3(𝑎𝑐) ↔ 𝐻𝐶𝑂3− + 𝐻+

𝐶 − −

𝐶 − 𝑥2 𝑥2 𝑥2

143

(3) 𝐻𝐶𝑂3− ↔ 𝐶𝑂3

−2 + 𝐻+

𝐷 − 𝑥2

𝐷 − 𝑥3 𝑥3 𝑥2 + 𝑥3

- Se calculan los moles totales en el equilibrio:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐶𝑂2 𝑎𝑐 = 𝐴 − 𝑥1

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐻2𝐶𝑂3= 𝐶 − 𝑥2

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐻𝐶𝑂3− = 𝐷 − 𝑥3

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂3−2 = 𝑥3

Entonces, los moles totales en el equilibrio son:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 ,𝑒𝑞 = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐶𝑂2 𝑎𝑐 + 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐻2𝐶𝑂3

+ 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐻𝐶𝑂3− + 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂3

−2

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 ,𝑒𝑞 = 𝐴 − 𝑥1 + 𝐶 − 𝑥2 + 𝐷 − 𝑥3 + 𝑥3

Se asume que los moles de ácido carbónicos formados en la primera reacción, son los moles de

ácido carbónico iniciales para la segunda reacción, a su vez, los moles de ion bicarbonato en el

equilibrio de la segunda reacción son los mismos moles iniciales para la tercera reacción. Es decir,

“C=X1” y “D=X2”. Por lo tanto:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 ,𝑒𝑞 = 𝐴

Lo cual quiere decir que los moles iniciales en la primera reacción, los moles de dióxido de carbono

acuoso, son iguales a los moles en el equilibrio. Además, como se realiza la valoración con

hidróxido de sodio en el equilibrio quiere decir que realmente se valoraron los moles de dióxido de

carbono acuosos y los moles de ácido carbónico en el equilibro, o lo que es lo mismo:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝐴 × 𝑋𝐻2𝐶𝑂3+ 𝑋𝐶𝑂2(𝑎𝑐 )

𝐴 =0,000209265𝑚𝑜𝑙

0,000500407 + 0,467535087= 0,000447114 𝑚𝑜𝑙

- Se calcula el rendimiento de la valoración de la forma:

%𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑎𝑑𝑠× 100 =

𝐴

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑎𝑑𝑠× 100

144

%𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =0,000447114 𝑚𝑜𝑙

8,0356𝑥 10−4𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜𝑠× 100 = 55,64%

Donde “𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑎𝑑𝑠 ” son los moles adsorbidos por el carbón activado calculado en el apéndice

D

NOTA: este método de cálculo se empleó en cada uno de los experimentos de esta metodología, a

su vez este ejemplo de cálculo pertenece a la utilización de 0,1413g de carbón activado y 0,172g

de ENO Seltzer.

Tabla 42. Valores para las pruebas pilotos de adsorción de CO2

en carbón activado por el desprendimiento del mismo en una tableta de

ENO Seltzer para su valoración con hidróxido de sodio

Gramos de

carbón

activado ±

0,0001

pH ± 0,001

Fracción

molar del

ácido

carbónico ±

0,0001

Fracción

molar de

CO2 ±

0,0002

Fracción

molar de

bicarbonato

± 0,0003

Fracción

molar de

carbonato ±

0,00001

0,1413 6,427 0,0005 0,4675 0,5319 5,8048 x10-5

0,1461 6,541 0,0004 0,4037 0,5957 8,4340 x10-5

0,1423 5,365 0,0009 0,9102 0,0887 8,3012 x10-7

0,3637 4,218 0,0010 0,9920 0,0068 4,5344 x10-9

0,2972 3,545 0,0010 0,9975 0,0013 1,7335 x10-10

0,3529 2,127 0,0010 0,9988 5,3522 x10-5

2,7509x10-13


145

Apéndice F


- Bureta de vidrio de 50ml

- Balón aforado de 2000ml

- Pipetas volumétricas de 1ml, 5ml, 10ml y 50ml

- Beaker de 400 ml

- Cilindro graduado

- Fiolas Erlenmeyer de 250ml, 2000ml y 4000ml de capacidad

- Mangueras de plástico

- Papel de aluminio


- Vidrio de reloj

- Hilo

- Soporte de bureta

- Balanza

- Propipeta


- Solución de hidróxido de potasio 0,1M

- Solución de hidróxido de bario 0,1M




- Indicador azul bromofenol

- Tableta de ENO Seltzer

- Agua destilada


N° PROCEDIMIENTO

1. Acido clorhídrico

1a

.

En un balón aforado de 2000 se agregan 500ml de agua destilada

Se añade al balón aforado 57,2ml de ácido clorhídrico 3,5M

Se enraza con agua destilado el balón aforado y se agita para obtener una solución

homogénea.

1b

.

Se toman dos alícuotas de 10ml de la solución preparada y se añaden a dos fiolas

de 250ml

Se agregan 3 gotas de indicador fenolftaleína

Se valoriza con solución de hidróxido de sodio de concentración conocida hasta que

el indicador vire de color.


2a Se pesan 12,7 g de NaOH al 80% en hojuelas y se traspasan a una fiola

146

. Erlenmeyer de 2000 ml




2b

.





3. Hidróxido de potasio 0,1M

3a

Se pesan 12,815 gramos de KOH 86%m/m y se traspasan a una fiola Erlenmeyer

de 2000ml

Se agregan 2000ml de agua destilada



3b

.

Se toman dos alícuotas de 10ml de ácido clorhídrico de concentración conocida


Se cura una bureta con solución de KOH recién preparada y se enraza hasta 0 ml

Se agrega volumen de KOH en la fiola hasta que el indicador vire de color.

4. Hidróxido de bario 0,05M

4a

Se pesan 34,97 gramos de Ba(OH)2 98% m/m y se traspasan a una fiola

Erlenmeyer de 4000ml

Se agregan 2000ml de agua destilada


Se agitan a máxima velocidad durante 30 minutos a temperatura de 40°C y se tapa

la fiola con papel aluminio

4b

Se toman dos alícuotas de 10ml de ácido clorhídrico de concentración conocida


Se cura una bureta con solución de KOH recién preparada y se enraza hasta 0 ml

Se agrega volumen de KOH en la fiola hasta que el indicador vire de color.

CALCULOS

ESTANDARIZACIÓN DE ACIDO CLORHIDRICO



NaOH.

𝑀𝐻𝐶𝑙 =0,09965

𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,0097𝐿

0,010𝐿= 0,0967

𝑚𝑜𝑙

𝐿

147

ESTANDARIZACIÓN DE HIDROXIDO DE SODIO



NaOH.

𝑀𝑁𝑎𝑂𝐻 =0,0967

𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,01𝐿

0,0105𝐿= 0,09217

𝑚𝑜𝑙

𝐿

ESTANDARIZACIÓN DE HIDROXIDO DE POTASIO


- Mediante la ecuación: 𝑀𝐾𝑂𝐻 × 𝑉𝐾𝑂𝐻 = 𝑀𝐻𝐶𝑙 × 𝑉𝐻𝐶𝑙 se calcula la concentración real del KOH.

𝑀𝐾𝑂𝐻 =0,0967

𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,01𝐿

0,0084𝐿= 0,1151

𝑚𝑜𝑙

𝐿

ESTANDARIZACION DE HIDROXIDO DE BARIO


- Mediante la ecuación: 𝑀𝐵𝑎(𝑂𝐻)2× 𝑉𝐵𝑎(𝑂𝐻)2

= 𝑀𝐻𝐶𝑙 × 𝑉𝐻𝐶𝑙 se calcula la concentración real del

Ba(OH)2

𝑀𝐵𝑎(𝑂𝐻)2=

0,0967 𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,01𝐿

0,0112𝐿 × 2= 0,0430315

𝑚𝑜𝑙

𝐿

CALCULOS

% DE RENDIMIENTO DE REACCION ENTRE CO2 Y SOLUCIONES ALCALINAS

- Se tabulan los valores de volumen consumido de la bureta de HCl para el punto de viraje de

fenolftaleína y de azul de bromofenol

- Se determinan los moles de bicarbonato titulados a partir del volumen consumido de ácido

clorhídrico con el indicador azul de bromofenol:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐻𝐶𝑂3− = 𝑀𝐻𝐶𝑙 ,2 × 𝑉𝐻𝐶𝑙 ,2

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐻𝐶𝑂3− = 0,0967

𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,00091𝐿 = 8,7997𝑥 10−5𝑚𝑜𝑙

- Se calcula la concentración de bicarbonato y en su defecto los moles totales de este en la

solución completa:

𝐶𝐻𝐶𝑂3− =

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐻𝐶𝑂3−

𝑉𝑜𝑙𝑦𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑙𝑖𝑐𝑢𝑜𝑡𝑎=

8,7997𝑥10−5𝑚𝑜𝑙

0,01𝐿= 8,7997𝑥10−3𝑀

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐻𝐶𝑂3−,𝑡 = 8,7997𝑥10−3

𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐻𝐶𝑂3−,𝑡 = 8,7997𝑥10−3

𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 0,1𝐿 = 8,7997𝑥10−4

- Se calculan los moles de dióxido de carbono que reaccionaron con la solución alcalina, se

148

sabe que la relación entre el ion bicarbonato y el CO2 es 1:1, por lo tanto:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐻𝐶𝑂3− = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑓 = 8,7997𝑥10−4𝑚𝑜𝑙

- Se calculan los moles totales de dióxido de carbono en toda la solución.

- Se determinan los moles de dióxido de carbonos desprendidos al hacer reacción el ácido

clorhídrico con la muestra de ENO Seltzer:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠, 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2= 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑖/𝐸𝑁𝑂 × 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝐸𝑁𝑂 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑠

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠, 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2= 4,6712𝑥10−3

𝑚𝑜𝑙

𝑔 × 0,1945𝑔 = 0,0009089 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜𝑠

- Se calcula el rendimiento de reacción de la forma:

%𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑓

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠, 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2

× 100

%𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =8,7997𝑥10−4𝑚𝑜𝑙

0,0009089𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜𝑠× 100 = 96,81%

NOTA: Este método de cálculo se empleó para cada una de las muestras, a su vez este ejemplo

corresponde a la reacción de CO2 con hidróxido de sodio.

149

Apéndice G


- Trampa de gases

- Equipo ilustrado en la figura 16

- Equipo ilustrado en la figura 17

- Malla de carbón (Ver figura 14)

- Pipetas volumétricas de 1ml, 10ml, 25ml y 50ml

- Buretas volumétricas de 50ml

- Fiolas Erlenmeyer de 250ml de capacidad

- Beakers de 400ml

- Embudos de vidrio son tallo


- Soporte de buretas

- Propipeta

- Termómetro

- Congelador

- Balanza

- Vidrio de reloj

- Embudo de plástico


- Solución de hidróxido de potasio 0,1151M

- Solución de hidróxido de bario 0,0430315M




- Indicador azul de bromofenol

- Agua destilada

- Papel de filtro

150

CALCULOS

RENDIMIENTO DEL PROCESO DE VALORACIÓN

- Se determinan los moles de dióxido de carbono emitidos por el automóvil pesando el

precipitado formado a partir de la reacción entre el hidróxido de bario y el compuesto

problema.

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑎𝑢𝑡𝑜 =𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑑𝑜

𝑃𝑀 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑟𝑖𝑜×

1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2

1𝑚𝑜𝑙 𝐵𝑎𝐶𝑂3

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑎𝑢𝑡𝑜 =0,6749𝑔

171,34 𝑔

𝑚𝑜𝑙

×1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2

1𝑚𝑜𝑙 𝐵𝑎𝐶𝑂3= 0,003938952𝑚𝑜𝑙

- Se calculan los moles de dióxido de carbono no adsorbido por el carbón empleando los

cálculos explicados en el apéndice F.

- Se calculan los moles adsorbidos teóricos mediante una resta:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑑𝑠 ,𝑇 = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2𝑎𝑢𝑡𝑜 − 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑓

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑑𝑠 ,𝑇 = 0,003938952𝑚𝑜𝑙 − 0,0001857𝑚𝑜𝑙 = 0,003753288𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜𝑠

Donde ”𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑓” son los moles de dióxido de carbono que reaccionaron con la solución

alcalina dentro de la trampa de gases, es decir, los moles no adsorbidos.

- Se calcula el rendimiento de reacción de la forma:

%𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐶𝑂2 ,𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑑𝑠 ,𝑇× 100

%𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =0,000940868𝑚𝑜𝑙

0,003753288𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜𝑠× 100 = 25,06%

NOTA: estos cálculos se realizaron con cada una de las muestras, a su vez este ejemplo de

cálculo corresponde a la muestra de 4,224 g de carbón activado con NaOH dentro de la

trampa de gases.

151

Tabla 43. Valores para las pruebas de adsorción del CO2 emitido

por el automóvil, empleando NaOH como solución dentro de la trampa de

gases

Gramos de

carbón ± 0,0001

Malla con

carbón [g] ±

0,0001

Malla post

combustión [g] ±

0,0001

Volumen de

NaOH

consumido [L] ±

0,0002

Volumen

trampa [L] ±

0,002

4,2240 5,9107 6,5252 0,0020 0,080

4,1952 5,2769 5,8850 0,0032 0,028

4,0941 5,3651 5,4979 0,0026 0,030

4,9896 6,3105 6,7610 0,0045 0,030

4,4495 5,6127 6,0038 0,0050 0,030

4,2850 5,6184 5,9252 0,0015 0,030


Tabla 44. Valores para las pruebas de adsorción del CO2 emitido

por el automóvil, empleando KOH como solución dentro de la trampa de

gases

Gramos de

carbón ± 0,0001

Malla con

carbón [g] ±

0,0001

Malla post

combustión [g] ±

0,0001

Volumen de

KOH consumido

[L] ± 0,0002

Volumen

trampa [L] ±

0,002

4,2105 5,1781 5,8393 0,0127 0,030

4,3053 5,6301 6,3519 0,0103 0,030

4,2697 5,9128 6,3723 0,0052 0,030

4,2571 5,6250 6,1973 0,0055 0,030

4,0155 5,6042 5,7772 0,0020 0,030

4,3905 5,7560 6,0779 0,0023 0,030


152

Anexos

Figura 36. Experimento de hidróxido de bario con los gases

de combustión.


Figura 37. Experimento con la trampa de gases en

presencia de los gases de combustión.


153

Figura 38. Velocidad angular alcanzada en cada

experimento realizado con el automóvil.


Figura 39. Malla de carbón integrada en el sistema de

adsorción de dióxido de carbono de los gases de combustión.


Carbón activado: Alternativa para la purificación de gases de ...

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