Adsorbimento: isoterme di Langmuir e BET, filtri e catalizzatori

I filtri a carbone attivo che purificano l’acqua e l’aria, i gel di silice che tengono asciutte le confezioni, i catalizzatori che reggono l’industria chimica, le marmitte catalitiche: tutti sfruttano lo stesso fenomeno, l’adsorbimento, cioè l’accumulo di molecole sulla superficie di un solido. Non va confuso con l’assorbimento (penetrazione nel volume): l’adsorbimento è un fenomeno di pura superficie, e per questo è governato dalla chimica delle interfacce.

Vediamo la differenza tra adsorbimento fisico e chimico, come si descrive con le isoterme e perché è alla base di filtri e catalizzatori.

Adsorbimento, non assorbimento

L’adsorbimento è l’adesione di molecole (di un gas o di un soluto) sulla superficie di un solido o di un liquido. Il materiale che trattiene si chiama adsorbente, la sostanza trattenuta adsorbato. È fondamentale distinguerlo dall’assorbimento, in cui invece la sostanza penetra nel volume del materiale (come l’acqua in una spugna). L’adsorbimento riguarda solo la superficie: ecco perché gli adsorbenti efficaci, come il carbone attivo, hanno aree superficiali enormi (centinaia o migliaia di metri quadri per grammo).

Fisisorbimento e chemisorbimento

Esistono due tipi di adsorbimento, diversi per intensità e natura del legame. Il fisisorbimento (adsorbimento fisico) è dovuto a forze deboli di van der Waals: è poco energetico, reversibile, e può formare più strati di molecole. Il chemisorbimento (adsorbimento chimico) comporta invece la formazione di veri legami chimici tra adsorbato e superficie: è molto più forte, spesso irreversibile, e si limita a un singolo strato (monostrato), perché solo le molecole a diretto contatto con la superficie possono legarsi.

Le isoterme di adsorbimento

Quanta sostanza si adsorbe dipende dalla pressione (per i gas) o dalla concentrazione (in soluzione), a temperatura costante. La relazione tra quantità adsorbita e pressione/concentrazione si chiama isoterma di adsorbimento, e la sua forma rivela il meccanismo.

Il modello di Langmuir descrive l’adsorbimento in monostrato: man mano che la superficie si copre, i siti liberi diminuiscono finché la superficie si satura e la curva raggiunge un plateau. La sua equazione è:

θ = K p1 + K p

dove θ è la frazione di superficie coperta, p la pressione e K una costante. Il modello di BET (Brunauer-Emmett-Teller) estende l’idea al multistrato, ed è oggi lo standard per misurare l’area superficiale dei materiali porosi: dalla quantità di gas adsorbita si risale alla superficie totale dell’adsorbente, un dato cruciale per catalizzatori, carboni attivi e polveri.

Gli adsorbenti industriali

Gli adsorbenti più usati condividono un’enorme area superficiale interna, ottenuta grazie a una porosità spinta. Il carbone attivo è il re della purificazione (acqua potabile, aria, depurazione, recupero di solventi); il gel di silice e l’allumina sono ottimi essiccanti; le zeoliti (alluminosilicati con pori di dimensioni precise) agiscono da “setacci molecolari”, separando le molecole per dimensione, e sono fondamentali nella raffinazione e nella catalisi. La scelta dipende dall’adsorbato da catturare e dalla possibilità di rigenerare il materiale. Va ricordato che l’adsorbimento dipende fortemente dalla temperatura: essendo un processo esotermico, è favorito a basse temperature, e scaldando l’adsorbente le molecole si liberano. È proprio questo il principio con cui i filtri si rigenerano: un ciclo di riscaldamento (o di abbassamento della pressione) «spoglia» la superficie e restituisce all’adsorbente la sua capacità, permettendone il riutilizzo per molti cicli.

Perché conta nella pratica

L’adsorbimento è alla base di processi industriali enormi. La purificazione di acque e gas (rimozione di inquinanti, odori, cloro, composti organici) si fa per adsorbimento su carbone attivo. L’essiccamento di aria e gas usa gel di silice e setacci molecolari. La separazione di miscele gassose e liquide sfrutta adsorbenti selettivi. E la catalisi eterogenea — il cuore dell’industria chimica — comincia sempre con l’adsorbimento dei reagenti sulla superficie del catalizzatore. Per il tecnico, conoscere il tipo di adsorbimento, saper leggere un’isoterma e capire quando un adsorbente è saturo (e va rigenerato o sostituito) è competenza pratica quotidiana nella gestione di filtri, essiccatori e impianti di purificazione.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra adsorbimento e assorbimento?

L’adsorbimento è l’accumulo di molecole sulla superficie di un materiale; l’assorbimento è la penetrazione della sostanza nel suo volume (come l’acqua in una spugna). L’adsorbimento è un fenomeno di pura superficie, per questo gli adsorbenti efficaci hanno aree superficiali enormi, come il carbone attivo.

Che differenza c’è tra fisisorbimento e chemisorbimento?

Il fisisorbimento è dovuto a forze deboli di van der Waals: è reversibile e può formare più strati. Il chemisorbimento comporta veri legami chimici con la superficie: è molto più forte, spesso irreversibile, e si limita a un monostrato. Il primo è ideale per separare, il secondo è il primo passo della catalisi.

Che cos’è un’isoterma di adsorbimento?

È la curva che lega la quantità adsorbita alla pressione (per i gas) o alla concentrazione (in soluzione), a temperatura costante. La sua forma rivela il meccanismo: l’isoterma di Langmuir descrive un monostrato che satura (plateau), quella BET descrive l’adsorbimento a più strati ed è usata per misurare l’area superficiale.

Come funziona un filtro a carbone attivo?

Per adsorbimento: il carbone attivo ha un’area superficiale enorme (centinaia o migliaia di m²/g) grazie alla sua porosità, e trattiene sulla sua superficie le molecole di inquinanti, odori e contaminanti presenti nell’acqua o nell’aria. Quando la superficie si satura, il filtro va rigenerato o sostituito.

Cosa sono le zeoliti?

Sono alluminosilicati con una struttura porosa regolare e pori di dimensioni molto precise. Agiscono da «setacci molecolari», separando le molecole in base alla dimensione: lasciano entrare e adsorbono solo quelle abbastanza piccole. Sono fondamentali nell’essiccamento, nella separazione di gas e nella catalisi, per esempio nella raffinazione del petrolio.