Adsorción sobre grafito

Introducción.

En los últimos tiempos, se han publicado muchos trabajos con resultados experimentales y teóricos sobre las propiedades de los gases adsorbidos sobre carbones grafitizados. Estos adsorbentes son carbones de un área superficial relativamente alta (10-80 m2/g) que fueron grafitizados por tratamientos con calor bajo condiciones que producen una superficie uniforme. Además el grafito es una sustancia muy accesible desde el punto de vista teórico ya que sus propiedades, tales como estructura cristalina, expansividad térmica, energía de enlace, etc., son bien conocidas.

Por otro lado es una sustancia simple, tanto químicamente como estructuralmente y es por esta razón que el estudio de la adsorción de gases sobre grafito es tan importante: posee una superficie casi plana, haciendo que los potenciales de interacción sean relativamente sencillos. De esta forma podemos enfocarnos en el estudio del sistema gas-sólido sin tener que sortear dificultades tales como la complejidad estructural.

Por esta razón el grafito es el sustrato elegido para poder comparar los resultados obtenidos experimentalmente y los datos obtenidos mediante cálculos teóricos.

Utilizamos una superficie de grafito como el primer paso en el estudio de la adsorción de metano en varios materiales carbonosos. A pesar de ser la superficie más simple y limpia, en el mecanismo de adsorción hay una gran cantidad de ambigüedades sobre algunos aspectos como la reacción de la pirólisis1. Además, la superficie de grafito también se puede utilizar para imitar algunas superficies de carbono1 a determinada escala.

Dos descripciones recientes2,3 sobre la adsorción de metano en la superficie de grafito abordan el problema desde dos puntos de vista diferentes: modelos mecano cuánticos semiempírico (SQM) para estudiar la interacción de metano de grafito2 y simulaciones Monte Carlo empleando el conjunto Gran Canónico (GCMC)3.

En este trabajo buscamos, en primer lugar, una descripción unificada del mecanismo de adsorción que no se base sólo en los dos puntos de vista mencionados, sino también que esté en buen acuerdo con datos experimentales nuestros y de otros investigadores4,5.

En el campo de los desarrollos científicos y tecnológicos, crece cada vez más el interés en la búsqueda y obtención de nuevos sistemas de almacenamiento y transporte de combustibles alternativos a los combustibles líquidos tradicionales6. Debido a sus ventajas desde el punto de vista medioambiental y su abundancia natural, el gas natural se está convirtiendo en una de estas alternativas. El gas natural se compone de metano, con una menor cantidad de etano, propano y butano, contiene pocos o ningún contaminantes y quema de forma limpia y eficiente. El bajo calor de combustión por unidad de volumen de gas natural, en comparación con el de los combustibles convencionales, requiere su compresión a altas presiones con el fin de utilizarlo, por ejemplo, en vehículos alimentados con gas, con los inconvenientes asociados con el peso y el volumen del recipiente de contención, los riesgos de seguridad, y los costos de los varios ciclos de compresión7. Por otra parte, la adsorción de gas natural a presiones relativamente bajas en los nuevos materiales carbonosos6,8 desarrollados a partir de carbones activados, fulerenos, nanotubos, etc.; abre la posibilidad de nuevas aplicaciones. Teniendo en cuenta que la superficie de grafito puede ser utilizado para imitar muchas superficies carbonosas9 a escala determinada, hay un renovado interés por los estudios experimentales y teóricos de la adsorción de metano en materiales carbonosos. Desde el punto de vista teórico, existen dos principales técnicas utilizadas en los estudios de adsorción: simulaciones Monte Carlo (MCS) con el conjunto gran canónico10 y cálculos a partir de la aproximación del campo medio (ACM) utilizando un modelo de gas reticular11. Ambos métodos se aplicaron de forma independiente para describir las isotermas de adsorción de gases nobles en grafito y se han comparado con los resultados experimentales a diferentes temperaturas. Sin embargo, en los estudios de muchas superficies, es interesante comparar ambos resultados12,13 porque el MCS ofrece la posibilidad de estudiar el fenómeno a escala molecular (microscópico), pero está limitado por la capacidad del equipo, y la ACM da una descripción global (mesoscópica) de ambos (la superficie y el gas), pero ignora lo que sucede a nivel molecular. Sin embargo, dentro de cada rango, ambos modelos proporcionan información complementaria de los mismos fenómenos.

El estudio de la adsorción de hidrocarburos livianos es un tema tecnológicamente relevante por diversas razones, entre las que se pueden destacar la necesidad de aumentar la capacidad de almacenamiento de los mismos y la posibilidad de aplicar esta técnica al tratamiento de efluentes gaseosos.

En este contexto el conocimiento de las interacciones adsorbato – adsorbente, que desempeñan un papel importante en el proceso de adsorción, y su relación con las estructuras moleculares del adsorbato, por un lado, y superficiales del adsorbente

por el otro, resulta ser una elemento importante a la hora de diseñar unidades destinadas a la adsorción de estos gases.

El etano es un fluido similar al metano aunque, en cierto modo, más complejo, sus moléculas no tienen simetrías esféricas y con su rango de temperatura, en estado líquido, es más amplio.

En este trabajo discutimos las isotermas de adsorción de etano y etileno a temperaturas entre 123 K y 173 K. Estos gases, a pesar de que no difieren mucho en sus pesos moleculares, presentan diferencias tanto en la geometría como en la distribución electrónica de sus moléculas, que se manifiestan sobre un mismo adsorbente, como es por ejemplo un negro de humo grafitizado. El análisis de tales isotermas permite obtener información importante, tal como la naturaleza de la fase adsorbida, las energías involucradas en el proceso y la evolución de éstas energías tanto con el grado de cubrimiento superficial como con la temperatura.

Esta información permite, además, haciendo uso de simulaciones numéricas, estimar las fuerzas de interacción y el ordenamiento molecular en la fase adsorbida.