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1. El carbón activado.

El carbón activado o carbón activo es un elemento poroso que atrapa compuestos, en primer lugar, orgánicos, presentes en un gas o en un líquido. Lo hace con tal efectividad, que es el purificante más utilizado por el ser humano.

Por otro lado, los compuestos orgánicos se derivan del metabolismo de los seres vivos, y su estructura básica consiste en cadenas de átomos de carbono e hidrógeno. Entre ellos se encuentran todos los derivados del mundo vegetal y animal, incluyendo el petróleo y los compuestos que se obtienen de él.

A la propiedad que tiene un sólido de adherir a sus paredes una molécula que fluye, se le llama “adsorción”. Al sólido se le llama “adsorbente” y a la molécula, “adsorbato”.

Después de la filtración -que tiene por objeto retener sólidos presentes en un fluido-, no existe un sólo proceso de purificación con más aplicaciones que el carbón activado. El uso del carbón activado es el segundo método de separación más utilizado solo por debajo de filtración mecánica, lo que lo pone por encima de tecnologías más modernas como las membranas.

Sigue leyendo esta guía completa, para saber cómo funciona el carbón activado, sus principales aplicaciones, además si lees hasta el final encontrarás una tabla completa con referencias de artículos específicos a cada característica del carbón activado. Los temas que abordaremos son los siguientes:

1. ¿Qué es el carbón activado?

2. ¿Para qué sirve el carbón activado?

3. ¿Dónde se consigue el carbón activado?

4. ¿Cómo funciona el carbón activado?

5. ¿A partir de qué materias primas puede obtenerse un carbón activado?

6. ¿Cuál es la capacidad de adsorción del carbón activado?

7. ¿Cómo funciona el carbón activado en la decloración?

8. ¿Qué tipo de carbón es el más adecuado para decolorar?

9. ¿Qué tipo de carbón activado es el más adecuado para purificar el agua?

10. ¿Qué tipo de carbón activado es el más adecuado para purificar aire y gases?

2. ¿Para qué sirve el carbón activado?

• Potabilización de agua.

(el carbón retiene plaguicidas, grasas, aceites, detergentes, subproductos de la desinfección, toxinas, compuestos que producen color, compuestos originados por la descomposición de algas y vegetales o por el metabolismo de animales…)

• Desodorización y purificación de aire.

Por ejemplo: en respiradores de cartucho, sistemas de recirculación de aire en espacios públicos, venteos de drenajes y plantas de tratamiento de agua, casetas de aplicación de pinturas, espacios que almacenan o aplican solventes orgánicos.

• Tratamiento de personas con intoxicación aguda.

El carbón activado se considera el “antídoto más universal”, y se aplica en salas de urgencias y hospitales.

• Refinación de azúcar.

El carbón retiene las proteínas que dan color al jugo de caña; el objetivo fundamental de este proceso es evitar que el azúcar fermente y se eche a perder.

• Decoloración de aceites vegetales.

(como el de coco). Glucosa de maíz y otros líquidos destinados a la alimentación.

• Decoloración y desodorización de bebidas alcohólicas.

(como vinos de uva y destilados de cualquier origen)

• Recuperación de oro.

El oro que no se puede separar de los minerales por los procesos de flotación, se disuelve en cianuro de sodio y se adsorbe en carbón activado.

3. ¿Dónde se consigue el carbón activado? ¿Dónde comprar?

Puedes comprarlo en diversos sitios en México. Para adquirir carbón activado en pellet, granular y en polvo para uso cosmético puedes contactar a un experto aquí: info@carbobio.com.ar También manejamos carbón activado para intoxicaciones e indigestión.

4. ¿Cómo funciona el carbón activado y cuáles son sus beneficios?

El carbón activado es un medio de adsorción, su función es adsorber moléculas orgánicas en sus micro poros. Se activa mediante procesos térmicos o químicos para ampliar su capacidad de adsorción (para lograr que se formen los poros).

Por otro lado, el carbón activado es adsorbente no absorbente, como se muestra en la segunda imagen:

El carbón activado tiene la capacidad de adsorber. Entonces, algunas personas ponen carbón en el refrigerador para deshacerse de los malos olores. Lo mismo sucede cuando pones carbón en un balde con agua. Elimina el color, el sabor y el olor. O, en el campo, la gente quema y come tortillas para aliviar problemas digestivos (infecciones leves, indigestión, hinchazón, etc.). El carbón activado implica hacerlo poroso para aumentar su absorbencia. Un gramo de carbón vegetal tiene una superficie de unos 50 metros cuadrados. Con la activación alcanza los 600 u 800 m2, es decir, aumenta de 12 a 16 veces. Átomo de carbono.

Los átomos de carbono que componen el sólido que llamamos “carbono” se mantienen unidos por enlaces covalentes. Cada átomo comparte un electrón con otros cuatro átomos de carbono (recuerda que en un enlace iónico, los átomos electronegativos se roban uno o más electrones entre sí). Los átomos que no están en la superficie distribuyen sus cuatro enlaces en todas las direcciones. Pero los átomos externos, aunque están unidos a otros cuatro átomos, se ven obligados a hacerlo en el espacio más pequeño, y todavía hay desequilibrios de poder dentro de ellos. Este desequilibrio es lo que hace que atrapen una molécula líquida que rodea al carbono. La particularidad del átomo de carbono es que tiene la capacidad de ligarse con otros átomos de carbono a través de ligaduras simples, dobles y triples. Por lo que el número de moléculas que pueden existir con carbono es inmenso, de ahí que el estudio de la química se tenga que separar en química orgánica y química inorgánica. Fuerza de London.

El sólido carbonoso, al estar dispuesto en placas grafíticas en un mismo plano, tiene un desequilibrio eléctrico. Este desequilibrio propicia la formación de una gran cantidad de dipolos en los átomos de carbono. El dipolo instantáneo por asimetría, al entrar en contacto con otra molécula equilibrada, formara un dipolo inducido. El dipolo inducido se ve retenido por el dipolo instantáneo, y si bien el dipolo instantáneo es un fenómeno que dura muy poco tiempo, se vuelve a formar constante y repetidamente en los átomos de carbono, lo que evita que la molécula retenida se escape. La fuerza con la que un átomo de carbono retiene a otra en su superficie se conoce como “fuerza de London”, y es uno de los siete tipos de “fuerzas de van der Waals”. Es un enlace químico físico, lo suficiente como para contener el material adsorbente, pero no lo suficiente como para ser considerado un enlace químico irreversible que forma una nueva estructura molecular. Por lo tanto, la adsorción es reversible y el carbón activado puede reciclarse para su reutilización por medio de procesos de reactivación. Como decíamos, las moléculas absorbidas por el carbono tienden a ser covalentes; Cambia de iónico, porque este último intentará robar o donar electrones al átomo de carbono. Los enlaces entre los átomos de carbono e hidrógeno son covalentes, por lo que el carbono es un buen adsorbente para las moléculas orgánicas. No todas las moléculas orgánicas tienden a ser covalentes. A menudo contienen oxígeno, azufre y otros átomos muy electronegativos, dando una tendencia iónica a la parte de la molécula que los contiene. Por otro lado, no todas las moléculas inorgánicas son iónicas; También hay personas que tienden a ser covalentes. Tal es el caso del cianuro de oro, que hace del carbón activado un ingrediente fundamental en la extracción de este metal precioso.

5. Materias primas de las que se puede obtener carbón activado. ¿Cómo se forma el carbón? Puede activarse cualquier partícula de carbón (en teoría). Sin embargo, si el carbón está muy ordenado (como es el caso del diamante o el grafito), es difícil eliminar algunos átomos de carbono para generar poros. Una manera de clasificar carbones, se basa en el grado de “coquización” u ordenamiento de sus átomos de carbono. Mientras menos ordenados, el carbón es menos duro y puede activarse con mayor facilidad.

Carbón vegetal de cáscara de coco y de madera.

Las materias primas más utilizadas para fabricar carbón activado son: maderas poco duras (como la de pino), carbones minerales (ligníticos, bituminosos y de antracita) y cáscaras o huesos de vegetales (concha de coco, hueso de aceituna o de durazno, cáscara de nuez). Los carbones activados fabricados a partir de maderas poco duras, forman poros de diámetro grande, y son en especial adecuados para decolorar líquidos. Carbones minerales.

Este tipo de carbones se fabrican a partir de carbones minerales, tienden a formar una amplia gama de poros; suelen ser más adecuados para aplicaciones en las que los compuestos que buscan retenerse son de distintos tamaños moleculares. Los que parten de cáscaras o huesos duros, forman poros pequeños, y se aplican en el tratamiento de gases o en la potabilización de aguas que provienen de pozos.

¿Qué forma física tiene un carbón activado?

El carbón puede producirse en forma de polvo, de gránulos o de pelets cilíndricos. El polvo sólo se aplica en la purificación de líquidos; el carbón se dosifica en un tanque con agitación y luego se separa del líquido por medio de un filtro adecuado para retener partículas pequeñas (como es el filtro prensa). En el caso del carbón granular, se produce en diferentes rangos de partícula, que se especifican con base en la granulometría o número de malla. Una malla 4, por ejemplo, es la que tiene cuatro orificios en cada pulgada lineal. Se aplican, tanto en la purificación de líquidos como de gases. Los pelets se aplican en el tratamiento de gases, ya que su forma cilíndrica produce una menor caída de presión. Para el caso de que se desea un carbón granular o pelet, si la materia prima no es suficiente dura, se puede reaglomerar con un agente ligante que le imparte dureza para evitar que se rompa al paso del fluido.

Activar carbón: ¿Cómo se activa un carbón?

El carbón puede activarse mediante procesos térmicos o químicos. Los procesos térmicos para activar carbón consisten en provocar una oxidación parcial del carbón, para lograr que se formen los poros, pero evitando que se gasifique y se pierda más carbón del necesario. Esto ocurre a temperaturas que están entre los 600 y los 1100 °C, y en una atmósfera controlada (que se logra mediante la inyección de una cantidad adecuada de vapor de agua o de nitrógeno). Los procesos químicos parten de la materia prima antes de carbonizarse. Los reactivos son agentes deshidratantes (como ácido fosfórico) que rompen las uniones que ligan entre sí a las cadenas de celulosa. Después de esta etapa, el material se carboniza a una temperatura baja (de unos 550 °C) y luego se lava para eliminar los restos de reactivo y de otros subproductos. Los hornos en los que se activa un carbón térmicamente o en los que se carboniza un carbón con tratamiento previo con un químico, pueden ser rotatorios o verticales (de etapas).

6. ¿Cuál es la capacidad de adsorción del carbón activado?

La capacidad de un carbón activado para retener una sustancia determinada no sólo está dada por su área superficial, sino por la proporción de poros cuyo tamaño sea el adecuado, es decir, un poco adecuado tiene un diámetro de entre una y cinco veces la molécula de que se va a adsorber. Si se cumple esta condición, la capacidad puede ser de entre el 20% y el 50% de su propio peso.

7. ¿Cómo funciona el carbón activado en la decloración?

La decloración consiste en un mecanismo complicado que puede seguir distintos caminos de reacción en los que el CA puede intervenir como reactivo o como catalizador. El cloro libre puede adicionarse al agua en forma de cloro gas, solución de hipoclorito de sodio, o tabletas -gránulos- de hipoclorito de calcio. En cualquiera de estos casos, el cloro queda disuelto en forma de ácido hipocloroso (HOCl), un ácido débil que tiende a disociarse de forma parcial. La distribución entre ácido hipocloroso y ión hipoclorito depende del pH y de la concentración de estas especies. A ambas formas moleculares se les define como cloro libre. Las dos son fuertes oxidantes que al ser adicionados al agua reaccionan de manera casi inmediata con impurezas orgánicas e inorgánicas, y ejercen un efecto biocida en los microorganismos. El cloro que reacciona y el que interviene en esta etapa de desinfección, deja de ser libre y queda combinado y deja de ser libre. Una vez terminada esta etapa, es necesario eliminar el cloro libre residual, mediante carbón activado granular. Cuando el carbón se expone al cloro libre, se llevan a cabo reacciones en las que el HOCl o el OCl- se reducen a ión cloruro. Dicha reducción es el resultado de distintos caminos de reacción posibles.

En dos de los más comunes, el CAG actúa de acuerdo con las siguientes reacciones:

En donde C* representa al carbón activado. C*O y C*O2 son óxidos superficiales, que poco a poco van ocupando espacios que, al quedar bloqueados, ya no participan en la reacción. Algunos de estos óxidos se liberan hacia la solución como CO y CO2. Esto vuelve a dejar espacios disponibles que por lo tanto aumentan la capacidad del CAG para esta reacción. En cuanto al Cl-, también se acumula en la superficie del carbón durante los primeros momentos de operación. Al seguir llegando HOCl o OCl- a la superficie del carbón, la reacción se hace un poco más lenta, y entonces se empieza a liberar el Cl-. Esta disminución de velocidad se debe al envenenamiento del carbón con los óxidos superficiales. Dicho envenenamiento continúa de manera gradual, mientras disminuye la capacidad, tanto de adsorción como de decloración del CA. En las reacciones anteriores puede intervenir en lugar de HOCl, con la diferencia que no se produce H+. Puede observarse que el CA reacciona y por lo tanto desaparece. Si no hubiera acumulación de óxidos superficiales, la reacción continuaría hasta la desaparición completa del carbón.

8. ¿Qué tipo de carbón es el más adecuado para decolorar? Los colores que se manifiestan en líquidos suelen ser moléculas de tamaño grande. Por lo tanto, se adsorben en poros grandes, lo que hace que los carbones más adecuados para retenerlos sean los de mayor macroporosidad. Los carbones de madera, en especial los de maderas no muy duras (como pino) que se activan químicamente, son los más macroporosos y, por lo tanto, son los más adecuados para decolorar. El problema de estos carbones es que son poco duros y poco resistentes a la abrasión, lo que obliga a aplicarlos en forma de polvo. Cuando se requiere que el carbón decolorante sea granular, la mejor alternativa suele ser un carbón de lignita. Es el carbón mineral de mayor macroporosidad.

9. ¿Qué tipo es el más adecuado para purificar el agua?

Los contaminantes más usuales en aguas de pozo suelen ser de bajo peso molecular y, para estos casos, el carbón más adecuado es uno de alta microporosidad. Los carbones que mejor cumplen con esta condición son, en primer lugar, los de concha de coco y, en segundo lugar, los minerales bituminosos.

¿Por qué varía el pH del agua cuando se instala un carbón virgen?

Cuando un carbón se activa químicamente, es impráctico e innecesario que el fabricante elimine del producto final todo el químico utilizado. Por lo tanto, si el químico fue un ácido, disminuirá el pH de los primeros litros de agua que entran en contacto con el carbón. Ocurrirá lo contrario si el químico utilizado fue un álcali. En el caso de un carbón activado térmicamente (sin la presencia de otros químicos que no sean vapor de agua y gases de combustión), aumenta el pH de los primeros litros de agua que se trata con el mismo. Esto se debe a que todos los vegetales tienen cantidades importantes de sodio, potasio, calcio y otros catiónes que, en el proceso de carbonización, permanecen en el carbón en forma de óxidos. Estos óxidos se convierten en hidróxidos al entrar en contacto con el agua, se disuelven en la misma y aumentan su pH. Cuando no varía el pH de los primeros litros de agua que entran en contacto con un carbón, puede tratarse de un carbón de pH ajustado o de un carbón ultrapuro (libre de solubles).

10. ¿Qué tipo de carbón activado es el más adecuado para purificar aire y gases?

Todos los contaminantes en estado gaseoso tienen diámetros moleculares menores a 2 nm. Esto significa que se adsorben de mejor manera en microporos. Los carbones de concha de coco son los de mayor microporosidad y, por lo tanto, son los más usados en la purificación de aire y gases. Existen los carbones activados de estructura modificada, carbón activado especial, que se utilizan cuando un carbón activado estándar no puede retener otros compuestos no orgánicos.

En CarboBio somos distribuidores y especialistas de carbón activado. Puede consultar los diferentes tipos que manejamos aquí.

Más artículos: Regresar arriba En tiempos recientes se volvieron famosos diferentes productos que hacen uso del carbón activado para distintos tipos de objetivos, en algunos casos el carbón activado es usado para supuestamente adelgazar e incluso para cuidados faciales que probablemente puedan ser atendidos con soluciones más adecuadas. En este artículo vamos a revisar lo que las pastillas de carbón activado pueden hacer para nuestra salud. Uno de los productos que se volvieron más famosos gracias a las redes sociales fueron las pastillas de carbón activado que han sido alabadas por mucha gente gracias a la variedad de funciones que esta poseen, muchos jóvenes mencionan que ellos las toman para librar la famosa cruda o resaca, otros argumentan que su uso les ha servido para bajar de peso, pero realmente funcionan estas revolucionarias pastillas de carbón activado.

El número de yodo como variable para evaluar la capacidad operativa de los carbones activados granulares (o peletizadodos).

En la mayoría de sus aplicaciones, el carbón activado se utiliza para adsorber moléculas formadas por una alta proporción de uniones covalentes: tal es el caso de las uniones carbono-carbono o carbono-hidrógeno de los compuestos orgánicos. El carbón activado también se utiliza como reactivo o como catalizador, como ocurre en la decloración de agua, que es una de las aplicaciones más comunes del carbón activado en México. La reacción de decloración (eliminación de cloro libre, para convertirlo en ion cloruro) es:

HOCl(l) + C(s) ➜ CO* + H+(l) + Cl–(l)

en donde HOCl(l) es el ácido hipocloroso, C(s) es el carbón activado, y CO* representa un óxido de carbono que puede quedar ligado a la superficie del carbón activado, o que puede disolverse en la solución, como ácido carbónico.

La reacción anterior no es la única que ocurre cuando se declora agua con carbón activado; existen otras en las que el carbón participa como reactivo o como catalizador.

Digamos que la “capacidad operativa” de un carbón activado es la cantidad de fluido (gas o líquido) que puede tratar para lograr una calidad determinada. Esta calidad se puede medir en términos de DQO, color, aroma, cloro libre o de algún compuesto o familia de compuestos específicos. El “punto de ruptura” ocurre en el momento en el que el efluente del equipo que contiene al carbón activado presenta una calidad inadmisible. En dicho momento, hay que cambiar el carbón, por lo que ha terminado su tiempo de vida útil. El carbón utilizado debe desecharse o reactivarse.

La única manera con la que puede valorarse con precisión la capacidad operativa de un carbón activado granular, es en campo.

Productores y usuarios de carbones activados granulares han buscado variables fisicoquímicas sencillas de medir y que reflejen la capacidad operativa del carbón. Entre dichas variables, se encuentran la capacidad de adsorción de yodo, fenol, azul de metileno, melazas, tetracloruro de carbono, butano y otras.

La variable que ha resultado más aceptada comercialmente es el número de yodo (índice de yodo), que corresponde a los miligramos de yodo que adsorbe un gramo de carbón (en base seca), cuando la concentración residual de yodo en la solución es 0.02N.

¿Por qué los carbones con mayor número de yodo suelen tener precios más elevados?

El número de yodo ha sido tan bien aceptado, que el precio de la mayoría de los carbones activados estándar que se comercializan, depende en gran medida de su valor. Existen dos razones por las que el número de yodo ha sido bien acogido como variable para evaluar carbones: (a) En cierto tipo de carbones que se activan bajo determinadas condiciones, el número de yodo ha mostrado ser relativamente proporcional al área superficial del carbón (área que se determina por adsorción de nitrógeno); y (b) El material y los reactivos para medir el número de yodo son baratos, y el tiempo requerido para llevar a cabo el análisis es relativamente corto.

Desafortunadamente, la realidad es que el número de yodo está muy lejos de reflejar, tanto el área superficial de un carbón activado, como su capacidad operativa. Tan es así, que en el área de las ciencias, no se utiliza el número de yodo como variable de valoración de carbones.

¿El número de yodo determina la capacidad de adsorción del carbón activado?

1 .El número de yodo solo es proporcional al área superficial de pocos carbones activados.

En la determinación del número de yodo, la molécula que se adsorbe en el carbón es el ion triyoduro: I3-1. Ya que es se trata de un anión, los óxidos superficiales que se encuentran en el carbón activado lo repelen. Por lo tanto, mientras más óxidos superficiales contiene un carbón activado, su número de yodo será menor, aunque su área superficial no cambie.

2. Aunque el número de yodo fuese proporcional al área superficial de cualquier carbón activado, la capacidad de adsorción de yodo no es proporcional a la capacidad de adsorción de otras moléculas.

Esto es así por dos razones:

2.1 La capacidad de adsorción de un carbón activado depende de la relación entre el tamaño-forma de la molécula que se desea retener, y la distribución del tamaño de los poros del carbón.

Moléculas de mayor tamaño que el diámetro de un poro, no entran en el mismo. Y moléculas mucho menores que el diámetro de un poro, se adsorben con menor fuerza y, por lo tanto, con menor eficacia.

2.2 La capacidad de adsorción de un carbón activado depende de la estructura química de la molécula que se desea retener y la química superficial del carbón.

Debido a lo anterior, no forzosamente un mayor número de yodo corresponde a una mayor capacidad de adsorción de la molécula (o familia de moléculas) que deseamos adsorber.

3. En la mayoría de las aplicaciones de carbones activados granulares, su capacidad operativa depende no solo de su capacidad de adsorción (que más propiamente hablando, se denomina “capacidad de adsorción en el equilibrio” o “capacidad de adsorción cuando se alcanza el equilibrio”), sino de la cinética (velocidad) con la que trabajan).

La cinética con la que trabaja un carbón activado granular depende de:

3.1 La distribución del tamaño de sus poros, así como del diámetro de poro predominante. A mayor diámetro de poros, la cinética con la que trabaja el carbón activado es mayor.

3.2 La distribución del tamaño de partícula del carbón activado granular. A menor tamaño de partícula, el carbón activado granular presenta mayor cinética.

Una manera de mostrar esto último es a través del siguiente esquema, en el que se alimentan dos columnas de carbón activado granular, con la misma solución, el mismo flujo instantáneo, el mismo tipo y cantidad de carbón activado. La única diferencia entre ambas columnas, es que, en la de la derecha, el tamaño promedio de las partículas de carbón es menor. Si se mide la profundidad de la cama de carbón en la que se lleva a cabo el proceso de adsorción (profundidad que se denomina “zona de transferencia de masa”, ZTM), se encuentra que mientras menor es el tamaño de partícula, menor será la altura de la ZTM. Y ya que la ZTM es menor para el carbón de menor tamaño de partícula, el punto de ruptura se presentará más tarde, y este carbón tendrá una mayor capacidad operativa.

Conclusión:

De todo lo anterior se puede concluir que el número de yodo no es una variable con la que pueda medirse de manera directa la capacidad de un carbón para adsorber una molécula que no sea el ion triyoduro. Y, mucho menos, puede ser una variable con la que pueda predecirse la capacidad operativa de un carbón activado granular.

Lo que sí podría ser de cierta utilidad para predecir la capacidad operativa restante de un carbón activado que se encuentra en uso, es medir el número de yodo cuando ocurra el punto de ruptura, y utilizar este dato para intentar predecir el momento aproximado del punto de ruptura para futuros ciclos de operación, siempre y cuando se utilice el mismo carbón activado granular comercial y siempre y cuando no cambie sustancialmente la composición de la solución que se trata con el carbón activado.

Las bacterias en el carbón activado.

Estudios realizados en lechos empacados con carbón activado en equipos adsorbedores de plantas de tratamiento de agua y en columnas piloto, han mostrado un rápido crecimiento de la población de bacterias. Este veloz desarrollo es el resultado de varios factores: Por un lado, el carbón destruye el cloro libre por reacción química en la que lo convierte en ion cloruro que es inocuo. Dicha reacción es muy rápida, por lo que el cloro libre desaparece en los primeros centímetros de la cama. Esto significa que, en el resto de la cama, y en la tubería de descarga, el agua queda desprotegida del cloro libre que es el agente bactericida.

Por otro, el carbón atrapa materia orgánica a lo largo de toda la cama de carbón. Esto significa que el carbón va concentrando materia que es alimento para los microorganismos.

Por otro, el carbón proporciona una superficie rugosa y agrietada, que es muy adecuada para la fijación y proliferación bacteriana. Por lo tanto, el crecimiento bacteriano es una consecuencia inevitable en la operación de equipos adsorbedores de carbón activado. Tarde o temprano, inciden bacterias en la cama de carbón, que generalmente provienen de la tubería de descarga, entre el adsorbedor de carbón activado y el primer equipo esterilizador (lámpara de UV u ozonizador), en caso de que éste exista.

Es típico, por ejemplo, que las bacterias incidan por las tomas para muestreo de agua.

Existen varios procedimientos de desinfección para el control bacteriano en camas de carbón activado, mismos que deben efectuarse periódicamente. La periodicidad dependerá de la eficacia en la desinfección, de las condiciones de los equipos y de las condiciones bacteriológicas del área en la que se localiza el proceso.

Se puede lograr una desinfección completa, y cada método tiene sus limitaciones y sus efectos indeseables, tanto para el carbón como para el equipo. Por lo tanto, el personal que opera las plantas que utilizan carbón activado, requiere experiencia y destreza.

Para los casos del carbón que se aplica en hogares y en comercios, la sanitización no es práctica. Una mejor solución es la aplicación de carbones bacteriostáticos. Consisten en carbones activados impregnados con plata metálica. La plata evita el desarrollo microbiano y evita la necesidad de desinfectar.

Fuente: Microbial Activity on Filter-Adsorber. AWWA Research Foundation, USA1992.

¿Qué es un carbón activado de estructura modificada?

Existen dos tipos de carbones activados especiales:

A) Carbones ultra-puros para industria farmacéutica y semiconductores.

Estos carbones son:

Carbones libres de solubles (lavados en ácido)

• Carbón activado que cumple con las especificaciones de la farmacopea y que proveemos como materia prima a laboratorios farmacéuticos para tratamiento de intoxicaciones agudas.

• Carbones ingeribles para la elaboración de alimentos, como quesos de cabra “con cenizas”

• Carbones minerales o vegetales que se utilizan en proceso de tratamiento de agua libre de solubles propios de los carbones activados.

Carbones libres de cenizas.

Estos carbones, por su contenido muy bajo de cenizas, presentan una temperatura de ignición muy superior a la de un carbón estándar lo que permite utilizarlos en recuperación de solventes (en ciclos de desorción in-situ con vapor de agua). Carbones libres finos para aplicaciones en las que éstos deben evitarse, como purificadores de agua domésticos, respiradores de cartucho químico o procesos de recuperación de oro.

B) Carbones de superficie modificada e impregnados.

Son carbones impregnados que se destinan a la retención de sustancias que no adsorbe un carbón activado estándar.

Estos carbones son:

Biostat :Impregnado con plata metálica como agente bacteriostático. Vapacid Para quimisorber gases ácidos. Carvacid Para retener vapores orgánicos y gases ácidos. Carvapox Para quimisorber moléculas orgánicas oxidables (alcoholes, aldehídos, alquenos) de bajo peso molecular. Vapamón Para quimisorber amoniaco y aminas de bajo peso molecular. Vapomer Para quimisorber vapores de mercurio.

¿Cómo funciona el carbón activado? ¿Qué significa la palabra “Activado” en el carbón?

El carbón activado no es más que carbón poroso. Activar el carbón es simplemente crear más poros en el carbón, para incrementar su área superficial y así mismo su capacidad natural de adsorción. Con esa simpleza lo menciona toda publicación que define o explica en qué consiste este material. Si te interesa saber cómo funciona el carbón activado sigue leyendo y te presentamos referencias de tres libros de entre la amplia bibliografía al respecto:

El carbón activado es un material con un alto grado de porosidad y un área superficial extendida. Más del 90% de la masa del carbón activado consiste en el elemento atómico conocido como carbono. El carbón activado es un adsorbente versátil que encuentra un amplio uso en la ecología, las industrias y otros campos, para la retención, recuperación, separación y modificación de una variedad de especies en aplicaciones en fase líquida o gas.

El carbón activado, como cualquier otro tipo de carbón, puede contener algunos elementos ajenos al átomo de carbono. Estos elementos proceden desde la materia orgánica utilizada como materia prima para su fabricación y se consideran contaminantes naturales del carbón.

Son, por ejemplo, los minerales que se encuentran en todas las plantas. Dichos elementos son los responsables de las cenizas que quedan cuando termina de arder el carbón utilizado para asar carne.

Desde el punto de vista de la composición química, el carbón activado es carbón prácticamente puro, igual que el diamante, el grafito, el negro de humo y los diversos carbones minerales o de leña.

Carbón activado es el nombre colectivo para un grupo de carbones porosos, fabricados por tratamiento de un material carbonizado mediante gases, o bien, por carbonización y activación simultánea de materiales carbonosos mediante activación química. Todos estos carbones se preparan para exhibir un alto grado de porosidad y una extendida área superficial interna.

Leyendo con detenimiento la descripción anterior, el carbón activado es carbón poroso. Ahora bien, la porosidad puede obtenerse por dos métodos:

(a) Tratando un material carbonizado mediante gases (aunque no se mencionan, básicamente son: vapor de agua, aire y dióxido de carbono. Este último se obtiene de la combustión de gas natural, gas LP u otro combustible).

(b) Por activación química, en la que se carboniza y activa simultáneamente un material carbonoso.

Material carbonoso es el que se constituye de cadenas de carbono, hidrógeno y oxígeno. Tal es el caso de los materiales orgánicos naturales, como la madera, las semillas de las frutas, las cáscaras de las nueces, los olotes, etc. La activación química más común se hace con ácido fosfórico, que actúa como agente deshidratante. Después del paso de carbonización y activación, el carbón se lava para que quede libre del agente químico activante.

En caso de que se desee profundizar en el tema, vale la pena la siguiente sección de la Enciclopedia Kirk-Othmer que describe los procesos de producción del carbón activado.

Podrá observarse que aún con el método de activación química, el carbón se lava al final y se pretende que quede lo más puro posible porque lo que le da las propiedades al carbón activado es la porosidad y no otro compuesto.

La producción de carbón activado básicamente comprende dos etapas: carbonización y activación. Dependiendo del tipo de materia prima rica en orgánicos, y de las condiciones en las que esta se carboniza y activa, varían las propiedades del producto final.

¿Qué es la carbonización?

La carbonización se define como el calentamiento o la descomposición pirolítica de un material precursor heterogéneo, como carbón mineral o madera, en ausencia de oxígeno a temperaturas inferiores a los 1000 o C, usualmente en el rango de 400–600 o C. En la etapa de carbonización para la producción de carbón activado, la materia prima puede tener forma de gránulos, material pre-cribado, briquetas o pelets. La carbonización se lleva a cabo en hornos como son los rotatorios, los de múltiple etapa y, en menor grado, los de lecho fluidizado.

Junto con breas, aceites y gases (combustibles que pueden requerirse para alcanzar la temperatura de carbonización en el horno), la carbonización produce un “material carbonizado”, simplemente llamado “carbón”. De este material se han eliminado la mayoría de las impurezas, que no son átomos de carbono, como son: oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y azufre. Estos se eliminan convirtiéndose en productos volátiles gaseosos. Por lo tanto, el elemento carbono predomina en el carbón resultante. El carbón exhibe un desorden considerable ya que los átomos de carbono han formado placas aromáticas planas que se colocan entre sí de manera aleatoria. Los intersticios entre estas placas aromáticas irregulares forman la porosidad de la que más dependen las propiedades del carbón activado.

Oxidación / Activación.

El carbón que se obtiene de la carbonización aún no tiene una capacidad de adsorción alta, ya que su estructura porosa no es completamente pronunciada. Por lo tanto, para la mayoría de las aplicaciones, esta estructura porosa necesita aumentarse por un tratamiento oxidante llamado activación. La idea de este proceso se basa en la destrucción de parte de la estructura de carbón por medio de oxidación del material carbonizado, para desarrollar una estructura altamente porosa que consiste principalmente en microporos.

Si quieres revisar más al respecto a la porosidad y funciones del carbón te invitamos a leer este artículo:

Considerando la mayoría de los usos, en la producción de carbón activado, la meta crucial es desarrollar poros con un diámetro menor a 2 nm (microporos). La activación lleva a la obtención de un producto con un área superficial extendida y extremadamente alta, que brinda una excelente capacidad de adsorción. Los carbones activados se dividen en dos tipos, dependiendo del procedimiento de activación utilizado para obtenerlos: activación térmica o activación química.

Carbones activados térmicamente.

Este tipo de activación, también llamada activación física o con gases, se compone básicamente de dos pasos, uno después del otro:

(a) Carbonización: la materia prima con un contenido relativamente alto de carbono se piroliza a temperaturas que tienen un rango de 600–900 o C, en ausencia de oxígeno y la presencia de gases inertes.

(b) Activación térmica: en este paso, el material en su estado natural o previamente carbonizado se expone a una atmósfera oxidante que consiste en gases como vapor de agua, aire, dióxido de carbono o la combinación de ellos en un amplio rango de temperatura, de 500 a 1000 o C.

Las reacciones del carbón con el dióxido de carbono y el vapor de agua llevan al desarrollo de una estructura altamente porosa. Generalmente, la activación térmica se lleva a cabo con materiales previamente carbonizados, como la concha de coco, coque de lignita de baja temperatura, carbón bituminoso y antracita; todos ellos se conocen como combustibles fósiles.

Sin embargo, también pueden usarse fuentes de biomasa como turba y madera. Fuentes de coque de lignita de baja temperatura pueden activarse directamente, sin necesidad de pasar por el paso de carbonización. No obstante, para otras materias primas, el paso de la carbonización normalmente es inevitable ya que facilita mucho la activación subsecuente.

Carbones activados químicamente.

La activación química generalmente se aplica a materias primas que contienen celulosa, como madera, aserrín o cáscaras de nueces.

Estos materiales también se conocen como fuentes de biomasa. Para la activación química, se inicia impregnando la materia prima con compuestos químicos fuertemente deshidratantes y oxidantes. Los compuestos químicos típicos que se utilizan actualmente son el ácido fosfórico y el cloruro de zinc, aunque anteriormente se usaban también hidróxido de potasio, hidróxido de sodio y cloruro de calcio.

Después de la impregnación, el material se calienta pirolíticamente a temperaturas de alrededor de 400–800 o C con el objeto de degradar la celulosa. La temperatura puede variar, dependiendo del tipo de agente activante. Finalmente, el carbón activado como producto final se obtiene lavando de manera repetida la mezcla resultante. Otro objetivo en este paso suele ser la recuperación del compuesto químico activante. A diferencia de la activación térmica, en la activación química la carbonización y la activación ocurren de manera simultánea. Por lo tanto, en contraste con la activación térmica en la que la carbonización y la activación normalmente se logran en dos hornos distintos, en la activación química se llevan a cabo en un solo horno.

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Ventajas de la activación química.

Las ventajas de la activación química respecto a la activación física son la operación a menores temperaturas y tiempos de activación más cortos. La activación química normalmente produce carbón activado en polvo. Usualmente se prefiere madera y aserrín para la fabricación de carbón activado en polvo con ácido fosfórico. Sin embargo, también puede producirse carbón activado granular por activación química. Para este propósito, se impregnan materias primas granulares con agentes activantes de la misma manera en que se hace esto para producir carbón activado en polvo.

El significado del contenido de cenizas en un carbón activado

Las cenizas contenidas en carbón activado (CA) es la suma de compuestos que no se pierden cuando el carbón se somete a una temperatura a la que los átomos de carbono se gasifican como CO2. La prueba normalizada para valorar el contenido de cenizas en CA que tiene mayor aceptación entre productores, distribuidores y usuarios de carbón activado es la D-2866 de ASTM. Esta prueba consiste en someter el Carbón activado a una temperatura de 650°C hasta llegar a peso constante.

Las cenizas consisten principalmente en sílice y alúmina, aunque pueden incluir otros óxidos metálicos. En otras palabras, las cenizas son la parte inorgánica presente en un CA.

Parte de las cenizas son solubles en agua. Estas, junto con otra parte adicional, son solubles en una solución concentrada de HCl (cercana al 9% en peso). Otra parte no es soluble, ni en agua ni en la solución de HCl.

La parte de las cenizas que es soluble en agua y la parte que es soluble en una solución concentrada de HCl se determinan mediante las pruebas de ASTM D-2867 y D-6385 respectivamente.

La parte soluble de las cenizas es motivo de preocupación únicamente en caso de que provoque toxicidad en el líquido en el que se disuelve.

NSF (National Sanitation Foundation) es un organismo acreditado e independiente que certifica productos que cumplen con estándares de salud pública y seguridad. Para que NSF acredite un carbón activado que se utilizará en el tratamiento de agua potable, este debe cumplir con el estándar 61 de NSF/ANSI/CAN (Drinking Water System Components – Health Effects).

Otro criterio de pureza del carbón activado destinado al tratamiento de agua potable es el que señala la norma ANSI/AWWA B604 (Granular Activated Carbon). De acuerdo con esta, el carbón activado no debe contener impurezas específicas que excedan los límites listados por Water Chemicals Codex, que es parte de Food Chemicals Codex.

Cuando las cenizas contenidas en un CA no son solubles en el líquido que se va a tratar o no provocan daños a la salud, son indeseables únicamente por el hecho de que no adsorben. Este no es un problema para el usuario final, sino para el productor del CA, que deberá compensar la inutilidad de las cenizas con una mayor activación. Al cliente lo que le interesa es la capacidad de adsorción por gramo de carbón activado.

Los carbones activados de origen mineral bituminoso son los que tienen mayor concentración de cenizas.

Los carbones activados de origen mineral bituminoso son los que contienen mayor porcentaje de cenizas. Como lo muestran las referencias que aparecen en las siguientes páginas, el rango típico es de entre 8 y 15% (en este boletín, siempre nos referimos a porcentaje en peso).

El contenido de cenizas en carbones de concha de coco está entre 2 y 3%, mientras que en carbones de madera es de alrededor del 5%. Existe una cantidad enorme de minas de carbón bituminoso en el mundo.

La diferencia entre ellas radica en el costo de extracción y en la pureza del material. Por “pureza” nos referimos, no solo a las cenizas, sino a aquellos compuestos que no son inertes, como: sulfuros, cianuros o metales pesados. Todo carbón activado puede purificarse, pero ello cuesta. Como consecuencia, la mayoría de los productores de carbones activados de origen bituminoso parten de la mina más competitiva del momento.

Los primeros carbones de origen bituminoso se produjeron en Pennsylvania, que es donde se desarrollaron. En cierto momento, las minas más competitivas estuvieron en Australia. Actualmente, se encuentran en China y, prácticamente, todo el carbón activado de origen bituminoso se produce en dicho país.

Hay empresas de gran reputación, que fabrican los carbones activados de origen mineral bituminoso de excepcional calidad, su contenido máximo de cenizas es del 18%.

Hay que recordar que las cenizas no afectan a la adsorción, y que únicamente representen un porcentaje inerte del carbón.

Debemos mencionar que una aplicación en la que sí afectan negativamente las cenizas es en la “recuperación de solventes”. No afectan al proceso de adsorción, pero sí pueden generar que una cama se incendie. Para evitarlo, el carbón se trata con ácidos con el objeto de disolver las cenizas. El costo de este proceso incrementa el precio del carbón y no vale la pena para otras aplicaciones

¿Cuál es la diferencia entre un carbón activado mineral bituminoso y un lignítico?

PROPIEDADES FÍSICAS:

El carbón activado de origen bituminoso suele tener un área superficial mayor que el de origen lignítico, pero el lignítico tiene una mayor proporción de macroporos -diámetro mayor a 500 A-. El carbón bituminoso tiene una densidad mayor que la del lignítico. Los contaminantes de aguas residuales son por lo regular una mezcla de moléculas grandes, medianas y chicas. En refinerías petroleras, empresas textiles, papeleras y de colorantes, predominan las moléculas grandes. Por lo tanto, ya que el carbón lignítico tiene una mayor proporción de macroporos, es más eficiente que el bituminoso – comparando volúmenes iguales de cama-.

El carbón bituminoso tiene la mayor parte de su área superficial en el rango de microporos -diámetro menor a 20 A- en donde una molécula grande, como un colorante, no puede entrar, y por lo tanto no se adsorbe.

REACTIVACIÓN O REGENERACIÓN TÉRMICA:

En la reactivación térmica de los carbones bituminosos se pierde una parte del área superficial total. Esta pérdida se provoca por la ruptura de microporos, produciendo entre varios de éstos un macroporo, el cual es capaz de retener una macromolécula y con esto adquiere características semejantes a las de un carbón de origen lignítico. Entre más reactivaciones sufra un carbón bituminoso se parecerá más a un carbón lignítico (aunque no llega a ser igual).

Por otro lado, cuando se reactiva térmicamente un carbón lignítico, sus poros tienden a mantener su tamaño original. Es decir, las propiedades de un carbón lignítico son muy parecidas entre uno virgen y uno reactivado. Asimismo, hay que mencionar que el fabricante de un carbón bituminoso virgen, puede lograr que éste adquiera poros grandes, a través de un incremento en la temperatura, del tiempo de residencia o del oxígeno en el horno de activación.

Durante la reactivación se generan mayor cantidad de pérdidas de material en el caso del carbón bituminoso que en el lignítico. Además, el carbón lignítico se reactiva más fácil y rápidamente bajo las mismas condiciones. Esto se atribuye tanto al tamaño de los poros, que son más grandes, como al mayor contenido de cenizas, las cuales catalizan la activación o reactivación de carbones.

PROPIEDADES HIDRÁULICAS:

Ambos tipos de carbones, ya sean vírgenes o reactivados, ocasionan una caída de presión parecida en el líquido y la expansión de cama de ambos también es similar.

En conclución, para aplicaciones en donde predominan macromoléculas, el carbón lignítico es más eficiente que el bituminoso, siempre y cuando el bituminoso no sea reactivado, o no haya sido fabricado de exprofeso para formarle poros grandes.

Un carbón bituminoso reactivado, tiene propiedades similares a las de un carbón lignítico. Este último no cambia sus propiedades al reactivarse.

En los casos en donde predominen las micromoléculas -olores, sabores, orgánicos de bajo peso molecular, compuestos volátiles y otros- el carbón bituminoso es mucho mejor que el lignítico.

Fuente: De John, P: “Carbon from Lignite or Coal: Which is Better?”, Chem. Eng., April 26, 1975

¿Por qué el dióxido de cloro es el único oxidante eficaz en la desinfección de camas de carbón activado granular (CAG) utilizadas en trenes de potabilización?

¿Cuál es la función del carbón activado granular (CAG) en un tren de potabilización?

El carbón activado granular tiene dos funciones en un tren de potabilización: adsorber (atrapar en sus paredes) los compuestos orgánicos presentes en el agua y eliminar el oxidante residual que se utiliza con el fin de desinfectarla.

Adsorción de compuestos orgánicos en carbón activado

En toda agua que se obtiene de la naturaleza (lago, río, pozo, lluvia, deshielo) están presentes compuestos orgánicos en menor o mayor concentración. El aumento en la producción y el uso de materiales sintéticos, ha provocado que parte de esos sean relativamente nuevos en la tierra. Entre ellos, se encuentran solventes, combustibles, plaguicidas, fármacos, detergentes, grasas, aceites, proteínas…

Algunos de estos compuestos son dañinos para el ser humano y para el resto de las especies, incluso en concentraciones pequeñas. Lo son, porque no nos hemos adaptado a ellos. De entre estos, los parámetros de potabilidad han ido incluyendo a aquellos que muestran evidencias de peligrosidad.

El CAG es un adsorbente con una alta capacidad inespecífica para adsorber a la mayoría de los compuestos orgánicos. Esta inespecificidad significa que retiene todo tipo de compuestos (mientras quepan en los poros del carbón) .

Eliminación del oxidante residual que se utilizó con el fin de desinfectar el agua

Por norma, todo tren de potabilización debe incluir al menos una etapa de desinfección. En la mayoría de los casos, el tren inicia por la adición de un agente biocida al agua. Este agente suele ser un oxidante. El más utilizado es el cloro libre.

El cloro libre, al igual que cualquier otro biocida, requiere de cierto tiempo para actuar. Después de desinfectar, queda un residual que es necesario eliminar para evitar que dañe a quienes beberán el agua.

El CAG, además de ser un adsorbente, es un reductor. Por lo tanto, reacciona con los compuestos oxidantes. En el caso del cloro libre (que es ácido hipocloroso o ion hipoclorito), lo reduce a ion cloruro. Por su parte, el carbón que interviene en la reacción forma un óxido superficial que termina disolviéndose en el agua en forma de ácido carbónico.

C(s) + HOCl(l) -> CO(s) + H+ + Cl–

CO(s) + H2O(l) -> H2CO3(l)

H2CO3(l) -> H2O(l) + CO2(g)↑

¿Por qué debe desinfectarse la cama de CAG en un tren de potabilización?

El agua que llega al tanque que contiene la cama de CAG tiene una concentración residual de cloro libre. Por lo tanto, no contiene microorganismos activos.

Como es de esperarse, después de que esta agua ha pasado por la cama de CAG, está libre tanto de materia orgánica como de cloro libre. Sin embargo, después de algunos días o semanas, esta agua presenta un conteo bacteriano. A partir de dicho momento, si no se desinfecta la cama de CAG, el efluente, además de portar bacterias, adquirirá un olor a drenaje.

Si el agua alimentada al tanque de CAG no contiene microorganismos activos, ¿por qué después de cierto tiempo empiezan a aparecer estos en el agua tratada?

Cuando se detiene la operación del tren de potabilización, es común que se genere un vacío por la línea que alimenta el agua al tanque de CAG, y que este vacío provoque un contraflujo. El contraflujo es flujo de agua en el sentido contrario al de operación. Esto ocurre cuando el agua que alimenta al tanque de CAG proviene de un nivel inferior, y cuando también ocurren las siguientes dos circunstancias:

• Para la bomba que hace fluir al agua hacia el tanque de CAG.

• No cierra correctamente la válvula check instalada en la línea de alimentación de agua al tanque de CAG.

Lo anterior ocasiona un vacío que a su vez produce el contraflujo en el tren de potabilización. De hecho, cuando existe dicha posibilidad, es importante instalar válvulas rompedoras de vacío en los trenes de potabilización, para evitar que los tanques colapsen en el caso de que se provoque un vacío (no hay que olvidar que los recipientes diseñados para resistir presión, presentan casi nula resistencia al vacío).

En el caso de que ocurra el contraflujo, el tanque de CAG recibe agua que no contiene una concentración residual del agente oxidante. Si existe alguna gotera en la tubería del efluente del tanque de CAG o si el agua recibe contaminación microbiana en algún punto de descarga, los microorganismos llegan a la cama de CAG. El carbón les ofrece una superficie rugosa, que es muy adecuada para que se anclen. Además, encuentran la materia orgánica que el CAG ha adsorbido. En ese momento, inicia su reproducción.

Al volver a poner en operación el tren de potabilización, de nuevo llega agua desinfectada a la cama de CAG desde la parte superior. El cloro residual desaparece en los primeros centímetros de cama. Esto es así porque la reacción de neutralización entre el cloro libre y el CAG es muy rápida. Por lo tanto, en la parte media y baja de la cama, el agua ya no tiene cloro libre, y las bacterias se siguen reproduciendo.

¿Puede desinfectarse la cama de CAG mediante retrolavados con agua clorada?

Los retrolavados con agua clorada inactivarán a las bacterias que se encuentren en la parte externa de las partículas de CAG de la parte baja de la cama. Esto disminuirá el contenido de bacterias en el efluente tratado. Sin embargo, el cloro libre no llegará a las bacterias alojadas en el interior de las grietas del carbón porque queda neutralizado en la parte exterior. Tampoco llegará a la parte media de la cama. De todo esto, la desinfección de la cama de CAG mediante retrolavados con agua clorada es poco eficaz. Quizás logra una desinfección temporal, pero en poco tiempo vuelve a aparecer un conteo inaceptable de bacterias en el efluente. La supercloración del agua de retrolavado (cloración en concentraciones mayores) tampoco es eficaz.

Oxidantes distintos al cloro libre, como el ozono, las cloraminas, el peróxido de hidrógeno o el permanganato de potasio, tampoco son eficaces. El único oxidante eficaz es el dióxido de cloro.

¿Por qué el dióxido de cloro puede desinfectar camas de CAG, considerando que otros oxidantes no lo hacen eficazmente?

El dióxido de cloro es capaz de desinfectar camas de CAG porque su potencial de oxidación es insuficiente para que reaccione con el carbón activado, que es un reductor. En otras palabras, el dióxido de cloro no rompe las uniones C-C. Al no reaccionar con el CAG, llega a las partes más profundas de sus grietas. En ellas encuentra a las bacterias, que suelen tener protones en sus membranas. Esto significa que presentan acidez. Y es en dichos puntos ácidos en los que el dióxido de cloro lleva a cabo su función oxidativa. Al hacerlo, inactiva a las bacterias y desinfecta la cama eficazmente.

Compuesto

Potencial de oxidación (voltios)

Radicales hidroxilo (OH)

2.80

Cloro molecular

1.36

Ácido hipocloroso o ion hipoclorito (el denominado “cloro libre”)

1.49

Ozono

2.07

Peróxido de hidrógeno

1.78

Ion clorito

1.57

Dióxido de cloro

0.95

Lo descrito en este apartado permite concluir que el dióxido de cloro es un oxidante más específico que otros. No oxida todo lo que encuentra a su paso; solo oxida moléculas que requieren ceder electrones para alcanzar mayor estabilidad, como es el caso de muchos grupos ácidos.

También vale la pena mencionar que, aunque el potencial de oxidación del dióxido de cloro es menor que el del resto de los oxidantes que se utilizan para desinfectar, cuando oxida, tiene una capacidad mayor que el resto. La razón es que en el dióxido de cloro, el átomo de cloro, Cl, tiene valencia +4. Al oxidar, pasa a valencia -1 y queda disuelto en el agua como ion cloruro, Cl–. Esto significa que roba 5 electrones (que es lo que hace un oxidante). Por lo tanto, aunque el dióxido de cloro tiene un potencial de oxidación menor que la del resto de los oxidantes, su capacidad de oxidación es mayor.

¿Existen compuestos distintos a los oxidantes inorgánicos, capaces de desinfectar camas de CAG?

Existen compuestos orgánicos capaces de desinfectar camas de CAG. El problema es que al ser orgánicos, el carbón los adsorbe y pierde vida útil. Por otro lado, suelen no ser aptos para aplicarse en procesos de potabilización o de producción de alimentos.

¿Es posible desinfectar camas de CAG con métodos que no estén basados en compuestos oxidantes?

Sí. Se puede desinfectar una cama de CAG con vapor de agua o por cambio de pH.

La desinfección con vapor de agua es muy eficaz cuando se aplica adecuadamente. Debe lograrse que toda la cama alcance una temperatura superior a 70°C y que permanezca por encima de dicha temperatura durante una hora. Desafortunadamente, este método solo puede aplicarse si el tanque, las toberas del interior y las tuberías son de acero. Los materiales plásticos no resisten.

La desinfección por cambio de pH puede realizarse llevando el pH del agua que inunda la cama de CAG a valores extremos: muy bajos (cercanos a 2) o muy altos (cercanos a 13). Para llevar el pH del agua a niveles bajos, hay que agregar un ácido fuerte, que puede ser sulfúrico o clorhídrico. Esto solo es posible si todos los materiales que entrarán en contacto con el ácido tienen la resistencia química para evitar la oxidación y la corrosión.

La desinfección por aumento de pH se logra agregando un álcali fuerte, como son la sosa o la potasa. Estos compuestos no dañan al acero al carbón. El inconveniente es que después de que han cumplido con su función desinfectante, se requiere de una gran cantidad de agua para enjuagar la cama de CAG y dejarla libre de ellos.

Por otro lado, tanto si se utiliza un ácido como un álcali, hay que neutralizar el agua resultante, lo que genera un agua residual de alta salinidad.

Autor: Germán Groso Cruzado

Bibliografía

• Gran parte del contenido de este artículo proviene del conocimiento y la experiencia que ha desarrollado el personal de Carbotecnia, S.A. de C.V. a través de más de 30 años.

• Carbotecnia, Centro de aprendizaje, El dióxido de cloro como desinfectante del agua, 2021

• Lenntech, Chlorine Dioxide (https://www.lenntech.com/library/clo2/chlorine-dioxide.htm)

• Lenntech, Desinfectantes dióxido de cloro ( https://www.lenntech.es/procesos/desinfeccion/quimica/desinfectantes-dioxido-de-cloro.htm#:~:text=El%20di%C3%B3xido%20de%20cloro%20oxida,reducido%20a%20iones%20de%20cloruro.&text=Se%20puede%20encontrar%20tambi%C3%A9n%20en,el%20clorito%20son%20agentes%20oxidantes)

PROPIEDADES FÍSICAS:

El carbón activado de origen bituminoso suele tener un área superficial mayor que el de origen lignítico, pero el lignítico tiene una mayor proporción de macroporos -diámetro mayor a 500 A-. El carbón bituminoso tiene una densidad mayor que la del lignítico. Los contaminantes de aguas residuales son por lo regular una mezcla de moléculas grandes, medianas y chicas. En refinerías petroleras, empresas textiles, papeleras y de colorantes, predominan las moléculas grandes. Por lo tanto, ya que el carbón lignítico tiene una mayor proporción de macroporos, es más eficiente que el bituminoso – comparando volúmenes iguales de cama-.

El carbón bituminoso tiene la mayor parte de su área superficial en el rango de microporos -diámetro menor a 20 A- en donde una molécula grande, como un colorante, no puede entrar, y por lo tanto no se adsorbe.

PROPIEDADES TÍPICAS

LIGNÍTICO

BITUMINOSO

Área superficial total (m2 /g)

600 – 650

700 – 1000

Número de Yodo (mg/g)

550 – 600

700 – 950

Densidad aparente (g/cm3 )

0.35 – 0.42

0.42 – 0.50

Volumen del poro (cm3 /g)

1.0

0.85

Tamaño efectivo de partícula (mm)

0.75 – 0.90

0.80 – 0.90

Humedad al empacar (% máx)

12

4

Número de melazas (RE)

100 – 120

40 – 60

Contenido de cenizas (%)

12 – 18

5 – 8

Radio medio del poro (A)

33

14

REACTIVACIÓN O REGENERACIÓN TÉRMICA:

En la reactivación térmica de los carbones bituminosos se pierde una parte del área superficial total. Esta pérdida se provoca por la ruptura de microporos, produciendo entre varios de éstos un macroporo, el cual es capaz de retener una macromolécula y con esto adquiere características semejantes a las de un carbón de origen lignítico. Entre más reactivaciones sufra un carbón bituminoso se parecerá más a un carbón lignítico (aunque no llega a ser igual).

Por otro lado, cuando se reactiva térmicamente un carbón lignítico, sus poros tienden a mantener su tamaño original. Es decir, las propiedades de un carbón lignítico son muy parecidas entre uno virgen y uno reactivado. Asimismo, hay que mencionar que el fabricante de un carbón bituminoso virgen, puede lograr que éste adquiera poros grandes, a través de un incremento en la temperatura, del tiempo de residencia o del oxígeno en el horno de activación.

Durante la reactivación se generan mayor cantidad de pérdidas de material en el caso del carbón bituminoso que en el lignítico. Además, el carbón lignítico se reactiva más fácil y rápidamente bajo las mismas condiciones. Esto se atribuye tanto al tamaño de los poros, que son más grandes, como al mayor contenido de cenizas, las cuales catalizan la activación o reactivación de carbones.

PROPIEDADES HIDRÁULICAS:

Ambos tipos de carbones, ya sean vírgenes o reactivados, ocasionan una caída de presión parecida en el líquido y la expansión de cama de ambos también es similar.

En conclución, para aplicaciones en donde predominan macromoléculas, el carbón lignítico es más eficiente que el bituminoso, siempre y cuando el bituminoso no sea reactivado, o no haya sido fabricado de exprofeso para formarle poros grandes.

Un carbón bituminoso reactivado, tiene propiedades similares a las de un carbón lignítico. Este último no cambia sus propiedades al reactivarse.

En los casos en donde predominen las micromoléculas -olores, sabores, orgánicos de bajo peso molecular, compuestos volátiles y otros- el carbón bituminoso es mucho mejor que el lignítico.

Fuente: De John, P: “Carbon from Lignite or Coal: Which is Better?”, Chem. Eng., April 26, 1975

La historia del carbón activado

El carbón es un sólido que atrapa moléculas orgánicas. Al hacerlo: purifica líquidos y gases, actúa como antídoto contra intoxicaciones y mejora las tierras de cultivo. En este artículo daremos una revisión cronológica de la historia del carbón activado.

En 1881, Heinrich Kayser llamó «adsorción» al proceso físico por el que algunos sólidos retienen cierto tipo de moléculas [3,4,5,8,9]. Desde esta perspectiva, el carbón es un adsorbente.

Mientras más poroso es un carbón, mayor es su área superficial y mayor es su capacidad de adsorción. Fue apenas en 1900 y en 1901 que Raphael von Ostrejko patentó los primeros métodos para producir carbón con mayor área superficial [2,7]. Al proceso de incrementar dicha área, le llamó “activación”. Posteriormente, de ahí se derivó el nombre del producto, y por esta razón, a von Ostrejko se le considera el padre del carbón activado [2].

La enorme utilidad industrial y médica del carbón, potencializada al activarlo, tuvo como consecuencia que su uso se incrementara exponencialmente. En el siglo XX, la adsorción en carbón activado llegó a ser el segundo método más aplicado por el ser humano para purificar fluidos (solamente antecedido por la filtración, que retiene sólidos).

De lo anterior, la historia del carbón activado nombrado como tal es de poco más de un siglo. No obstante, el uso del carbón como compuesto purificante, curativo y mejorador de tierras de cultivo, es, sin duda, mucho más antiguo de lo que antropólogos e historiadores han constatado.

El carbón, antes de que se produjera “activado”

El Homo sapiens apareció en la Tierra hace unos 100,000 años. Durante su larga etapa de cazador-recolector, fue un gran investigador. Hay evidencias de que su cerebro llegó a ser de un mayor tamaño que el nuestro y que, por lo tanto, contenía mayor masa encefálica [1]. No es improbable que haya descubierto las evidentes propiedades purificantes del carbón.

De acuerdo con el libro “The Quest for Pure Water” (Baker, 1949), la purificación de agua ya se utilizaba en el año 2000 a.C. [2].

El documento más antiguo que hace referencia al uso de carbón vegetal para curar males intestinales y eliminar malos olores de heridas putrefactas es un papiro egipcio de alrededor del 1550 a.C. que se encontró en Tebas, Grecia [3,4,5,6,8,9].

Estudios de los vestigios de barcos mercantes fenicios han llevado a conocer el hecho de que almacenaban el agua potable en barriles de madera carbonizados en su cara interna. Los fenicios fueron los grandes comerciantes de la antigüedad, y navegaron por todo el Mediterráneo hasta cerca del año 500 a.C. [3,4,5,6,8,9].

El almacenamiento de agua en barriles carbonizados se extendió hasta los viajes transocéanicos del siglo 18. Con la carbonización, disminuían o evitaban el aporte de aromas de la madera al agua, y mantenían su potabilidad [4]. Actualmente se sigue carbonizando el interior de las barricas de madera para envejecimiento de bebidas alcohólicas; mientras más severo es el carbonizado, la bebida extrae una menor cantidad de aromas.

Los griegos también utilizaron carbón de madera para tratar agua con el objeto de reducir olores indeseables y para prevenir enfermedades provocadas por esta [4]. Escritos sánscritos de origen hindú que se remontan al 450 a.C. describen el uso de arena y carbón vegetal para purificar agua potable [8,9].

Desde tiempos de Hipócrates (460 – 370 a.C.), pasando por los del investigador y escritor Plinio el Viejo (23 –79 d.C.) y hasta los de Claudio Galeno (129 a 201/216 d.C.), se aplicaban carbones de origen vegetal y animal para tratar diversas enfermedades [8,9]. Galeno, en particular, utilizó carbón como método terapéutico de diversas enfermedades [8].

La terra preta es un suelo oscuro y particularmente fértil, que se encuentra en la cuenca del Amazonas. Tiene un alto contenido de carbono que forma parte de sólidos carbonosos. Estudios recientes han descubierto que su origen es antropogénico y que data de hace unos 2000 años. Los pobladores de dicha región aprendieron que, al quemar vegetación de manera parcial y mezclar el carbón resultante con la tierra, mejoraban los cultivos [11].

Durante varios siglos, no hay registros sobre aplicaciones del carbón. Es hasta finales del siglo XVIII, en que médicos, químicos y otros científicos empezaron a experimentar con esta materia en aplicaciones médicas y de purificación agua, aire y otros fluidos. Probaron carbones hechos de sangre, madera y animales en la purificación de líquidos. En 1773, el químico Carl Wilhelm Scheele hizo mediciones del volumen de gases atrapados por carbón [8]. En 1786, Lowiz llevó a cabo los primeros experimentos sistemáticos que mostraron que el carbón podía utilizarse en la decoloración de soluciones acuosas [2,8,9].

La primera aplicación documentada que se conoce de un carbón vegetal para deodorizar es de 1793. Fue realizada por el Dr. M. Kehl y tuvo como objeto disminuir los olores emanados por gangrena. El Dr. Kehl ya tenía experiencia con carbón que utilizaba para purificar el agua para beber [3,4,5].

Por esa época, la industria azucarera buscaba un método efectivo para decolorar jarabes de azúcar, pero los carbones de madera disponibles no mostraban una capacidad que los hiciera interesantes. En 1794, una refinería de azúcar en Inglaterra encontró un carbón con suficiente poder decolorante. La adopción de su uso fue la primera aplicación de carbón como agente purificante a escala industrial [2,3,4,5,9]. Esto revolucionó a la industria azucarera, que buscaba obtener un producto más blanco y atractivo. Para 1805, un fabricante importante de azúcar en Francia ya refinaba jarabes con carbón, y para 1808, todas las refinerías en Europa decoloraban el azúcar con carbón vegetal [8,9].

Durante el siglo 19, el carbón vegetal continuó encontrando aplicaciones en medicina. Se utilizó en cataplasmas para curar úlceras y llagas gangrenosas. Las publicaciones médicas lo empezaron a considerar un antídoto contra envenenamientos y un tratamiento para enfermedades intestinales [8].

En 1811, Figuier encontró que el carbón de huesos tenía mayor capacidad para decolorar jarabes de azúcar que los carbones de madera. Esto provocó que la industria utilizara exclusivamente este tipo de carbón durante casi todo el siglo 19 [2,9].

En 1822, Bussy demostró que la capacidad decolorante de un carbón dependía del origen de la materia prima, el proceso térmico de carbonizado y el tamaño de partícula del producto terminado. Por primera vez, produjo carbón activado mediante un proceso que combinó procesos térmicos y químicos [3,4,9].

En 1854 se lleva a cabo la primera aplicación de carbón vegetal en el tratamiento de gases, cuando el alcalde de Londres decide instalar camas de carbón en los sistemas de ventilación de las cloacas [3, 4,5,9]. Se basó en las investigaciones que llevó a cabo el químico escocés John Stenhouse y que lo llevaron a desarrollar la máscara con un cartucho de carbón para protección contra gases tóxicos [9].

En 1862, Frederick Lipscombe aplicó carbón para purificar agua potable de manera comercial [8]. Más tarde, esta aplicación se llevó al tratamiento de aguas residuales [9].

En 1865, Hunter descubrió la excelente capacidad del carbón obtenido a partir de conchas de coco para atrapar gases [9].

En 1872, aparecen los primeros respiradores con cartuchos de carbón activado usados en la industria química para evitar la inhalación de vapores de mercurio [3,4,5,6].

Fue hasta 1881 que el físico alemán Heinrich Kayser acuñó el término “adsorción” para describir la habilidad del carbón para atrapar gases [3,4,5,8,9]. Se basó en el término “absorción”. Cambió el prefijo “ab”, por “ad”, para indicar aproximación, asociación o adherencia.

El nacimiento del carbón activado

Por estas fechas, Raphael von Ostrejko empezó a desarrollar varios métodos para producir un carbón con mayor poder adsorbente. Su objetivo era llegar más allá de una simple carbonización de materiales orgánicos. En 1900 y 1901 patentó dos métodos distintos. El primero de ellos, bajo la patente: von Ostrejko, R., Chemical Activation of Wood Using CaCl2, British Patent 14,224, Oct 13, 1900. Consistía en la carbonización de materiales lignocelulósicos con cloruros de metales, lo que fue la base de lo que hoy se conoce como “activación química”. En el segundo, proponía una gasificación moderada de materiales previamente carbonizado, mediante la aplicación de vapor de agua y dióxido de carbono. Esta se considera actualmente una activación física o térmica [2,6].

El apelativo “carbón activado” no se debió a que el producto tuviera una mayor y más activa área superficial, sino al método para producirlo [2].

A partir de las patentes de von Ostrejko, en 1909 se construyó la primera planta industrial para fabricar carbones activados en polvo destinados a la decoloración de azúcar [2]. La planta se llamó Chemische Werke. Sus productos se registraron con los nombres: Eponit, Purit y Norit. La empresa The Norit Company inició la fabricación de carbón activado en Holanda y muy pronto se hizo conocido en la industria azucarera por sus carbones activados con el método de gasificación de von Ostrejko [8, 9].

Los primeros carbones activados eran pulverizados y se utilizaban como agentes decolorantes en industrias químicas y de alimentos [9].

El primer proceso industrial de activación química de aserrín de madera con cloruro de zinc se llevó a cabo en la planta austriaca de Aussing en 1914. Un año más tarde, este mismo tipo de carbón se produjo en la planta de pigmentos de Bayer. También se utilizó ácido fosfórico como químico activante, que, al igual que el cloruro de zinc, realiza su efecto por deshidratación [9].

La primera producción de carbón activado en Estados Unidos se realizó en 1913. Empacadores de carne en Chicago utilizaron por primera vez carbón activado para controlar olores [9].

Durante la Primera Guerra Mundial, el uso de agentes químicos llevó a la urgente necesidad de un método de protección. Ambos bandos se involucraron en el esfuerzo de encontrarlo, y lo hicieron a través de máscaras contra gases. En 1915, los científicos alemanes encontraron que el carbón activado brindaba una protección importante contra muchos de los gases utilizados como armas químicas. Los británicos empezaron a utilizar carbón activado en 1916 en sus máscaras SBR. Los estadounidenses utilizaron carbón activado de concha de coco en sus máscaras tipo CE, que los protegían contra fosgeno, gases lacrimógenos y cloro [10].

La Primera Guerra fue el punto de partida para el desarrollo de la industria de carbón activado que se expandió hacia otros usos.

Cuando Estados Unidos entró a la Segunda Guerra Mundial, la concha de coco generada en el sureste asiático era la materia prima con la que se producía el carbón activado granular que se utilizaba como medio de protección en las máscaras contra gases que usaba el ejército. El transporte por barco entre Asia y América se volvió peligroso. Esto disminuyó el suministro, y el gobierno pidió a la Pittsurg Coke and Chemical Company desarrollar un sustituto a partir de un material nativo. En 1942, la empresa produjo un carbón activado que usó como materia prima un carbón de hulla bituminosa, y este fue el origen de la empresa Calgon Carbon Corporation [12].

Durante el siglo 20 se produjeron carbones activados a partir de diversos materiales vegetales, como: cáscaras de nueces, cáscara de cacahuate, huesos de aceituna y huesos de durazno, entre otros. También se desarrollaron métodos para activar carbones de origen mineral, como lignita, hulla bituminosa y antracita. Y se obtuvieron, carbones activados con formas nuevas, como pelets, fibras y bloques.

El carbón activado no solamente se ha utilizado como agente adsorbente. Su gran área superficial ha brindado soporte a catalizadores y a agentes químicos que han llevado al carbón resultante a ejercer una adsorción química (quimisorción) que le permite retener compuestos que no retiene un carbón activado estándar.

Se la ha utilizado también como reactivo y catalizador, para descomponer agentes oxidantes. Uno de estos oxidantes es el cloro libre residual, que es el principal compuesto que se utiliza en la desinfección de agua.

El carbón activado se ha llevado a diversos grados de purificación, que le han permitido aplicaciones en industrias que requieren altos niveles de pureza, como la farmacéutica. También le han permitido cumplir con las especificaciones de las farmacopeas; esto es importante, ya que el carbón activado es el antídoto más utilizado por la toxicología.

Algunos datos sobre Raphael von Ostrejko [7]

Nació el 4 de diciembre de 1863, cerca de Jonowo (Jonava), distrito de Kaunas, en Lituania. En esa época, el territorio pertenecía al Imperio Ruso. Sus padres, Anton y Elena Ostrejko, eran de nacionalidad polaca. Su padre era de origen noble.

Su nombre, en polaco, era Rafal Ostrejko, y en lituano, Rapolas Ostreika. Más tarde se le conoció como Raphael von Ostrejko, en alemán. Él agregó el “von” a su nombre mientras vivía en Austria o en Alemania, para mostrar sus raíces nobles. En Lituania, el “von” no tiene un significado de nobleza.

Estudió química en Riga, capital de la actual Letonia. No se casó ni tuvo hijos, y se desconoce la fecha y el lugar de su muerte. Hizo investigación aplicada a procesos industriales, fue asesor de industrias en diversos países y registró varias patentes.

Cuando von Ostrejko desarrolló sus métodos para producir carbón activado, las fábricas de azúcar llevaban mucho tiempo utilizando carbón de madera o carbón de huesos para refinarla.

Las patentes de von Ostrejko fueron:

​1900 (13 octubre) patente Gran Bretaña 14,224, Chemical Activation of wood using CaCl2. 1900 patente Gran Bretaña 18,040. 1901 patente Francia 304,867. 1901 (30 agosto) patente Alemania 136,792 1903 (15 septiembre) patente EUA 739,104, Thermal Activation of Wood with Steam. 1920 (16 diciembre) patente Suiza.

Autorización de uso por la familia de Raphael von Ostrejko (speicyte.wixsite.com)

El carbón activado en México

En 1960 se fundó Clarimex en México. Durante sus primeros años, produjo carbones a partir de madera de pino activados mediante ácido fosfórico, con tecnología desarrollada en Europa. Destinó sus productos a la industria azucarera. En la misma época, otra empresa, Polifós, también inició con la fabricación del mismo tipo de carbones.

Polifós dejó de producir carbones activados en la década de los noventa. Clarimex siguió creciendo y se consolidó como el mayor fabricante de carbón activado en Latinoamérica. Adquirió la empresa brasileña Brascarbo Agroindustrial, en Brasil, y se asoció con Norit. Con el tiempo, fue integrando líneas para producir otros tipos de carbón [13].

En 1988, Germán Groso, padre e hijo, fundaron Nobrac Mexicana, la primera empresa que produjo carbones activados de concha de coco en América [14].

En 1997, Germán Groso Cruzado publicó el primer libro sobre carbón activado en español: El carbón activado granular en el tratamiento del agua. Este libro abordó el tema desde la ingeniería de procesos.

En ese mismo año nació Carbotecnia, empresa que se especializó en la fabricación de carbones activados con características particulares, como: carbones bacteriostáticos, que evitan el crecimiento bacteriano; carbones impregnados, cuya función es retener moléculas que no adsorbe un carbón activado estándar; carbones de alta pureza, como los que requiere la industria farmacéutica; carbones de superficie modificada, como los que se requieren para adsorber compuestos de cierta polaridad; carbones activados libres de finos, para purificadores.

REFERENCIAS

1. Harari, Y. N., De animales a dioses, Debate, México, 2014.

2. Sontheimer, H., J, Crittenden y R. S. Summers, R.S., Activated Carbon for Water Treatment, 2ª Ed., Forschungstelle Engler – BunteInstitut, Universität Karlsruhe, Karlsruhe, Germany, 1988.

3. http://www2.izt.uam.mx/newpage/contactos/anterior/n64ne/carbon_v2.pdf. Luna, D., A. González, M. Gordoña y N. Martín, Obtención de carbón activado a partir de la cáscara de coco, UAM–Azcapotzalco, Departamento de Química, México (consultado en enero de 2023).

4. https://www.ecured.cu/Carb%C3%B3n_activado. EcuRed, Carbón activado (consultado en enero de 2023).

5. https://repositorio.utp.edu.co/server/api/core/bitstreams/5c456630-0b2e-4a17-a4e4-43273d4115a8/content. Grisales, A. y W. Rojas, 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, Universidad Tecnología, 2016 (consultado en enero de 2023).

6. https://www.camfil.com/es-es/insights/innovacion-tecnologia-e-investigacion/journey-of-activated-carbon.Camfil, Historia del carbón activo (consultado en enero de 2023).

7. https://speicyte.wixsite.com/raphael-von-ostrejko/abouthim. Raphael von Ostrejko (1863 -?), Father of activated carbon (consultado en enero de 2023).

8. https://www.jurassiccarbon.com/blogs/news/12186281-the-history-of-activated-carbon. Jurassic Activated Carbon, The history of activated carbon (consultado en enero de 2023).

9. https://application.wiley-vch.de/books/sample/3527324712_c01.pdf. Water and Wastewater Treatment: Historical Perspective of Activated Carbon Adsorption and its Integration with Biological Processes (consultado en enero de 2023).

10. https://www.mdpi.com/2079-4991/11/2/407. Mestre, A. S., A. P. Carvalho y D. Cazorla-Amorós, (Eds.), Exploring the Silent Aspect of Carbon Nanopores Nanomaterials, Nanomaterials, 11(2), Basel, 2021. (consultado en enero de 2023).

11. Lehmann, J. y S. Joseph (Ed.), Biochar Environmental Management Science and Technology, Earthscan, Washington DC, 2009. 12. https://www.calgoncarbon.com/about/history/#:~:text=Faced%20with%20a%20shortage%20of,known%20as%20Calgon%20Carbon%20Corporation. Calgon Carbon Corporation (consultado en enero de 2023).

13. https://clarimex.com/por-que-clarimex.php. Clarimex (consultado en enero de 2023).

14. https://www.carbotecnia.info/nuestra-empresa/. Carbotecnia (consultado en enero de 2023).

ELABORACIÓN Y REVISIONES DE LA HISTORIA DEL CARBÓN ACTIVADO

Elaboró: Germán Groso Cruzado, 16 feb 2023

La capacidad de un carbón activado depende de diversos factores. Los principales se listan a continuación.

Factores relacionados con el carbón activado

Diámetro promedio de poros

El diámetro de los poros más adecuados para adsorber un compuesto debe ser de entre dos y cinco veces el diámetro de la molécula de dicho compuesto. Si es menor, la molécula no cabe. Si es mayor, el carbón mostrará preferencia por moléculas con mayor masa. Esto se debe a que, mientras mayor es la masa de una molécula, el carbón la adsorbe con mayor fuerza.

Distribución del tamaño de poros

Además de los poros en los que ocurrirá la mayor parte del fenómeno de adsorción, se requieren poros de transporte. Son de mayor diámetro que facilitan la difusión.

Área superficial

Ya que la adsorción es un fenómeno de superficie, a mayor área superficial, mayor será la capacidad de un carbón activado.

Química superficial

Un carbón activado puede producirse con diversos grados y tipos de oxidación. La oxidación de un carbón activado produce la formación de óxidos en los bordes de las placas grafíticas. Si los óxidos son de carácter ácido, atraerán moléculas básicas y rechazarán moléculas ácidas. Y viceversa.

Distribución de tamaño de partícula del carbón activado

El tamaño de partícula de un carbón, sea polvo, granular o pelet, afecta la cinética de adsorción. El área superficial de un carbón activado, prácticamente no se ve alterada por el tamaño de partícula promedio del carbón. Pero mientras menor es este tamaño, se acortan los poros del carbón, y aumentan las vías de acceso a los mismos. Esto aumenta sustancialmente la cinética de adsorción.

Factores relacionados con el adsorbato que requiere retenerse

Carácter iónico o covalente

El carbón activado, por ser un sólido covalente, adsorbe preferentemente las moléculas de mayor carácter covalente.

Presencia de grupos ácidos o alcalinos

Mientras más oxidado se encuentre un carbón activado, su química superficial incide más en que aumente o disminuya su preferencia por moléculas con grupos ácidos o básicos. El que aumente o disminuya esta preferencia, dependerá del carácter ácido o básico de los óxidos que forman parte del carbón, y de la presencia de grupos ácidos o básicos en el adsorbato.

Masa y tamaño molecular

El carbón activado prefiere las moléculas de mayor masa que quepan en sus poros.

Forma de la molécula (lineal, ramificada, cíclica)

Moléculas redondeadas, como las cíclicas o las ramificadas, entran con más facilidad en los poros. Moléculas más lineales entran con menos facilidad cuando su tamaño les permite ingresar a los poros del carbón solo que incidan con la orientación relativa adecuada. A este fenómeno se le conoce como efecto estérico o de orientación.

Relacionados con el fluido que se va a tratar

Presencia de adsorbatos que no se requieren retener y que compiten con los que sí se requieren retener

A mayor competencia de moléculas que no requieren separarse del fluido, menor será el tiempo de vida útil del carbón activado.

Temperatura y viscosidad

En el caso de líquidos, a mayor temperatura, es menor la viscosidad, lo que aumenta la velocidad de difusión de los adsorbatos, tanto fuera como dentro de los poros. Este efecto casi siempre es más benéfico que la disminución de la capacidad de adsorción (que disminuye mientras mayor es la temperatura).

En el caso de gases, a mayor temperatura, la viscosidad es mayor. Esto es indeseable, porque dificulta la difusión de los adsorbatos. También es indeseable porque disminuye la capacidad de adsorción del carbón. Por lo tanto, es mejor que la temperatura sea baja.

pH de soluciones acuosas

El pH suele incidir de manera importante en la capacidad de adsorción de un carbón activado. Los adsorbatos que son ácidos débiles se adsorben mejor en soluciones de pH bajo. Los adsorbatos que son bases débiles se adsorben mejor en soluciones de pH alto.

El pH también afecta la velocidad de reacción entre el carbón activado y moléculas oxidantes (como cloro libre, ozono, peróxido de hidrógeno, permanganato de potasio…). Normalmente, a menor pH, la velocidad de reacción es mayor.

Relacionados con las dimensiones de la cama de carbón activado granular o pelet y con el flujo volumétrico instantáneo del fluido que se trata

Área de sección transversal al flujo y profundidad de la cama

Mientras más esbelta es una cama de carbón, la turbulencia es mayor, lo que aumenta la difusión de los adsorbatos fuera de los poros del carbón. Además, aumenta relación entre la profundidad de la cama y la zona de transferencia de masa, lo que lleva a un mejor aprovechamiento del carbón.

Relación entre el volumen de la cama de carbón y el flujo volumétrico del fluido que se trata

Mientras mayor es esta relación, es mayor el tiempo de contacto entre el carbón y el fluido, lo que es deseable.

Relacionados con la turbulencia con la que se agita el tanque en el que se aplica el carbón activado en polvo a un líquido

Turbulencia de la agitación

A mayor turbulencia, aumenta la difusión de los adsorbatos en el exterior de las partículas de carbón. Esto es muy benéfico.

Carbón activado: ¿Qué rango de tamaño de partícula es el más adecuado para cada aplicación?

En contra de lo que suele creerse, la capacidad de un carbón activado no aumenta por más pequeño que sea su tamaño de partícula. Esto se debe a que, por más fino que se muela un carbón, su área superficial prácticamente no aumenta (el área superficial se da a un nivel molecular inafectable por métodos mecánicos). No obstante, la cinética (velocidad de adsorción) sí aumenta sustancialmente al disminuir el tamaño de partícula del carbón. Esto se traduce en que, mientras menor es el tamaño de partícula de un carbón, se requieren camas más pequeñas para lograr un determinado desempeño.

¿Cuándo elegir un carbón activado de menor tamaño de partícula?

Por otro lado, mientras menor es el tamaño de partícula de un carbón granular, mayor es la caída de presión y, por lo tanto, aumenta el costo para lograr el flujo a través del mismo. De lo anterior se concluye que en todos los casos debe usarse el menor tamaño de carbón siempre y cuando, sea mayor el beneficio de requerir una cama pequeña que el costo de hacer circular el fluido a través de la misma.

El aumento en la cinética de adsorción puede estimarse con la siguiente ecuación:

En donde: D = diámetro promedio de partícula del carbón de mayor tamaño V = velocidad de adsorción del carbón de mayor tamaño d = diámetro promedio de partícula del carbón de menor tamaño v = velocidad de adsorción del carbón de menor tamaño

Guía de los tamaños típicos de carbón activado utilizados por aplicaciones

4×10 Tratamiento de gases o aire. (Concha de coco).

6×12 y 8×16 Recuperación de oro y metales preciosos. (Concha de coco).

8×30 y 12×40 Tratamiento de agua potable a nivel industrial o comercial. (Concha de coco o minerales).

20×50 Purificación de agua a pequeña escala (cartucho de carbón activado doméstico o bajos caudales). (Concha de coco o minerales).

14×35 Respiradores de cartucho (mascarillas), (Concha de coco).

Menor a la malla 50. Tratamiento de agua potable o superficial. (Concha de coco o minerales).

Menor a la malla 100. Tratamiento de agua potable o superficial. (Concha de coco o minerales).

Menor a la malla 200. Tratamiento de agua potable o superficial. (Concha de coco o minerales); decoloración de líquidos (madera de pino).

Menor a la malla 325. Tratamiento de agua potable o superficial. (Concha de coco o minerales); decoloración de líquidos (madera de pino).

Pellet 4 mm Tratamiento de gases. (Concha de coco o minerales).

Pellet 2 mm Tratamiento de gases y líquidos. (Concha de coco o minerales).

Reactivación de carbón activado agotado

El carbón activado es un material de gran porosidad que se utiliza en numerosas aplicaciones para purificar líquidos y gases. Su capacidad para adsorber una amplia gama de compuestos lo convierte en un componente esencial en sistemas de filtración de agua, tratamiento de aguas residuales, y procesos industriales variados. Sin embargo, con el tiempo, el carbón activado se agota y pierde efectividad, lo que lleva a la necesidad de su reactivación o reemplazo. Aquí exploramos el proceso de reactivación de carbón activado y los beneficios asociados con esta práctica.

Proceso de adsorción natural de un carbón activado

El proceso de adsorción consiste en un sólido que atrapa en sus paredes cierta molécula de un fluido (líquido o gas). Al sólido se le llama adsorbente, al proceso, adsorción, y a la molécula atrapada, adsorbato.

El carbón activado es un adsorbente covalente. Como tal, adsorbe moléculas con tendencia covalente, que es el caso de la mayoría de las orgánicas. Se diferencia de otros tipos de carbón, porque es más poroso y porque está formado por placas grafíticas en las que los átomos de carbono están unidos entre sí de una manera ordenada. Este orden los hace menos reactivos (o más estables) que los átomos que forman carbones amorfos.

El proceso de adsorción en el que participa el carbón activado se debe a uno de los tipos de fuerzas de Van der Waals, llamadas fuerzas de dispersión de London, que ocurren entre un adsorbente covalente y un adsorbato, también covalente. Esta clase de adsorción se llama adsorción física.

La adsorción física no provoca una modificación en la estructura química de los átomos y de las moléculas que intervienen en ella. Por lo tanto, es reversible. Si el adsorbato retenido es volátil, una elevación suficiente de la temperatura provoca que se desprenda del carbón activado. Dicha temperatura depende de la volatilidad del adsorbato. Tanto este como el carbón quedan en su estado original, y al procedimiento se le llama reactivación. Si el adsorbato no es volátil, al elevar la temperatura hasta cierto nivel (normalmente superior a 300°C), sufre pirólisis. Es decir, pierde los átomos de hidrógeno y oxígeno y se transforma en carbón amorfo. Si se sigue aumentando la temperatura, el carbón amorfo resultante reacciona con los gases del horno, y se convierte en dióxido de carbono. Al gasificarse, deja libre el área superficial de las placas grafíticas. De esta manera, también ocurre una reactivación.

Como se mencionó en párrafos anteriores, las placas grafíticas constitutivas del carbón activado son menos reactivas que el carbón amorfo, por lo que no se gasifican siempre y cuando la temperatura y el tiempo que dure el proceso de reactivación no aumente más de lo debido.

Cuando han precipitado compuestos inorgánicos en un carbón activado, no pueden eliminarse mediante el aumento de la temperatura. Sin embargo, es posible eliminarlos mediante otros métodos. Uno de ellos es por disolución en una solución ácida.

Más adelante se describen distintos métodos de reactivación. Son posibles, no solo gracias a la estabilidad de sus placas grafíticas, sino también a que el carbón activado no se ve afectado por soluciones acuosas en todo el rango de pH.

Aunque pueden reactivarse tanto carbones activados granulares (CAG) como en polvo (CAP), hasta ahora, en muy pocos casos ha sido rentable la reactivación de los últimos, por la dificultad en el manejo de los polvos, que suelen ser menores a la malla 200.

La rentabilidad en el proceso de reactivación de CAG depende de la resistencia mecánica de sus gránulos. Mientras más baja es, aumenta el porcentaje de pérdida de material por rompimiento.

Cabe mencionar que a un carbón activado que se retira del proceso en el que se utilizó, se le denomina “carbón agotado”.

¿Qué es la reactivación del carbón activado agotado?

La reactivación del carbón activado implica su tratamiento térmico a altas temperaturas, generalmente entre 600 y 900 °C, en ausencia de oxígeno. Este proceso quema las impurezas adsorbidas en la superficie del carbón sin deteriorar significativamente su estructura porosa. Así, el carbón puede ser reutilizado en múltiples ciclos, lo que reduce la necesidad de producir nuevo carbón activado y minimiza la generación de residuos.

Beneficios de la reactivación del carbón

1. Sostenibilidad ambiental

La reactivación es una práctica sostenible que contribuye a la economía circular. Al reciclar el carbón activado, disminuimos la demanda de materias primas y reducimos la cantidad de desechos producidos. Este proceso ayuda a conservar recursos naturales y reduce el impacto ambiental asociado con la extracción y procesamiento de nuevos materiales.

2. Costo-efectividad

El proceso de reactivación es generalmente más económico que la producción de nuevo carbón activado. Aunque la reactivación requiere inversión en infraestructura y energía, el costo por uso del carbón activado disminuye al extender su vida útil. Esto se traduce en ahorros significativos para industrias que dependen de grandes volúmenes de carbón activado.

3. Eficiencia mejorada

A través de la reactivación, se puede restaurar la capacidad adsorbente del carbón activado hasta su eficiencia inicial. Esto asegura que el carbón reactivado puede continuar realizando a niveles óptimos, proporcionando resultados consistentes en aplicaciones críticas como el tratamiento de agua potable y procesos industriales.

4. Reducción de huella de carbono

El proceso de reactivación reduce la huella de carbono de las operaciones que utilizan carbón activado. Al disminuir la frecuencia de reemplazo y transporte de nuevo material, se reducen las emisiones de CO2 asociadas con estas actividades. Esto es especialmente importante en industrias reguladas y comprometidas con objetivos de sostenibilidad.

Tipos de reactivación de carbón activado

Reactivación térmica.

Es el método de reactivación más utilizado. Se lleva a cabo en hornos iguales a los que se utilizan para activar térmicamente un carbón. Los hornos más comunes son los rotatorios y los de múltiples etapas de calentamiento directo (mediante la introducción de gases de combustión). Normalmente, la reactivación se lleva a cabo a temperaturas de entre 500 y 800°C. Se limita la capacidad oxidante de la atmósfera en el interior del horno mediante vapor de agua. Los compuestos volátiles se desprenden del CAG y los no volátiles pirolizan y gasifican.

Reactivación con vapor de agua

Este proceso se lleva a cabo en el mismo equipo en el que se aplica el CAG. Consiste en hacer circular vapor de agua a través de la cama de carbón, normalmente en dirección descendente, para que los condensados no se acumulen. El vapor ocasiona que las moléculas orgánicas volátiles se desprendan del carbón.

Este método reactivación se aplica en recuperación de solventes contenidos en corrientes de aire. El CAG se somete a ciclos alternativos de adsorción-desorción. En el primero, se retiene el solvente hasta que el carbón se satura. En el segundo, se desorbe el solvente, y la mezcla de este y del vapor de agua se separa por decantación o por destilación, dependiendo de si son miscibles o no.

Mientras mayor sea la presión del vapor utilizado para reactivar al CAG, mayor será su temperatura, y por lo tanto será capaz de desorber compuestos menos volátiles.

Reactivación con gases calientes

Es igual que la anterior, pero no se utiliza vapor de agua sino algún otro gas. En el caso de algunos estudios científicos a nivel laboratorio, en los que se requiere reactivar sin la interferencia de algún gas oxidante, la desorción se lleva a cabo mediante un gas inerte que se calienta de manera indirecta. Este gas puede ser nitrógeno. Cuando se busca reactivar a una menor temperatura para evitar afectar al adsorbato, la reactivación puede llevarse a cabo a vacío.

Reactivación con ácido.

Las sales inorgánicas que precipitan en el CAG no se eliminan mediante una reactivación térmica. No obstante, pueden eliminarse por disolución en una solución ácida.

Un caso común es la precipitación de cal que se aplica para suavizar agua antes de pasar por el CAG. Otro es la precipitación de carbonatos y otras sales presentes en aguas con tendencia incrustante. Cuando la precipitación de sales es alta, el carbón toma un color grisáceo o blanquecino al secarse (este color no se nota si el carbón se encuentra húmedo).

Este tipo de reactivación se lleva a cabo con ácido clorhídrico, ya que es el ácido fuerte con mayor capacidad para disolver compuestos inorgánicos. Se prepara la solución de alrededor de 5% en peso, y el carbón se inunda en esta. El proceso de disolución de las sales de calcio es lento. El tiempo varía dependiendo de qué tan incrustado se encuentra el carbón, pero puede tardar algunas horas. Para lograr mayor rapidez en el proceso, se calienta la solución a 60 – 70ºC.

Una reactivación adecuada devuelve al carbón su color negro original.

Reactivación mediante la modificación del pH en solución acuosa

Cuando la capacidad de retención de un adsorbato específico depende del valor del pH, puede aprovecharse esta condición para desorberlo. Por ejemplo, la adsorción de fenol es muy dependiente del pH de la solución en la que se encuentra. Al aumentar el pH, disminuye a tal grado su adsorción, que puede provocarse la desorción del mismo. Un carbón saturado con este compuesto se puede reactivar mediante una solución de sosa al 4% .

También pueden eliminarse compuestos inorgánicos que han precipitado en carbón activado, inundando el carbón en una solución con el pH que produzca la disolución de estos.

La reactivación de carbón activado mediante modificación del pH en solución acuosa tiene muy pocas aplicaciones.

Reactivación biológica

La reactivación biológica del CAG sucede de manera natural en el tratamiento de aguas con un contenido relativamente alto de compuestos orgánicos biodegradables. Tal es el caso, por ejemplo, del tratamiento terciario de aguas residuales.

Las bacterias que se desarrollan en la superficie del carbón se alimentan de la materia biodegradable adsorbida y la convierten en dióxido de carbono y en nuevas bacterias. Estas últimas se eliminan al retrolavar el CAG. Cuando el carbón activado opera así, se denomina carbón biológico.

Un CAG también puede reactivarse biológicamente cuando se ha retirado del proceso de adsorción en el que se aplicó, aunque este proceso es poco frecuente.

Consideraciones y desafíos

A pesar de sus beneficios, la reactivación del carbón activado no siempre es aplicable. La viabilidad de este proceso depende de la naturaleza de las impurezas adsorbidas y del tipo de carbón activado utilizado. Además, se requiere un control riguroso durante el proceso de reactivación para evitar la degradación del material y garantizar la eliminación efectiva de impurezas.

Tipos de carbón mineral:

Hay cuatro tipos principales de carbón mineral o Coal llamado en inglés.

El rango se refiere a un proceso natural y lento que dura aproximadamente 300 millones de años se produce la “carbonificación”, durante el cual la materia vegetal fosilizada pasa por procesos de bacterianos se transforma en un material cada vez más denso, más seco, rico en carbono y más duro. Los cuatro rangos de carbón mineral que se producen son:

Antracita: El rango más alto de carbón. Es un carbón muy duro y lustroso, también denominado “hulla”, que contiene un alto porcentaje de carbón fijo y un bajo porcentaje de materia volátil. En el tratamiento de agua sólo se utiliza como un medio filtrante de sólidos suspendidos. Por su dureza y características es muy complicado de activar, para producir carbón activado.

Bituminoso: El carbón bituminoso es un carbón de rango medio entre el subbituminoso y la antracita. El bituminoso suele tener un alto valor calorífico (Btu), es el tipo de carbón más comúnmente utilizado en la generación de electricidad y el tratamiento de agua como adsorbente de materia orgánica de aguas superficiales. El carbón bituminoso parece brillante y liso cuando se observa a simple vista, pero si se lo mira más de cerca, se puede ver que tiene capas más opacas.

Sub-bituminoso: El carbón subbituminoso es de color negro y opaco (no brillante), en aplicaciones de tratamiento de agua puede sustituir en ocasiones al lignítico. Tiene un mayor valor calorífico que el lignito. Lignito o Lignítico: El carbón de lignito o lignítico, es el carbón de menor grado y con menor concentración de carbón. Por lo que lo hace más blando de todos, cuando se activa produce poros muy grandes, que se puede utilizar para adsorber moléculas de color. También existe la turba. La turba no es en realidad carbón, sino más bien el precursor del carbón. La turba es un material orgánico blando de plantas parcialmente descompuestas y, en algunos casos, en materia con algunos depósito minerales. Cuando la turba se somete a alta presión y calor, se convierte en carbón.