El carbón activado se utiliza para purificar líquidos y gases en diversas aplicaciones, como el agua potable municipal, el procesamiento de alimentos y bebidas, la eliminación de olores, el control de la contaminación industrial y los filtros de punto de uso en el hogar. La conciencia pública y la preocupación por el agua potable han llevado a los consumidores a instalar sistemas de carbón en el punto de uso en sus hogares, purificando aún más el agua que beben. Muchos de estos filtros de agua para el hogar utilizan carbón activado para eliminar de forma fiable las impurezas disueltas y los subproductos de la desinfección que pueden hacer que el agua tenga mal sabor. ¿Pero qué es el carbón activado? ¿Y cómo funciona?
El carbón activado tiene una superficie increíblemente grande por unidad de volumen y una red de poros submicroscópicos donde se produce la adsorción. El carbón activado es un material que se produce a partir de materiales de origen carbonoso, como el carbón, los cocos, las cáscaras de nuez, la turba, la madera y el lignito. La principal materia prima utilizada para el carbón activado es cualquier material orgánico con alto contenido de carbono. El material basado en el carbono se convierte en carbono activado mediante la modificación física y la descomposición térmica en un horno, bajo una atmósfera y temperatura controladas. El producto acabado tiene una gran superficie por unidad de volumen y una red de poros submicroscópicos donde se produce la adsorción.
¿Cuáles son las propiedades del carbón activado?
Un producto de carbón activado puede caracterizarse por su actividad y sus propiedades físicas. Las propiedades de actividad incluyen la distribución del tamaño de los poros que define el volumen de poros disponible de carbono en tres regiones de tamaño de poros: las regiones de microporos, mesoporos y macroporos:
Región microporosa – menos de 100 Angstroms
Región de Mesopore – entre 100 y 1.000 Angstroms
Región de los macroporos – más de 1.000 angstroms
Las propiedades de distribución del tamaño de los poros son indicadores clave del rendimiento potencial del carbono para eliminar los contaminantes (adsorbidos) del agua. Las moléculas que se encuentran en la fase gaseosa son generalmente más pequeñas que las de las aplicaciones de la fase líquida; por lo tanto, un carbono en fase gaseosa tiene la mayoría de sus poros concentrados en la región de los microporos.
Debe disponerse de una amplia gama de tamaños de poros, tanto para facilitar el movimiento de los adsorbentes a través de los poros de carbono como para la adsorción de tamaños moleculares particulares. Los carbones en fase líquida suelen contener una distribución de tamaño de poro más amplia para eliminar los cuerpos de color y los materiales orgánicos más abundantes, manteniendo al mismo tiempo cierta microporosidad para la eliminación de los compuestos de sabor y olor.
Las propiedades físicas incluyen la superficie, la densidad del producto, el tamaño de la malla, la resistencia a la abrasión y el contenido de cenizas.
Las propiedades de carbono típicamente medidas incluyen:
Número de yodo – pruebas estándar realizadas para estimar el área de superficie del carbono activado midiendo la adsorción de yodo en un conjunto dado de condiciones de prueba estándar, reportadas en mg de I2 adsorbido por gramo de carbono.
Superficie – la cantidad de superficie disponible para la adsorción para una masa dada de carbono, medida usando técnicas como la adsorción de nitrógeno BET; reportada en unidades de m2/g.
Densidad del producto – varias propiedades disponibles, incluyendo la densidad aparente que es la densidad del carbono a la máxima eficiencia de empaquetamiento, reportada en g/cc o lbs/cf
Tamaño de la malla – la medida de la gama de partículas del producto granulado, que se suele notificar como una gama de aperturas de tamiz, como 12 x 40 para el carbono que pasa por una malla de 12 mallas, pero que se retiene en una malla de 40 mallas con una especificación sobre la cantidad que se puede mantener en la malla de mayor apertura o que pasa por la malla de menor apertura; la base es el número de abrasión de los tamices de los Estados Unidos, una medida de la capacidad del producto de carbono para resistir el desgaste; esta valiosa propiedad permite comprender la durabilidad del carbono activado en aplicaciones en las que se requiere un lavado a contracorriente, el carbono se transfiere o las velocidades de tratamiento son superiores a la media.
Nivel de ceniza – una medida del contenido de no carbono del carbón activado; todos los materiales de base tienen un componente específico de ceniza, con el contenido variando de material de base a material de base; por ejemplo, el carbono de la cáscara de coco tiende a tener más metales alcalinotérreos, mientras que los carbones basados en el carbón tienen más metales pesados.
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¿Cómo funciona el carbono activado?
La adsorción física es el medio principal por el cual el carbón activado trabaja para eliminar los contaminantes de las corrientes líquidas o de vapor. La gran superficie del carbono por unidad de peso permite que los contaminantes se adhieran al medio del carbón activado.
La gran área de superficie interna del carbono tiene varias fuerzas de atracción que trabajan para atraer otras moléculas. Estas fuerzas se manifiestan de forma similar a la fuerza gravitatoria; por lo tanto, los contaminantes en el agua se adsorben (o se adhieren) a la superficie del carbono de una solución como resultado de las diferencias en la concentración de adsorción en la solución y los poros del carbono.
La adsorción física se produce porque todas las moléculas ejercen fuerzas de atracción, especialmente las moléculas de la superficie de un sólido (paredes de los poros del carbono), y estas moléculas de la superficie tratan de adherirse a otras moléculas.
El adsorbido disuelto migra desde la solución a través de los canales de los poros para llegar a la zona donde se encuentran las fuerzas de atracción más fuertes. Los contaminantes se adsorben porque la atracción de la superficie de carbono por ellos es más fuerte que las fuerzas de atracción que los mantienen disueltos en la solución. Los compuestos que muestran esta preferencia por la adsorción pueden hacerlo cuando hay suficiente energía en la superficie del carbono para superar la energía necesaria para adsorber el contaminante.
Los contaminantes orgánicos, tienen altos pesos moleculares, y son neutros, o no polares, en su naturaleza química son fácilmente adsorbidos por el carbono activado. Para que el agua se adsorba físicamente en el carbón activado, ambos deben ser disueltos en el agua de manera que sean más pequeños que el tamaño de las aberturas de los poros del carbón y puedan pasar a través de los poros del carbón y acumularse.
Además de la adsorción física, pueden ocurrir reacciones químicas en la superficie del carbono. Una de estas reacciones es la eliminación del cloro del agua, que implica la reacción química del cloro con el carbono para formar iones de cloruro.
¿Por qué son diferentes los carbones activados?
Los carbones activados son diferentes debido al material de partida y a los métodos de fabricación. Estas materias primas establecen las características generales, y existirán diferencias en el producto final.
En el ámbito nacional, la mayoría de los carbones se fabrican a partir de carbones. La materia prima base y los pasos de pretratamiento antes de la activación pueden afectar a muchas de las características físicas y de actividad del carbón activado. Estas diferentes propiedades hacen que algunos carbones sean más adecuados que otros para aplicaciones específicas.
Los carbones activados de carbón bituminoso tienen una amplia gama de diámetros de poros. Dado que estos carbones tienen un diámetro de poro fino y ancho, son muy adecuados para la descloración general y la eliminación de una mayor variedad de contaminantes químicos orgánicos del agua, incluidos los cuerpos de color más grandes. El carbono basado en el coco tiende a exhibir una mayor microporosidad, lo que es más adecuado para la eliminación de bajas concentraciones de sustancias orgánicas, como en las aplicaciones de agua potable. Esta propiedad se puede deducir al comparar los números de yodo en los carbones activados. Los carbones con mayor número de yodo tenderán a tener una mayor superficie; por lo tanto, tendrán una mayor capacidad para los orgánicos comparativamente poco absorbidos. Por otra parte, los carbones con menor número de yodo pueden tener todavía poros más amplios, lo que podría favorecer la eliminación de grandes moléculas orgánicas. Hay algunas aplicaciones en las que la eliminación del color se verá mejor facilitada por un carbono reactivado en lugar de un carbono con alto contenido de yodo.
Otro factor comparativo es la dureza del carbono. Por ejemplo, la resistencia a la abrasión de los carbones activados puede ser importante si el carbono se va a utilizar en una aplicación en la que se requiera un lavado a contracorriente frecuente. Como se ha mencionado anteriormente, los carbones de coco tienen un mayor número de abrasión que los carbones bituminosos a base de carbón y se esperaría que experimentaran menos desgaste con el tiempo en este tipo de aplicación.
La densidad también puede ser una consideración importante para aplicaciones específicas. Como se muestra en la tabla siguiente, las frecuencias de los carbones activados varían según la materia prima. Menos libras de carbono con una baja densidad caben en un contenedor determinado en comparación con un carbono con una alta densidad. Esto es significativo porque, mientras que un contenedor puede requerir menos peso de carbono de un carbono de baja densidad para hacer un llenado de volumen, su rendimiento de eliminación de contaminantes puede ser severamente reducido en comparación con un carbono de mayor densidad.