Adsorbimento

FATTORI

Diametro delle particelle: fino ad ora noi ci siamo interessati a quanti pori ci sono, quanta superficie specifica c'è ma queste due grandezze sono strettamente legate al diametro delle particelle. Possiamo, infatti, dire che all'aumentare del diametro delle particelle, la velocità di adsorbimento diminuisce.

Concentrazione del materiale da rimuovere nel liquido: maggiore è la concentrazione del materiale tossico da rimuovere, maggiore sarà la velocità di adsorbimento e quindi più velocemente il carbone attivo andrà a rimuovere questo componente.

Peso molecolare: discorso opposto è legato al peso molecolare, infatti più è piccola la molecola più è facile e veloce l'adsorbimento.

Temperatura: essendo un processo esotermico è favorito dalle basse temperature.

Tempo di contatto: maggiore è il tempo di contatto maggiore sarà l'efficienza del materiale adsorbente.

superficie del materiale adsorbente e la quantità di soluto adsorbito. Questa relazione dipende da diversi fattori, tra cui il pH del sistema. Il pH influisce sulla superficie del materiale adsorbente perché può reagire con le cariche superficiali presenti. Queste cariche possono essere neutralizzate a determinati valori di pH. Pertanto, ogni tipo di carbone attivo avrà un intervallo di pH ottimale per il suo funzionamento. Al di fuori di questo intervallo, la reazione di adsorbimento non avviene. Oltre al pH, il tempo di contatto tra il materiale adsorbente e il solvente è un parametro fondamentale. Più lungo è il tempo di contatto, maggiore sarà la velocità di adsorbimento. In sintesi, il pH e il tempo di contatto sono i principali fattori che influenzano l'adsorbimento. Il pH è particolarmente importante perché se non si trova nell'intervallo corretto, la reazione di adsorbimento non avviene.la condizione di equilibrio, durante il quale la concentrazione di soluto diminuirà gradualmente fino a raggiungere uno stato di stallo. Questo stato di stallo indica che la quantità di soluto adsorbita è uguale alla quantità di soluto desorbita. Durante il processo di adsorbimento, le particelle di materiale adsorbente possono aderire ai siti attivi in modo casuale, mentre altre particelle possono lasciare i siti attivi nello stesso modo casuale. Quando la velocità di adsorbimento è uguale alla velocità di desorbimento, si raggiungono le condizioni di equilibrio. È importante sottolineare che il raggiungimento delle condizioni di equilibrio dipende dal tempo. Ci vorrà un certo periodo di tempo per raggiungere l'equilibrio, durante il quale la concentrazione di soluto diminuirà gradualmente.

L'equilibrio è, infatti, una delle prime prove preliminari che vengono fatte. È proprio vedere in quanto tempo vengono raggiunte queste condizioni di equilibrio in base al materiale adsorbente che vogliamo usare e in base al liquame scelto.

In seguito a questo esperimento si vanno a plottare i valori su di un grafico. I valori sono legati tra di loro attraverso l'equazione di Freundlich. Questa equazione mi dice che il rapporto tra la massa di soluto e la massa di materiale adsorbente all'equilibrio è proporzionale alla concentrazione in soluzione di sostanza adsorbibile all'equilibrio.

Bisogna stare attenti al fatto che in questo caso stiamo parlando di condizioni di equilibrio, qualora non si parlasse di equilibrio questa equazione non avrebbe senso.

K e n sono due costanti che dipendono dalla temperatura, dalla natura del materiale adsorbente e dalla natura del componente in soluzione. Questa prova deve essere fatta a parità di altri fattori come

ad esempio la temperatura. È chiaro, infatti, che modificando la temperatura, avrò velocità diverse. Questa equazione viene infatti chiamata isoterma di adsorbimento. Se io vado a riarrangiare l'equazione precedentemente analizzata in forma logaritmica e vado a riportarla su un diagramma ottengo le isoterme di adsorbimento. La forma di queste isoterme può essere estremamente variabile. Queste prove sono inoltre fatte con un tempo di agitazione fissato, cioè quello necessario per il raggiungimento dell'equilibrio, che è pari a 48h. Nel grafico sono riportate 3 isoterme che variano in base alla tipologia di carbone utilizzato. Le varie prove sono fatte su carboni diversi che però sono entrambi composti di materiale organico. I materiali organici, in questa prova sono misurati tramite il valore di TOC e spesso nell'adsorbimento non si vanno a vedere i singoli composti ma spesso si vanno a descrivere macrocategorie come ad esempio

Il numero di IDROCARBURI TOTALI oppure più comunemente il TOC. Le prove di adsorbimento vengono fatte non guardando i singoli composti (questo avrebbe senso solo se dovessi andare a togliere solo una tipologia di composto) ma la "c", che rappresenta la concentrazione da rimuovere, viene misurata come TOC (cioè carbonio organico totale). Una volta plottati i valori su un grafico ottengo anche i valori di k e di n che sono utilissimi per andare a confrontare materiali adsorbenti diversi.

La prima cosa da fare è però andare a valutare il tempo di equilibrio e questo è molto importante perché chiaramente, in base alla tipologia di materiale adsorbente scelto, il tempo di equilibrio cambierà. Io, da un punto di vista industriale, dovrò andare a selezionare quei materiali adsorbenti che mi permetteranno di raggiungere condizioni di equilibrio in tempi brevi. Da punto di vista industriale io non posso tollerare tempi di raggiungimento

di equilibrio superiori ad 1h. Diciamo che a me interessa per lo più valutare in un'ora quanto materiale è stato adsorbito. Il processo reale verrà comunque fatto in continuo cioè in colonne. K e n sono usate per valutare materiali adsorbenti diversi oppure, a parità di materiale adsorbente, sono usati per vedere quello specifico materiale adsorbente quale composto predilige. Nella scelta del materiale adsorbente, infatti, influisce anche la sua affinità con il materiale da adsorbire. C'è la necessità infatti, qualora io voglia andare a rimuovere uno solo componente presente nell'acqua di scarico, di usare un materiale adsorbente che già a pH neutro abbia una buona efficienza. In tabella sono riportati i valori di K e n per un carbone attivo in base ai diversi componenti da eliminare. I valori di K e n riportati in tabella sono calcolati a pH neutro perché qualora ci fosse una variazione del pH dovrei poiandare a ristabilire il valore ottimale per lo scarico diretto. Ci conviene scegliere il materiale mantenendoci a pH neutro. Il valore di K sta ad indicare che, per ogni grammo di sostanza adsorbente, vado ad eliminare x mg di componente. Ad esempio prendendo un valore di k pari a 300 questo significa che con un grammo di carbone attivo riesco a togliere 300mg di esaclorobutadiene. Dal grafico questo rappresenta l'intercetta. Il rapporto 1/n rappresenta la pendenza della isoterma. Questo mi riesce anche a dire la velocità di reazione. Alternativa alla isoterma di Freundlich è quella di Languimuir che mette in relazione sempre il rapporto X/M con la concentrazione in condizioni di equilibrio. La forma è leggermente diversa ma concettualmente sono abbastanza simili. In questo caso, al posto delle costanti K e n, vengono usate delle costanti di adsorbimento che sono a, b e c che sono delle costanti semplificate per esprimere sempre le stesse costanti. Queste due isoterme midicono in modo approssimato il funzionamento di quel carbone attivo. Vengono spesso usate, per lo più, per valutare la capacità di adsorbimento, cioè in generale il funzionamento del carbone attivo. La capacità in realtà consiste nell'andare a valutare come un determinato materiale adsorbente riesce a rimuovere uno specifico costituente espresso secondo parametri ben precisi.

SPECIFICO COSTITUENTE: Cioè la concentrazione di un singolo composto.

Nel trattamento delle acque di scarico è però abbastanza difficile perché, a meno che io non sia sicura di dover andare ad eliminare dall'acqua di scarico un composto ben preciso, in uscita da un trattamento secondario non ho uno spettro di concentrazioni. Io non faccio le analisi del singolo componente perché i prodotti di una trasformazione biochimica potrebbero comprendere anche qualche intermedio che potrei valutare solo grazie a determinate e specifiche analisi.

Posso

andare a considerare l’adsorbimento per uno specifico componente solo se so che, magari, nell’acqua di scarico entrante c’erano un tot di componenti e tra questi uno non poteva essere intercettato da nessun trattamento precedente. A questo punto, sapendo che è rimasto solo quello, vado a fare un adsorbimento specifico.

Nella stragrande maggioranza dei casi, però, io vado a lavorare considerando le concentrazioni come grandezze aspecifiche cioè come TOC. Il TOC è un po’ limitato perché mi dice solo le sostanze organiche (cioè quelle che bruciando producono carbonio). Un’analisi più corretta sarebbe quella di andare a considerare il tutto come COD in quanto vado ad includere, in questa misura, tutte le sostanze organiche e inorganiche ossidabili. In alcuni casi si può fare riferimento anche al colore, l’adsorbimento è infatti molto usato per le acque derivanti dall’industria tessile nelle

quali ci sono dei coloranti e questi sono di fatto non biodegradabili. In questo caso quindi si lavora basandosi sui colori. I coloranti, non essendo biodegradabili, devo necessariamente predisporre un'unità di adsorbimento ma questa è giustificato anche dal fatto che, anche in piccole concentrazioni dannocolore all'acqua impendendone lo scarico diretto. In questo caso quantificare la concentrazione è abbastanza semplice in quanto basta considerare il colore dell'acqua. Questo è importante anche se limitato a relativi scarichi. Tra le grandezze ASPECIFICHE utilizzate ci sono grandezze anche particolari perché magari retaggiodi analisi chimiche storicamente utilizzate. Un esempio è l'INDICE DI IODIO che è correlato alla capacità di rimozione di composti a basso peso molecolare oppure l'INDICE DI MELASSA che è invece correlato alla capacità di rimozione di composti ad alto peso molecolare. Questi

• ultimi due indicisono usati ancora nell'industria alimentare.
• COME AVVIENE L'ADSORBIMENTO: Le prove preliminari sono fatte in discontinuo, queste sono voltealla terminazione del tempo per raggiungere