Índice
Introducción y significado de las isotermas de adsorción
Principio del análisis gravimétrico de sorción
El método gravimétrico para determinar las isotermas de adsorción se caracteriza por su precisión, sensibilidad y amplio rango de medición. El método se basa en la medición exacta del cambio de masa de una zeolita mientras se pone en contacto con un adsorbente. Este método permite registrar directamente los datos cinéticos y de equilibrio de la adsorción.
La zeolita se activa antes de la medición, es decir, se seca térmicamente, para eliminar el agua adsorbida o las sustancias residuales y poner a disposición sitios de sorción «frescos» (3). Esto es esencial, ya que es la única forma de garantizar un punto de partida reproducible para la determinación de la isoterma. A continuación, la muestra se coloca en la configuración de medición en una microbalanza de alta sensibilidad.
El núcleo del análisis gravimétrico de sorción es la medición continua del cambio de masa de la muestra durante la exposición a presiones parciales definidas del adsorbente. La muestra se coloca en una microbalanza de alta precisión en una cámara de medición. Tras fijar una temperatura específica, se aumenta o disminuye gradualmente la presión parcial del adsorbente (4).
El cambio en la masa de la muestra -causado por los procesos de adsorción o desorción- se registra en tiempo real. Una vez alcanzado el equilibrio en cada nivel de presión, se determina la carga. La combinación de una balanza de precisión con una resolución típica de microgramos y un ajuste controlado de la atmósfera garantiza isotermas muy precisas incluso con cargas bajas o presiones bajas. Para la variación de la temperatura, la muestra se mantiene en un horno o termostato, de modo que puedan realizarse mediciones isotérmicas a diferentes temperaturas.
Procedimiento de medición y análisis de datos
Preparación de la temperatura:
- Ajuste y estabilización de la temperatura de medición deseada.
- La temperatura y la humedad son críticas para las zeolitas: incluso pequeñas fluctuaciones pueden influir en los resultados de las mediciones.
Medición de la atmósfera:
- Aumento gradual de la presión parcial o de la concentración del adsorbente en la célula de medición.
- Cada paso se mantiene hasta que se alcanza el equilibrio (masa de muestra constante).
Medición de la masa:
- Registro continuo del cambio de masa con una microbalanza.
- El aumento de masa corresponde a la adsorción – la cantidad adsorbida se registra por paso.
Evaluación de la adsorción:
- Se crea una isoterma de adsorción a partir de los valores individuales (carga frente a presión a temperatura constante).
- Modelos típicos de evaluación: ecuación de Freundlich, Langmuir y Dubinin-Astakhov.
- Especialmente adecuado para las zeolitas: Ecuación de Dubinin-Astakhov (capta las propiedades de los microporos y la heterogeneidad energética).
Análisis de los datos:
- Evaluación de los datos brutos basada en modelos.
- Determinación de los parámetros característicos:
- Capacidad máxima de sorción
- Parámetros de heterogeneidad
- Afinidad del adsorbente con el adsorbedor
Factores que influyen en la precisión:
- Estabilidad de las balanzas
- Homogeneidad de la muestra
- Control preciso de la temperatura y la presión
Influencia de la temperatura en la adsorción
La temperatura influye decisivamente en la medición y el curso de las isotermas de adsorción en las zeolitas. A medida que aumenta la temperatura, la carga de equilibrio de la zeolita suele disminuir a una presión parcial constante. Esto se debe a que la adsorción es un proceso exotérmico: las temperaturas más altas favorecen la desorción, ya que se dispone de más energía térmica para vencer las fuerzas de adsorción (5).
La carga máxima de una zeolita está influida directa y significativamente por la temperatura: a medida que aumenta la temperatura, disminuye en general la cantidad máxima de adsorbente que puede absorber la zeolita. A temperaturas más bajas, se liga más adsorbente, mientras que a temperaturas más altas la adsorción se hace más difícil y aumenta la desorción. Los experimentos demuestran, por ejemplo, que la carga de nitrógeno de la zeolita 13X es aproximadamente un 30 % mayor a 0 °C que a 30 °C (5).
A bajas temperaturas, las isotermas suelen mostrar una curva más pronunciada y una mayor carga de saturación; a temperaturas más altas, suelen ser más planas y alcanzar valores máximos más bajos. A temperaturas suficientemente altas, las isotermas pueden llegar a ser casi lineales y la característica típica de saturación se debilita.
Comparando las isotermas del mismo material y adsorbente a distintas temperaturas, pueden calcularse las entalpías isostéricas de adsorción, cifras clave relevantes para el diseño técnico y termodinámico. Las mediciones deben realizarse siempre a una temperatura controlada y documentada con precisión, ya que incluso las fluctuaciones moderadas de temperatura pueden provocar desviaciones considerables en las capacidades de adsorción determinadas.
Aplicación práctica y casos prácticos
Una aplicación típica es la investigación de la absorción de vapor de agua de una zeolita a 25°C y presiones parciales crecientes. Las isotermas muestran un aumento pronunciado de la carga a presiones parciales relativamente bajas, lo que se debe a la gran afinidad de las zeolitas por las moléculas polares. La regenerabilidad se comprueba volviendo a secar la muestra al vacío o a temperatura elevada, un aspecto clave para las aplicaciones de almacenamiento cíclico de calor (3). Para el CO2, puede utilizarse análogamente el método gravimétrico, por el que las zeolitas permiten altas cargas incluso a presiones moderadas.
Los parámetros típicos de evaluación incluyen la carga máxima y la accesibilidad en el intervalo de presión de trabajo, la afinidad y los parámetros de interacción, como la entalpía de sorción, así como la selectividad frente a otros gases o componentes. Se requieren series adicionales de mediciones para determinar la cinética.
La literatura científica confirma el papel central del análisis gravimétrico en la caracterización moderna de los materiales de adsorción. La determinación gravimétrica de las isotermas de adsorción es una columna vertebral metodológica para el desarrollo y la evaluación específicos de las zeolitas en el campo del almacenamiento de energía. La innovación en ingeniería de procesos, unida a sistemas de medición de alta calidad, ofrece a los equipos de laboratorio, investigación y desarrollo la máxima calidad de datos y fiabilidad de aplicación, algo crucial para el progreso en la gestión sostenible del calor y el almacenamiento de energía térmica.
Conclusión
El análisis gravimétrico de sorción se ha consolidado como un método indispensable para la caracterización de las zeolitas en el almacenamiento térmico. Su gran precisión y reproducibilidad permiten determinar isotermas de adsorción precisas, que sirven de base para la selección de materiales y la optimización del proceso. En particular, el control preciso de la temperatura está demostrando ser un factor crítico, ya que incluso las pequeñas fluctuaciones de temperatura tienen una influencia considerable en la capacidad de almacenamiento.
El método no sólo proporciona datos cuantitativos sobre la capacidad de sorción, sino también valiosos conocimientos sobre las propiedades termodinámicas de los materiales. Esto lo convierte en una herramienta esencial para el desarrollo de sistemas eficientes de almacenamiento de energía y contribuye significativamente al progreso de la tecnología energética sostenible. Los modernos sistemas de medición permiten realizar mediciones automatizadas y normalizadas que garantizan la máxima calidad y comparabilidad de los resultados.
Lista de fuentes
(1) https://mediatum.ub.tum.de/doc/820976/820976.pdf – Estudios de ciencia de los materiales sobre adsorbentes zeolíticos para el almacenamiento de calor
(2) https://webdoc.sub.gwdg.de/ebook/diss/2003/tu-berlin/diss/2002/hauer_andreas.pdf – Evaluación de adsorbentes sólidos en sistemas de sorción abiertos para el almacenamiento de calor (Hauer, Diss. 2002)
(3) https://www.eso.org/sci/facilities/develop/detectors/optdet/docs/diploma_hose.pdf – Análisis de carbón activado y zeolitas – isotermas de adsorción gravimétricas (Hose, 2000)
(4) https://opendata.uni-halle.de/bitstream/1981185920/34866/1/ArifianYosefBenediktAwan_Untersuchung_zurSorption_von_Kohlendioxid_in_neuartigen_por%C3%B6sen_Materialien.pdf – Tesis de licenciatura: Investigación de la sorción de dióxido de carbono en nuevos materiales porosos – principio de medición gravimétrica
(5) https://duepublico2.uni-due.de/servlets/MCRFileNodeServlet/duepublico_derivate_00074130/Diss_Schmittmann.pdf – Influencia de la temperatura en la dinámica de adsorción de alcanos de cadena corta sobre zeolitas (Schmittmann, Diss. 2021)
