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16. CARBÓN ACTIVADO

En el último tiempo ha venido desarrollándose una creciente toma de con-ciencia a nivel nacional e internacional en el cuidado del medio ambiente, lo que se ha traducido en la creación de múltiples normas y estándares de certificación. Esto por la contaminación ambiental provocada por plantas industriales que en sus procesos queman derivados de la madera o combustibles fósiles.

Los principales compuestos liberados por estas plantas son los sulfurosos. Entre ellos el más importante es el dióxido de azufre (SO2), que se genera por la oxidación del azufre contenido en los combustibles cuando éstos se queman.

Esto origina impactos negativos sobre los componentes atmosférico, terres-tre, acuático, biótico y socioeconómico, que necesitan ser mitigados mediante nuevas alternativas de mayor eficiencia y bajo costo.

Una alternativa son los residuos forestales y agrícolas, que a través de cier-tos procesos pueden ser transformados en compuestos que ayuden a mitigar la contaminación, permitiendo el reciclaje de residuos y generando un ciclo cerrado al interior de estas industrias.

Uno de estos compuestos es el carbón activado, producto ampliamente usado por industrias de diversos sectores de la economía en sus procesos de descontaminación y purificación. La producción de carbón activado está muy vinculada a la purificación de productos y a la protección del medio ambiente. De hecho, su uso principal es la eliminación de impurezas de gases y líquidos me-diante adsorción.

16.1 Proceso

Los carbones activados se pueden definir como una forma no grafítica del car-bono con una superficie interna altamente desarrollada. Sus propiedades adsor-bentes son una consecuencia de su estructura porosa y área interna superficial, existiendo diferentes tipos y diversas fuentes para la producción de los mismos (figura 16.1).

Figura 16.1. Diferencia entre adsorción y absorción.

La activación química consiste en adicionar al material de partida (madera, cáscara de coco, cáscara de arroz, cáscara de nuez, carbón mineral, etc.) un producto químico que evite la formación de alquitranes y la contracción de las partículas, tal como el cloruro de zinc, cloruro de aluminio o ácido fosfórico. Aquí,

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la materia prima y el agente químico se mezclan en forma de pasta, se seca y carboniza a temperaturas entre 400 y 600 °C. El carbón activado resultante po-see una distribución de poros adecuada para muchas aplicaciones sin que sean necesarias nuevas manipulaciones.

16.1.1 Materia prima y su caracterización físico – química

Los precursores del carbón activado más comunes son del tipo celulósico y lignocelulósico como madera, huesos, cáscaras de frutas y diversos tipos de car-bón natural. Sin embargo, existe una gran variedad de otros materiales vegetales que se utilizan en mayor o menor medida, como por ejemplo, aserrín de madera, bagazo, paja de caña de azúcar, cáscara de arroz, semillas de frutos tropicales, residuos de la fabricación de carbón de leña, residuos forestales y semillas de aceituna, cerezo, damasco y uva, entre otros.

En la caracterización física de éstos se describe la granulometría (porcentaje de fracciones de distinto tamaño), contenido de humedad y densidad aparente. En tanto que en la caracterización química se determina el porcentaje de volá-tiles, de carbono fijo y de cenizas (todos estos libres de humedad). Además se determina el porcentaje de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (libres de humedad y cenizas).

16.1.2 Activación del precursor

Puesto que la porosidad de los precursores es despreciable, hay que “activar-los”. La muestras se muelen y tamizan a fin de trabajar con una fracción de diá-metro de partícula uniforme (0,8 a 2 mm.) durante la activación. Luego, la materia prima es pirolizada y activada mediante vapor de agua, CO2 o activación química.

Se puede describir la activación como un proceso térmico que descompone el precursor liberando compuestos volátiles ricos en hidrógeno y oxígeno, dejan-do un sólido rico en carbono con una estructura porosa muy desarrollada, llama-do carbón activado.

16.1.3 Impregnación de los carbones activados

Los carbones activados obtenidos se sumergen en las soluciones impreg-nantes a utilizar, la cual depende del contaminante a retener (ejemplo: carbo-nato de potasio, óxidos de hierro, permanganato de potasio, hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, carbonato de sodio y óxido de magnesio) durante un rango de tiempo desde una hasta cuatro horas. Posteriormente, los carbones activa-dos impregnados se someten a un vacío por 30 minutos para luego ser filtrados y secados en estufa a 120°C. El proceso para la obtención de carbón activado impregnado a partir de cáscara de arroz se resume en la figura 16.2.

Figura 16.2. Proceso producción carbón activado a partir de cáscara de arroz.

198

16.2 Propiedades del carbón activado

Se han descrito diversos métodos de caracterización del carbón activado, tanto de las propiedades adsorbentes como fisicoquímicas y químicas. Por la complejidad de estas últimas, sólo se describen las dos primeras.

16.2.1 Adsorbentes

Habitualmente se determina el área superficial y, adicionalmente, la porosi-dad y algunos ensayos de adsorción relacionados con la aplicación prevista para el carbón activado.

En la caracterización de un carbón activado y como criterios para seleccio-narlo para su uso en procesos de eliminación de gases apolares (hidrocarburos) o de sustancias disueltas (fenoles), los parámetros a determinar son la superficie, el volumen y la distribución de los poros.

Para la determinación de la superficie se recurre al proceso de adsorción de un gas, generalmente nitrógeno, a baja temperatura. En general, una mayor superficie conlleva mayor capacidad de retención de contaminantes y la forma de aumentarla es prolongando el nivel o grado de activación.

Por otro lado, el conocimiento del volumen de poros y la distribución de tamaño de los mismos, son aspectos que van a permitir conocer directamente la cantidad de contaminante que se puede retener según el diámetro de las molécu-las en relación al tamaño de los poros. El volumen y distribución de los macro y gran parte de los mesoporos se puede determinar mediante porosimetría de mer-curio. Dicha técnica se basa en la penetración de mercurio en los poros mediante presiones crecientes.

Otra forma de calcular el área total y el tamaño de los poros es a través de indicadores, como índice de yodo, de azul de metileno, de fenol y de butano. El primero describe la capacidad del carbón para adsorber sustancias de bajo peso molecular y caracteriza principalmente microporosidad (poros menores a dos nanómetros). Por otro lado, el índice de azul de metileno es un indicador de la mesoporosidad (poros entre dos y 50 nanómetros) e indica las posibilidades del carbón hacia la adsorción de una molécula que no puede, por su tamaño, acce-der a todos los microporos.

El índice de adsorción de fenol valora la capacidad que tiene el carbón acti-vado para reducir la concentración de fenol de una disolución de 10 mg/L hasta 1 mg/L, valor muy útil para tratamiento de agua. En tanto que el índice de adsorción de butano evalúa las posibilidades del carbón activado en procesos de recupe-ración de disolventes y otras aplicaciones como la recuperación de vapores de gasolina.

Estos índices dan una idea de qué tan fácil se adsorben las moléculas de distintos tamaños, por lo que entregan una aproximación del tipo de poros que tiene un carbón (figura 16.3).

199

6.2.2 Físico – químicas

Se han descrito numerosos ensayos fisicoquímicos de gran valor en aplica-ciones específicas. De ellos, se describen tres, por ser los más convencionales.

16.2.2.1 Densidad. La capacidad adsorbente del carbón se expresa habitual-mente por unidad de masa. Para conocer la densidad se cuantifica el peso de un carbón activado granular que ocupa un volumen en unas condiciones especifica-das. El valor que se obtiene debe tomarse con precaución, ya que depende de la geometría del recipiente, forma de llenado y tamaño de partícula.

16.2.2.2 Tamaño de partícula. Es interesante conocer la distribución del tamaño de las partículas de carbón activado porque permite valorar la resistencia al flujo de gases o líquidos e influye en otras características como filtrabilidad y cinética de adsorción, entre otras. Para asegurar la homogeneidad tanto en tamaño como en forma, es cada vez más común la fabricación de carbón activado con formas determinadas como esferas y pellets, entre otras.

16.2.2.3 Dureza. Cuando se va a cargar un lecho con carbón activado conviene que las partículas no se desmoronen o se rompan. Lo mismo ocurre durante el transporte neumático de partículas, por eso es importante conocer su dureza. De ahí que se hayan ideado una gran variedad de ensayos en el laboratorio para estimar la resistencia a la abrasión o al impacto. Dichos ensayos tratan de des-gastar las partículas de carbón activado por fricción, a veces en combinación con fracturas por impacto mediante dispositivos que incorporan métodos de vibración o movimientos rotatorios con bolas cerámicas o de acero.

16.3 Usos

El carbón activado tiene presencia en campos muy variados, tanto de la industria como de la protección del medio ambiente, adaptándose a las necesida-des específicas de la aplicación, ya que seleccionando el precursor y el método de preparación se pueden obtener carbones donde varía la superficie, distribu-ción de tamaño de poros y composición química.

En la mayoría de los casos, el papel del carbón activado es eliminar sustan-cias mediante adsorción. Justamente en la escasa especificidad de la adsorción reside el atractivo principal del carbón activado, ya que posibilita la eliminación de una mezcla de sustancias presentes en el aire o en el agua, aunque se desco-nozca su composición y su concentración sea baja.

En el mercado se encuentra en una serie de presentaciones, tal como se observa en la Figura 16.4, lo que permite su utilización en variados ambientes y situaciones.

Figura 16.3. Superficie y poros de un carbón activado.

200

En general, el carbón activado actúa de forma efectiva y económica en la eliminación de contaminantes que imparten sabor u olor, pesticidas, hidrocar-buros clorados, sólidos en suspensión, ozono, cloro, vapores de combustibles, contaminantes de aguas residuales, disolventes orgánicos, hidrocarburos, aromá-ticos BTX (benceno, tolueno y xileno), óxidos de nitrógeno, sulfuro de hidrógeno, impurezas gaseosas ácidas o básicas, entre otros.

De ahí que se consuma a gran escala en la purificación y procesado de aire de interiores, aire comprimido y de proceso, efluentes gaseosos industriales, gas natural, granjas, es decir, purificación en fase gaseosa. De igual manera se utiliza en el tratamiento de agua potable, agua industrial y de proceso, agua de piscinas, es decir, eliminación de contaminantes en fase acuosa.

16.3.1 Eliminación de contaminantes en fase acuosa

En aplicaciones en fase líquida o acuosa existen dos formas de utilizar el carbón activado: pulverizado y granular. Ambos carbones tienen características específicas que les hace ser más o menos convenientes para un caso específico. La selección de alguno de ellos lleva consigo la selección de la forma de aplicarlo.

16.3.1.1 Carbón Granular. La única diferencia entre un carbón granular y uno pulverizado es el tamaño de la partícula. Por tanto, el tiempo requerido para obte-ner el mismo resultado es mucho mayor con carbón granular. Este tipo de opera-ción es sobre todo recomendable en procesos continuos con una calidad estable del líquido a purificar y grandes flujos. Tiene la ventaja de que el carbón se puede regenerar y en consecuencia los consumos son menores; sin embargo, la inver-sión requerida es alta y no siempre se justifica.

Es importante recalcar que la capacidad de un carbón granular es la misma que la de uno pulverizado, por lo tanto, la forma de determinar la facilidad de adsorber una determinada impureza es moliendo el carbón y corriendo en labora-torio Isotermas de Freundlich, método utilizado para evaluar la capacidad de dife-

Figura 16.4. Diferentes presentaciones de carbón activado.

201

rentes carbones activados para adsorber una molécula determinada (figura 16.5).

16.3.1.2 Carbones Pulverizados. Cuando se utiliza carbón en polvo, éste es agregado al producto a purificar en un tanque con suficiente agitación para man-tener una suspensión homogénea. Después de dar un tiempo de contacto ade-cuado, el carbón es removido por sedimentación o filtración. En este último caso es recomendable el uso de un filtro, para obtener una filtración más eficiente. De ser posible es recomendable tener un tanque pequeño en el cual se prepare una suspensión del carbón activado (con agua o con un líquido limpio) y se permita que el polvo se humecte perfectamente (figura 16.6).

Figura 16.5. Carbones granulares.

La purificación de agua es la aplicación más importante del carbón activado. Actúa con tanta eficiencia que la adsorción con carbón activado es reconocida como la mejor tecnología de control para el tratamiento de agua. En el tratamien-to de agua el carbón activado actúa solamente como adsorbente, y tiene el papel de mejorar el sabor y olor del agua, eliminar contaminantes como pesticidas, y reducir la materia orgánica natural y así limitar al máximo la formación de subpro-ductos de desinfección.

La forma de aplicarlo es muy versátil y no requiere inversión. El carbón acti-vado en polvo se adiciona al agua formando una suspensión, habitualmente en el tanque donde se adiciona el coagulante, y se elimina a la vez que otras sustan-cias por sedimentación o filtración. Si las impurezas del agua se mantienen más o menos constantes y hay que depurar el agua todo el año, se prefiere el carbón activado granular (figura 16.7).

Figura 16.6. Carbón activado en polvo.

Figura 16.7. Uso de carbón activado en pol-vo para tratamiento de líquidos.

202

16.3.2 Purificación en fase gaseosa

Los carbones activados para aplicaciones en fase gaseosa son usados en gran escala, en la purificación de aire, purificación de gases de proceso, recupe-ración de solventes, protección ambiental y como catalizador.

La naturaleza y concentración del contaminante, junto con las condiciones específicas del proceso determinan qué tipo de carbón debe utilizarse; general-mente, debido a que el tamaño de las moléculas de los vapores es relativamente pequeño, se requiere del uso de carbones microscópicos.

Por ejemplo, la recuperación de vapores de gasolina que escapan de los tanques de combustible de los vehículos, es una necesidad en países que han introducido regulaciones sobre sistemas de control de emisión de vapores al aire, donde los estándares son cada vez más severos. Una manera fácil de prevenir las emisiones es utilizar un cannister relleno con carbón activado.

Los vapores de gasolina procedentes del tanque del combustible entran en el cannister a través de un tubo y las moléculas de hidrocarburo son adsorbidas sobre la superficie del carbón activado. Cuando el vehículo se pone en marcha, se limpian estos vapores pasando aire a través del carbón y los hidrocarburos desorbidos pasan al motor, regenerándose el carbón. En esta aplicación, el carbón activado actúa como adsorbente en fase gaseosa, eliminando del aire los hidrocarburos más volátiles que contiene la gasolina.

Los parámetros más importantes de los que depende el buen desempeño de los carbones activados en fase gaseosa son los que se indican a continuación:Concentración del adsorbato (o contaminante). Sólo cuando la corriente de vapor a tratar esté completamente saturada, todos los poros del carbón se llenarán con el adsorbato. Entre más baja sea la concentración del adsorbato sólo los micropo-ros más pequeños tendrán la energía de adsorción suficiente para adsorberlo.

Temperatura de adsorción. En términos generales a mayor temperatura se reduce la capacidad de adsorción debido a:

• Contenido de energía. A mayor temperatura se incrementa el contenido de energía, por lo que el adsorbato requiere de mayor energía para mantenerse en estado líquido, lo que influirá de manera directa en el equilibrio de adsor-ción.

• Presión de vapor saturado. A mayor temperatura se incrementa la presión de vapor, por lo que es más difícil mantener al adsorbato en estado líquido.

• Densidad del adsorbato. La densidad del adsorbato disminuye al aumentar la temperatura.

Naturaleza del adsorbato. Mientras más compleja sea la mezcla de adsorbato a tratar con mayor facilidad será adsorbida.

Punto de ebullición del adsorbato. Entre más alto es el punto de ebullición del adsorbato, se requiere de un carbón con mayor grado de actividad.

Humedad relativa del carbón. Una alta humedad relativa conduce a un alto

203

contenido de humedad en el carbón lo que inhibe fuertemente su capacidad de adsorción.

De esta manera, las aplicaciones para fase gaseosa pueden dividirse en los siguientes grupos que se indican.

16.3.2.1 Purificación de gases de proceso. El carbón activado es particular-mente efectivo para adsorber impurezas presentes en concentraciones bajas, donde normalmente cualquier otra técnica resulta más costosa. Algunos ejemplos de este tipo de aplicación son:

• Remoción de contaminantes ácidos como: SO2, HCl, HF, Cl2.

• Remoción de compuestos sulfurosos tales como H2S y otros.

• Eliminación de residuos de aceites lubricantes presentes en aire o gases comprimidos.

• Remoción de trazas de vapores de mercurio presentes en combustibles ga-seosos.

16.3.2.2 Purificación de aire. El carbón activado normalmente es el medio más eficiente para controlar las emisiones peligrosas, o de malos olores, de una gran variedad de procesos industriales. Dependiendo de la eficiencia de remoción requerida, el tiempo de contacto necesario podrá ser de fracciones de segundo.

16.3.2.3 Recuperación de solventes. En muchos procesos industriales que utilizan solventes orgánicos se tienen pérdidas por evaporación de los mismos. El uso de sistemas con carbón activado permite su recuperación a un costo que en muchos casos resulta menor que el costo del solvente recuperado.

Estos sistemas de recuperación constan de dos etapas. En una primera eta-pa, la corriente de gas y solvente pasa a través de una cama de carbón. El car-bón adsorbe los vapores hasta saturarse. En una segunda etapa, el adsorbedor sale de operación y se somete a un proceso de “desorción” para lo cual se pasa a través de la cama de carbón una corriente de vapor de baja presión o un gas inerte caliente. Una vez completado el ciclo de “desorción” el adsorbedor vuelve a entrar en operación. Por su parte el solvente es recuperado de los condensados o del gas inerte por alguna técnica de separación apropiada.

16.3.2.4 Otros usos. Existen algunas otras aplicaciones de carbón activado en fase gaseosa entre las que destacan: mascarillas industriales y respiradores como protección contra gases tóxicos, mascarillas para uso militar, como cataliza-dor o soporte de catalizador (por ejemplo en el proceso “Merox” de endulzado de gasolinas).

También la medicina lo aprovecha como agente adsorbente para tratar enve-nenamientos y sobredosis por ingestión oral, previniendo la absorción del veneno en el estómago. Claro está que su uso médico está supeditado a la administra-ción por especialistas, ya que el uso incorrecto de este producto puede producir broncoaspiración (ingresa a los pulmones) lo que puede causar la muerte si no es controlado.

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16.4 Mercado del Carbón Activado

Para la industria de los adsorbentes microporosos más del 90% del mercado corresponde a tres productos: las zeolitas, los carbones activados granulares y polímeros sintéticos. El cuadro 16.1 entrega una relación del mercado de estos compuestos y la participación de ellos en el total de las ventas para el año 2001.

Se observa que las zeolitas ocupan el 62% de mercado mundial de estos compuestos; sus rangos de aplicación son muy variados y va desde la fabricación de detergentes hasta el soporte para catálisis en la industria química y petrolera.

Cuadro 16.1 Mercado de los adsorbentes microporosos para el año 2001. Adsorbente Ventas (Millones de US$) Zeolitas 1.100 Carbones activados granulares 334 Polímeros sintéticos 177 Otros 167 Total 1.778

En tanto, a escala mundial, el 70% del carbón activado es usado para apli-caciones sobre fase líquida y el resto en aplicaciones sobre fase gaseosa. Para los usos sobre fase líquida, cerca de un 55% usa carbón activado granular, el resto equivale a carbón activado en polvo. Para fase gaseosa se usa en un 88% carbón activado granular. En el año 2000, la producción mundial de carbón acti-vado alcanzó las 620.000 toneladas. Dicha producción ha mantenido una tasa de crecimiento del 7% por año, y se espera que continúe creciendo a tasas similares debido a la demanda creciente de estándares ambientales más estrictos, una alta actividad industrial, mejores estándares de vida, etc.

Estados Unidos, China y Japón contribuyen un 60% de la producción mundial de carbón activado. Japón, Europa y Estados Unidos son los mayores importa-dores de este producto en el mundo. En tanto que los principales abastecedores para Japón incluyen a China y Filipinas, mientras que los principales abastecedo-res de Estados Unidos son China, Filipinas, Sri Lanka, Brasil y México.

Un estudio publicado en el año 2003 por el “Freedonia Group”, muestra la evolución del mercado de los carbones activados en Estados Unidos; además de una proyección para el año 2007, ésta se presenta en el cuadro 16.2.

Cuadro 16.2. Carbón activado oferta y demanda (US$ millones) para los E.E.U.U.

DemandaDemanda por Tipo de Producto Granular En PolvoDemanda por Área de Aplicación Fase Líquida Fase Gaseosa

1987

111113

17648

1992

127120

19948

1997

180159

26574

2002

240200

337103

2007

320250

430140

Fuente: Freedonia Group, Cleveland (2003) en Acevedo (2006).

205

Los precios del carbón activado varían en un amplio rango de precios, que van desde los US$ 1.000 la tonelada para carbones en polvo de bajo grado, has-ta más de US$ 12.000 la tonelada para carbones impregnados de uso especial. Algunos precios típicos de carbones activados en los mercados internacionales son:

• Hasta US$ 1.000 la tonelada para carbones activados en polvo de bajo grado, generalmente chinos y que poseen usos en algunas aplicaciones de tratamiento de aguas.

• Entre 1.200 y 1.750 US$/ton, para carbones activados hechos de carbón mi-neral, generalmente producidos en Reino Unido y Australia, para ser usados en la industria de tratamiento de aguas y aplicaciones de decoloración.

• Entre 2.500 y 4.500 US$/ton, para carbones activados usados en la minería para la recuperación de oro.

• De 3.000 hasta 7.000 US$/ton, para carbones activados de características es-peciales, para eliminar en corto tiempo olores y sabores desde agua potable.

• US$ 12.000 y más, para carbones activados granulares, de alto grado, im-pregnados con aditivos para aplicaciones especiales.

Los precios promedios de los carbones activados granulares proyectan un aumento del orden del 1,9% al año, con una proyección creciente en la demanda para los próximos años.

Los carbones activados no son todos iguales. Hoy día existen nichos para carbones activados específicos y las tecnologías asociadas a la producción de éstos. Algunas aplicaciones demandan carbones para tratar compuestos como MTBE (metil ter-butil eter), percloratos, radón y arsénico al igual que otros ni-tratos, en fase líquida, y mercurio en la fase de vaporización de las plantas de generación de energía que usan como combustible el carbón.

Los principales proveedores de carbones activados se encuentran en Eu-ropa, Japón, China y Estados Unidos. Un listado de las principales empresas productoras de carbón activado para el año 1997 se presenta en el cuadro 16.3.

Cuadro 16.3. Principales empresas productoras de carbón activado (1997).

EmpresaNORITCALGON CARBON & CHEMVIROMTAKEDA CHEMICALMINDONG LIANYIWESTVACOCASITANCECAKURARAY COMPANYFUTAMURA CHEMICAL INDUSTRIESATOCHEM

LocalizaciónEuropaEuropaJapónChina

Estados UnidosMalasiaEuropaJapónJapón

Inglaterra

Capacidad Instalada (ton/año)89854030272520201815

206

16.5 Beneficios

Existe un potencial mercado nacional para dar uso a la cáscara de arroz y residuos de la industria del aserrío (lampazos, astillas, corteza y aserrín) como materia prima para producir carbones activados que ayuden a la descontamina-ción, ya que la normativa ambiental actual exige al sector industrial una mayor inversión en sistemas de descontaminación.

Para los carbones activados la materia prima más usada es la cáscara de coco debido a que produce un carbón de excelentes propiedades; sin embargo, la demanda mundial de este tipo de carbones es de tal magnitud que no existe suficiente suministro de cáscara de coco a nivel mundial para poder satisfacerla, en tanto que el suministro de cáscara de arroz en la actualidad es suficiente.

En general las empresas madereras no le asignan valor a sus residuos, especialmente al aserrín, de hecho la mayoría de estas empresas simplemente lo queman como una forma de deshacerse de ellos, sin medir el peligro permanente que implica esto y el derroche de energía en términos calóricos.

La situación de los molinos arroceros es muy similar a la de las empresas madereras, la cáscara de arroz resultante de sus procesos productivos, es acu-mulada sin darle un uso práctico, al igual que para los residuos madereros no posee un valor y de existir un poder comprador los empresarios le asignarán un mayor precio.

Este hecho presenta ventajas comparativas, ya que se podría aprovechar estos volúmenes de residuos a bajo costo como materia prima para la producción de carbones activados impregnados para ser usados en aplicaciones especiales en fase gaseosa. Esto permitirá disponer de un producto que no se desarrolla en nuestro país a un costo competitivo dándole un uso a residuos que actualmente representan un serio problema ambiental.

Esto puede generar importantes beneficios económicos, ya que al existir demandantes de nuevas tecnologías de descontaminación a partir de fuentes renovables, se podría crear un nicho de mercado para que algunas empresas se dedicaran a producción de carbones activados a base de recursos lignocelulósi-cos.

Lo mencionado anteriormente puede dar origen a la creación de nuevas empresas. Por ejemplo, pudieran surgir pequeñas empresas dedicadas a la recolección, carguío, transporte y descarguío de la cáscara de arroz y residuos industriales forestales, hasta las plantas donde se producen carbones activados, con la consiguiente contratación de mano de obra no especializada y generación de empleos.

ACTIVATED CARBON INDUSTRIESFU YANG ACTIVATED CARBONSCIENTIFIC CARBONSROYAL OAKOTROS

AustraliaChina

Estados UnidosEstados Unidos

Total

101087

144550

207

Es importante considerar que en la medida que se implementen nuevas tecnologías de descontaminación basadas en recursos naturales renovables, el beneficio sobre el medioambiente es evidente, ya que se contribuye a disminuir una cantidad importante de residuos, dándoles un uso eficiente.

16.6 Costos y Financiamiento

La producción de carbón activado a partir de cualquier materia prima es una tecnología cara, ya que requiere de equipos y materiales de alto costo. Por ejemplo, un Analizador de Área Superficial cuesta del orden de los MM$ 18. En tanto que la implementación de una unidad piloto para la producción de carbón activado a escala experimental cuesta del orden de los MM$ 70, considerando solamente equipos de laboratorio (pelletizador y analizador de área superficial, entre otros).

El Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (FONDECYT), ha financiado iniciativas en torno a los carbones activados, aunque sólo en fases de investigación y no de implementación. Los proyectos FONDECYT que tienen alguna relación con el uso de los carbones activados son: • “Eliminación de compuestos orgánicos tóxicos en base a ozonización en

presencia de carbón activado”.

• “Catalizadores de hidrotratamiento basado en sulfuros de Renio y de Wolfra-mio, promovidos por Níquel, soportados sobre zeolita ultraestable, alumina, carbón activado”.

• “Uso combinado de ozono y carbón activado para incrementar la biodegrada-bilidad de efluentes complejos derivados del blanqueo de celulosa Kraft”.

• “Catalizadores de hidrotratamiento: sulfuros de Ni y W soportados sobre zeo-lita USY y sobre carbón activado”.

• “Eliminación de compuestos orgánicos, amoniaco y aminas mediante oxida-ción catalítica selectiva en fase acuosa (CWAO) en catalizadores metálicos soportados en carbón activado”.

• “Carbones activos de origen vegetal para la adsorción de pentaclorofenol”.

• “Carbones activos de cuescos de duraznos y Eucaliptus globulus para la adsorción de complejos de oro”.

• “Activación química del aserrín de pino insigne. Influencia del agente activan-te y de las variables de activación en las propiedades del carbón activado y en su comportamiento en procesos de clarificación”.

Los proyectos uno al cinco están orientados al estudio de los carbones acti-vados como sustrato para los fenómenos de catálisis y no hacia la producción de carbones activados y están referidos al uso en la descontaminación por adsorción sobre fase líquida.

208

16.7 Patentes Relacionadas con Carbón Activado

En Chile no existen patentes relacionadas con el uso de carbones activados. En tanto en Estados Unidos existen las siguientes:

• Patente N° 4.111.833 de Septiembre de 1978 “Activated carbon material”, esta patente está relacionada con la producción de carbones activados im-pregnados para la adsorción de Iodo.

• Patente N° 4.125.482 de Noviembre de 1978 “Method of preparing magne-sium oxide impregnated activated carbon”, esta patente está relacionada con la impregnación de carbones activados comerciales con óxidos de magnesio para su uso en la industria aceitera.

• Patente N° 4.273.751 de Junio de 1981 “Removal of acidic contaminants from gas streams by caustic impregnated activated carbon”, esta patente está relacionada con la preparación a partir de carbones comerciales de un carbón activado impregnado con hidróxido de sodio para la adsorción de gases ácidos.

• Patente N° 4.394.354 de Julio de 1983 “Silver removal whith halogen impreg-nated activated carbon”, esta patente está relacionada con la producción de carbones activados impregnados con halógenos para la adsorción de plata en sistemas de fotografía.

• Patente N° 4.425.256 de Enero de 1984 “Conversion of cellulose into activa-ted charcoal”, esta patente está relacionada con la producción de carbón y carbón activado a partir de la madera almacenada a través de la adición de temperatura en ambientes controlado.

• Patente N° 5.024.682 de Junio de 1991 “Caustic-impregnated activated carbon for removal of hidrogen sulfide”, esta patente está relacionada con la producción de un carbón activado impregnado con hidróxido de potasio para la eliminación de sulfuro de hidrógeno.

• Patente N° 5.202.302 de Abril de 1993 “Preparation of activated carbons by impregnation whith a boron compound and a phosphorus compound”, esta patente está relacionada con la producción de un carbón activado impregna-do sin indicar el uso para éste.

• Patente N° 5.391.534 de Febrero de 1995 “Process for producing activated charcoal”, esta patente está relacionada con la producción de un carbón acti-vado impregnado con ácido fosfórico y sustancias húmicas sin indicar el uso para éste.

• Patente N° 5.492.882 de Febrero de 1996 “Chromium-free impregnated acti-vated universal respirator carbon for adsorption of toxis gases and/or vapors in industrial applications”, esta patente está relacionada con la producción de un carbón activado impregnado para su uso en filtros.

• Patente N° 5.391.534 de Febrero de 1995 “Process for producing activated charcoal”, esta patente está relacionada con la producción de un carbón acti-

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vado impregnado con ácido fosfórico y sustancias húmicas sin indicar el uso para éste.

• Aplicación N° US 2001/0002387 A1,”Bromine-impregnated activated carbon and process for preparing the same”, esta patente está relacionada con la producción de un carbón activado impregnado para la eliminación de azufres alcalinos.

• Aplicación N° US 2002/0100734 A1,”Oxidation catalyst, method for preparing the same, method for recycling the same and method treating wastewater using the same”, esta patente está relacionada con el uso de los carbones activados como sustratos para el desarrollo de fenómenos de catálisis.

16.8 Glosario

Acido Sulfhídrico (H2S): ácido inorgánico formado por la disolución y disociación en agua del sulfuro de hidrógeno. El ácido sulfhídrico se emplea tradicionalmen-te en la marcha catiónica para precipitar unos cationes de metales pesados que luego se separan por otros métodos. El sulfhídrico es responsable del ennegreci-miento de algunas pinturas basadas en carbonato de plomo por la formación del sulfuro de plomo (II) de color negro.

Acido Clorhídrico (HCl): el ácido clorhídrico, hidroclórico o todavía ocasional-mente llamado, ácido muriático, es una disolución acuosa del gas cloruro de hi-drógeno (HCl). Es muy corrosivo y ácido. Se emplea comúnmente como reactivo químico y se trata de un ácido fuerte que se disocia completamente en disolución acuosa. A temperatura ambiente, es un gas incoloro a ligeramente amarillento, corrosivo, no inflamable, más pesado que el aire, de olor fuertemente irritante. Cuando se expone al aire, forma vapores corrosivos densos de color blanco. Se usa, por ejemplo, para limpiar, tratar y galvanizar metales, curtir cueros, y en la refinación y manufactura de una amplia variedad de productos.

Acido Fluorhídrico (HF): el ácido fluorhídrico es la solución acuosa de fluoru-ro de hidrógeno, compuesto químico formado por hidrógeno y flúor (HF)X. Se utiliza en química orgánica en la obtención de compuestos orgánicos fluorados, como catalizador en petroquímica, para obtener criolita (Na3AlF6) artificial que se emplea en la obtención del aluminio, fluoruros inorgánicos como el hexafluoruro de uranio (UF6) y a veces como disolvente. También es utilizado en la industria y preparación de vidrio o cristal en el tallado y grabado del mismo.

Adsorción: unión de los átomos, iones o moléculas de un gas o de un líquido (adsorbato) a la superficie de un sólido o líquido (adsorbente). En la absorción, las moléculas de la sustancia adsorbida penetran en todo el volumen del sólido o líquido adsorbente.

Arsénico (As): elemento químico semimetálico de símbolo As y extremadamente venenoso. El arsénico se usa en grandes cantidades en la fabricación de vidrio para eliminar el color verde causado por las impurezas de compuestos de hierro. A veces se añade al plomo para endurecerlo, y también se usa en la fabricación de gases venenosos militares como la lewisita y la adamsita.

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Bagazo: residuo de materia después de extraído su jugo. Una clase de bagazo es el resto de uva que queda después de extraer el mosto. Está constituido por el hollejo o piel de la uva, las semillas y los cabos de los racimos. Este bagazo recibe el nombre de orujo. De él se obtiene, mediante destilación en alambique, el aguardiente también llamado orujo. Otra clase de bagazo es el residuo leño-so de la caña de azúcar. En estado fresco estos bagazos contienen un 40% de agua. Suelen utilizarse como combustible de las propias azucareras. También se utilizan en la industria del papel y fibras, por la celulosa que contienen.

Butano (C4H10): cualquiera de los dos hidrocarburos saturados o alcanos, de fórmula química C4H10. Constituyen el componente más volátil de la gasolina, y a menudo se les añade propano en la elaboración del gas embotellado.

Cannister: filtro que absorbe el vapor de gasolina en los estanques de combusti-ble de los vehículos.

Carbonato de potasio: el carbonato de potasio, más conocido como Potasa, es una sal blanca soluble en agua (insoluble en alcohol), que forma soluciones alcalinas fuertes, o lo que es lo mismo, es una sal ácida fuerte. Se suele formar como producto de la reacción química entre el hidróxido de potasio (KOH) y el dióxido de carbono (CO2). Además es una sustancia higroscópica, que aparece a menudo como un sólido a base de agua. Se usa normalmente para la fabricación de jabón y vidrio y es el componente principal de la potasa cáustica tal como se encuentra en la naturaleza.

Carbonización: reducción a carbón de un cuerpo orgánico.

Catalizador: dispositivo incorporado a los sistemas de escape del automóvil para reducir la cantidad de sustancias contaminantes en cualquier gas de escape. El catalizador contiene pequeñas bolitas recubiertas de metal (paladio o platino). Cuando los gases de escape pasan por el catalizador, estos metales actúan como sustancias catalizadoras que favorecen reacciones químicas y transforman el monóxido de carbono y determinados hidrocarburos, en algo más inocuo, como el dióxido de carbono o el agua.

Clarificación: es el proceso por medio del cual se agrega una sustancia adsor-bente o reactiva para reducir o para quitar la concentración de unos o más com-ponentes indeseables. Los agentes clarificantes, como el carbón, se utilizan para alcanzar claridad y para mejorar color, sabor y estabilidad física de productos alcohólicos como el vino.

Cloro (Cl2): el cloro es un elemento químico que en condiciones normales y en estado puro es un gas amarillo-verdoso formado por moléculas biatómicas (Cl2), unas 2,5 veces más pesado que el aire, de olor desagradable y venenoso. Es un elemento abundante en la naturaleza y se trata de un elemento químico esencial para muchas formas de vida.

Dióxido de Carbono (CO2): el dióxido de carbono, también denominado óxido de carbono (IV) y anhídrido carbónico, es un gas cuyas moléculas están compuestas por dos átomos de oxígeno y uno de carbono. Es un gas resultante de la combus-tión de combustibles fósiles.

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Dióxido de azufre (SO2): el óxido de azufre (IV) o dióxido de azufre es un gas incoloro con un característico olor asfixiante. Tiene propiedades desinfectantes. Por esto fue utilizado durante siglos en la desinfección por ejemplo de las cubas de vino quemando azufre en su interior.

Fenol: compuesto orgánico aromático de fórmula C6H5OH. Es débilmente áci-do y se asemeja a los alcoholes en su estructura. El término fenol se usa para denominar a cualquiera de los compuestos de carácter ácido que son derivados hidroxilados de los hidrocarburos aromáticos, por ejemplo, los metilfenoles (cre-soles) y la resorcina.

Grafito: una de las tres formas alotrópicas del carbono; las otras son el diamante y el carbón. El grafito también se llama plumbagina o plomo negro. En la natura-leza siempre se encuentra en forma de mineral con impurezas. Se puede fabricar cociendo una mezcla de coque de petróleo y de brea de carbón a 950 °C durante un tiempo que oscila entre 11 y 13 semanas. Se usa en electrodos para la indus-tria electroquímica, donde se despiden gases corrosivos; en los hornos eléctricos que alcancen temperaturas muy altas; como lubricante, solo o mezclado con grasa, aceite o agua; en crisoles que deban soportar temperaturas extremas; y en pinturas industriales. Se ha utilizado también como moderador en reactores nucleares, donde el material de la mayor pureza que se obtiene frena sin capturar los neutrones creados en el proceso de fusión que produce la energía nuclear.

Materiales lignocelulósicos: materiales ricos en celulosa, hemicelulosa y lignina (paja, rastrojos de cosecha y residuos de la explotación agrícola y forestal).

Metano (CH4): es un gas, es el hidrocarburo alcano más sencillo. Es una sustan-cia no polar que se presenta en forma de gas a temperaturas y presiones ordi-narias. Es incoloro e inodoro y apenas soluble en agua en su fase líquida. En la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción anaeróbica de las plantas, este proceso natural se puede aprovechar para producir biogás. Puede constituir hasta el 97% del gas natural. En las minas de carbón se le denomina grisú y es muy peligroso por su facilidad para inflamarse.

Monóxido de carbono (CO): monóxido de carbono (II) u óxido de carbono (II) es un gas inodoro, incoloro, inflamable y altamente tóxico. Puede causar la muerte cuando se respira en niveles elevados. Se produce cuando se queman materiales combustibles como gas, gasolina, keroseno, carbón, petróleo, tabaco o madera en ambientes de poco oxígeno. Las chimeneas, las calderas, los calentadores de agua o calefones y los aparatos domésticos que queman combustible, como las estufas de la cocina o los calentadores a parafina, también pueden producirlo si no están funcionando bien. Los vehículos detenidos con el motor encendido también lo despiden.

METBE (metil ter-butil eter): biocarburante de origen fósil que en la actualidad se emplea como aditivo de la gasolina sin plomo para aumentar su octanaje.

Nanómetro: medida de longitud que equivale a la milmillonésima (10-9) parte del metro.

Oxidación: la oxidación es una reacción química donde un compuesto cede

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electrones, y por lo tanto aumenta su estado de oxidación. La reacción química opuesta a la oxidación se conoce como reducción, es decir cuando una especie química acepta electrones. Estas dos reacciones siempre se dan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida, siempre es por la acción de otra que se reduce. Una cede electrones y la otra los acepta.

Óxidos de Hierro: existen 16 óxidos de hierro conocidos. Estos compuestos son óxidos (Hematita, Magnetita, Maghemita, β-Fe2O3, ε-Fe2O3, Wüstite), o hidróxi-dos y oxihidróxidos (Goetita, Lepidocrocita, Akaganeíta, Feroxihita, δ-FeOOH, FeOOH de alta presión, Ferrihidrita, Bernalita, Fe(OH)2, green rusts). Algunos de estos óxidos son utilizados en cerámica, particularmente en vidriados. Los óxidos de hierro, como los óxidos de otros metales, proveen el color de algunos vidrios después de ser calentados a altas temperaturas. También son usados como pigmento.

Pelletizar: tecnología de procesos para la compactación. Proceso por el cual por medio de la aplicación de presión se fabrican pellets, los que dependiendo de la materia prima de origen, son usados para combustión o alimentación animal.

Percloratos: los percloratos son las sales del ácido perclórico HClO4. Los per-cloratos se utilizan en formulaciones en pirotécnica (fuegos artificiales), en la elaboración de explosivos y combustibles de cohetes. Además se emplean como herbicidas.

Permanganato de potasio: el permanganato de potasio (KMnO4) es un com-puesto químico formado por iones potasio (K+) y permanganato (MnO4−). Es un fuerte agente oxidante. Tanto sólido como en solución acuosa presenta un color violeta intenso. Es utilizado como agente oxidante en muchas reacciones químicas en el laboratorio y la industria. También se usa como desinfectante y en desodorantes. Se utiliza para tratar algunas enfermedades parasitarias de los peces, así como en el tratamiento del agua potable, y como antídoto en los casos de envenenamiento por fósforo.

Pirólisis: descomposición de un compuesto químico por acción del calor. Polaridad: propiedad que tienen los agentes físicos de acumularse en los polos de un cuerpo y de polarizarse. La polaridad es una propiedad de las moléculas que representa la desigualdad de las cargas eléctricas en la misma. Una molécu-la es polar cuando uno de sus extremos está cargado positivamente, y el otro de manera negativa. Cuando una molécula es apolar, estas cargas no existen.

Punto de ebullición: temperatura a la que la presión de vapor de un líquido se iguala a la presión atmosférica existente sobre dicho líquido.

Radón: de símbolo Rn, es un elemento gaseoso radiactivo, inodoro e incoloro, el más pesado de los gases nobles del sistema periódico.

Zeolita: adsorbente microporoso que permite la eliminación de muchos de los compuestos contaminantes generados por las industrias.

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