El Carbón Activado

CARBÓN ACTIVADO

Ciudad Universitaria, 2014

INTRODUCCIÓN

► El carbón activado es un material de carbón poroso.

► Los carbones activados tienen un área superficial excepcionalmente alta, poseen una capacidad de adsorción elevada y se caracterizan por una cantidad grande de microporos.

► El carbón activado se utiliza en la extracción de metales, la purificación del agua, en medicina, purificación de glicerina, en máscara antigás, en filtros de purificación y en controladores de emisiones de automóviles, entre muchos otros usos.

HISTORIA

►Antes de lo que ahora conocemos como carbón activado, ya se empleaba el carbón vegetal como adsorbente.

►Los primeros usos tienen lugar en aplicaciones médicas.

► 1500 a.C. se encontró un papiro en Tebas (Grecia) donde se explica el uso del carbón vegetal como adsorbente en prácticas médicas.

HISTORIA

► En el año 400 a.C., Hipócrates recomienda filtrar el agua con carbón vegetal para eliminar malos olores y sabores y para prevenir enfermedades.

► En 1793, el Dr. D.M. Kehl utiliza el carbón vegetal para mitigar los olores emanados por la gangrena.

► En 1794, en Inglaterra, se utilizó como agente decolorizante en la industria del azúcar.

► En 1872 aparecen las primeras máscaras con filtros de carbón activo.

HISTORIA

►R. Von Ostrejko, considerado el inventor del carbón activo, en 1901 patentó dos métodos diferentes para producir carbón activo.

►La Primera Guerra Mundial, y el uso de agentes químicos durante esta contienda, trajeron como consecuencia la necesidad urgente de desarrollar filtros de carbón activado para máscaras de gas.

CARBÓN ACTIVADO

►Producto obtenido a partir del carbón amorfo, el cual se ha sometido a un tratamiento de activación con el fin de incrementar su área superficial hasta en 300 veces debido a la formación de “poros” internos, puede alcanzar áreas de 1200 – 1500 metros cuadrados por gramo de carbón.

►Al incrementar su área se multiplica la capacidad de adsorción del carbón.

CARBÓN ACTIVADO

PROCESOS DE OBTENCIÓN

1. Activación química (Deshidratación con ácidos y bases)

► Este proceso requiere del uso de energía y temperatura entre 400º y 800ºC.

► Los agentes activantes más usados industrialmente son el cloruro de zinc (ZnCl2), ácido fosfórico (H3PO4) y el hidróxido de potasio (KOH).


► La activación con H3PO4 implica las siguientes etapas:

1. Molienda y clasificación del material de partida.

2. Mezcla del precursor con H3PO4 (reciclado y fresco).

3. Tratamiento térmico en atmósfera inerte entre 100º y 200ºC, seguido de un nuevo tratamiento térmico hasta 400º - 500ºC.

4. Lavado, secado y clasificación del carbón activado, y reciclado del H3PO4. La proporción H3PO4; precursor más empleada suele ser 1:5 (aunque proporciones diferentes dan lugar a carbones con distintas propiedades), el rendimiento en carbón activado suele ser del 50%.


► En esta activación el KOH se mezcla con el precursor, en una suspensión acuosa o mediante una simple mezcla física, en proporciones KOH; precursor entre 2:1 y 4:1.

►Cuando la impregnación tiene lugar en medio acuoso, la activación se lleva a cabo en dos tratamientos térmicos el primero a temperaturas bajas, pero superiores a 200ºC y el segundo entre 700º y 900ºC.

► En el caso de una mezcla física no es necesario llevar a cabo el primer tratamiento.

Diagrama de Activación Química

PROCESOS DE OBTENCIÓN 2. Activación física, de vapor o térmica (gasificación

parcial) ► Este proceso requiere también de uso de energía y

temperaturas elevadas. 2.1. Carbonización o pirólisis; se obtiene el carbonizado por

descomposición térmica de la materia prima. Este constituye un producto de estructura porosa poco desarrollada, que presenta propiedades absorbentes muy limitadas.

2.2. Activación; el carbón es sometido a la acción de gases activantes. Este proceso se efectúa a temperaturas que varían desde 800º hasta 1000ºC y como resultado se obtiene producto de estructura porosa muy desarrollada, con un área superficial que puede llegar hasta los 2000m2/g, con elevadas propiedades de adsorción, que constituyen la base de su amplia y variada aplicación industrial.

Diagrama de la activación física

PROCESO GRÁFICO DE ACTIVACIÓN

Al momento de activar un carbón se forman poros de distintos tamaños:

►Macroporos: su importancia radica en que actúan como vías de acceso a los poros medios y microporos.

►Mesoporos: poros medios, con radio de 20 – 500 Amstrongs, su tamaño les permite adsorber moléculas de tamaño mediano que por lo general están presentes en jarabes de azúcar.

►Microporos: poros con un radio de 20 Amstrongs o menos, son útiles para adsorber moléculas muy pequeñas

PROCESO GRÁFICO DE ACTIVACIÓN

PROPIEDADES

► Los poros le brindan una gran área superficial y, por lo tanto, una alta capacidad adsorbente. El área de la mayoría de los carbones activados comerciales está entre 500 y 1500 m2/g.

►Actúa como adsorbente.

► El carbón activado tiene una gran variedad de tamaños de poros que pueden clasificarse, en poros de adsorción y poros de transporte.

►Dureza o resistencia a la abrasión

PROPIEDADES

Adsorción con carbón activado

►La absorción es un proceso donde un sólido se utiliza para quitar una sustancia soluble del agua.

►El carbón activado se produce específicamente para alcanzar una superficie interna grande que hace que el carbón tenga una adsorción ideal.

►Dos variaciones: Carbón activado en polvo (PAC) y carbón activado granular (GAC).

Descripción de la adsorción

Las moléculas a partir de la fase del gas o del líquido serán unidas de una manera física a una superficie, en este caso la superficie es de carbón activo. El proceso de la adsorción ocurre en tres pasos:

►Macro transporte

►Micro transporte

►Absorción


►La adsorción se basa en la concentración de la sustancia en el agua, la temperatura y la polaridad de la sustancia.

►Una sustancia polar no puede ser eliminada por el carbón activo, una sustancia no polar si puede.

►Cada clase de carbón tiene su propia isoterma de adsorción y esta isoterma viene definida por la función de Freundlich.

Función de Freundlich

► x/m = sustancia adsorbida por gramo de carbón activo

►Ce = diferencia de concentración (entre antes y después)

►Kf, n = constantes específicas

1n

f e

x=K C

m

¿Cuál es la diferencia entre absorción y absorción?

►Cuando una sustancia se adhiere a una superficie se habla de adsorción, es este caso, la sustancia se adhiere a la superficie interna del carbón activo. Cuando la sustancia es absorbida en un medio diferente esto es llamado absorción. Cuando un gas es atraído dentro de una solución se habla de absorción.


►Se ve la adsorción isotérmica específica para el carbón activo.


►Nos muestra el agotamiento durante el uso de su columna.

Factores que influyen en la absorción de compuestos presentes en el agua

► El tipo de compuesto que desee ser eliminado. Los compuestos con elevado peso molecular y baja solubilidad se absorben más fácilmente.

► La concentración del compuesto que desea ser eliminado. Cuanto más alta sea la concentración, más carbón se necesitará.

► Presencia de otros compuestos orgánicos que competirán con otros compuestos por los lugares de adsorción disponibles.

► El pH del agua. Por ejemplo, los compuestos ácidos se eliminan más fácilmente a pHs bajos.

Muy alta probabilidad

Alta probabilidad

Probabilidad moderada

No es probable

TIPOS DE CARBÓN ACTIVADO

►Carbón activado en polvo (CAP) y carbón activado granular (CAG).

► Los CAP siendo los tamaños típicos entre 15 y 25 µm.

► Los CAG presentan un tamaño medio entre 1 y 5 mm.

Carbón activado troceado (o sin forma). Carbón activado conformado (o con una forma

específica, cilindros, discos, etc.). ► Existen otras formas, como las fibras de carbón

activadas, las telas y los filtros de carbón activado, las estructuras monolíticas, las membranas de carbón, etc.

TIPOS DE CARBÓN ACTIVADO

APLICACIONES

► Madera de pino

Agua residual con colores intensos y/o con cantidades sustanciales de grasas, aceites. Potabilización de agua superficial con alto contenido de materia orgánica natural

Se requiere un carbón activado macroporoso. Debido a que es poco duro se aplica en polvo.

APLICACIONES

► Carbón mineral lignítico

Agua residual cuyos contaminantes sean muy diversos, como es el caso de las de procedencia municipal.

Carbón activado de poros de diversos tamaños. La dureza de este carbón es relativamente baja.

APLICACIONES

►Carbón mineral bituminoso

Agua residual en la que predominen contaminantes de peso molecular intermedio. Potabilización de agua superficial o con un ligero color producido por algas.

Carbón activado con poros el rango bajo de la mesoporosidad. Es menos duro que el de coco, pero más adecuado cuando hay un alta proporción de contaminantes no volátiles

APLICACIONES

► Concha de coco

Potabilización de agua de pozo. Eliminación de olor, sabor y compuestos volátiles en agua superficial. Agua residual contaminada con solventes volátiles o con otras moléculas de bajo peso molecular. Decloración.

Carbón con más proporción de microporos, por lo tanto es el más adecuado para retener moléculas pequeñas. Es el carbón utilizado cuando solamente se requiere declorar, ya que es el más duro y resistente a la abrasión.

APLICACIONES

EN FASE LÍQUIDA ► Se utiliza el carbón activo en polvo y granular. ► Impurezas que causan color, olor y sabor en el

agua potable, líquidos de procesos alimenticios, líquidos de procesos químicos

►Color, compuestos orgánicos tóxicos y metales ligados a moléculas orgánicas en aguas residuales de origen municipal o industrial.

►Contaminantes que interfieren en la cristalización o en el rendimiento de la formación de cristales.

►Compuestos que causan espuma, o procesos que la causen como aireación agitación...Impurezas que causan turbidez (ejemplo ginebra, ron y otros destilados).

EN FASE LÍQUIDA

► Productos de alta pureza ►Cloro, cloraminas u ozono del agua, se eliminan

por reacción química en la superficie del carbón activado.

► La concentración de un material valioso contenido en una solución diluida, por medio de adsorción, y con la posterior recuperación de dicho material (ejemplo: recuperación de oro y plata).

►Como catalizador. El carbón activado aporta su gran área superficial y su resistencia a la temperatura y a la presión.

Uso del carbón activado

EN FASE GAS ► Se utiliza el carbón activo granular o peletizado. ► Olores ► Compuestos orgánicos tóxicos en aire. ► Vapores de ácidos, álcalis u otros compuestos no

adsorbibles en carbón activado. ► Contaminantes orgánicos en gases que se producen

industrialmente y que requieren purificarse (ejemplo: dióxido de carbono, hidrógeno, oxígeno...).

► Etileno generado por fruta y otros vegetales. ► Gases radioactivos (ejemplo: isótopos radioactivos de

kriptón, xenón y yodo). ► Vapores en los tanques que almacenan productos

orgánicos volátiles. ► Compuestos orgánicos en aire o en gases de escape.

USO MÉDICO Es utilizado como agente adsorbente para

tratar envenenamientos y sobredosis por ingestión oral. La dosificación típica para un adulto es de 30-50 g. Las dosis pediátricas son 12-25 g. El uso incorrecto de este producto puede producir broncoaspiración. Para el uso fuera del hospital, se presenta en comprimidos de 1 g, o en tubos o botellas plásticas, comúnmente de 12,5 ó 25 g, premezclados con agua. Tiene nombres comerciales como InstaChar, SuperChar, Actidose y Liqui-Socarra.

FILTROS PARA AIRE Y GAS COMPRIMIDO

Se utilizan generalmente en la purificación

de aire y de gases para quitar vapores de aceite, olores y otros hidrocarburos del aire y de gases comprimidos. Los diseños más comunes utilizan filtros de una o de dos etapas, donde el carbón activado se introduce como medio filtrante.

APLICACIONES

►Remoción de impurezas que causan color, olor y sabor en agua potable

APLICACIONES

►Tratamiento de aguas residuales

APLICACIONES

►Tratamiento de agua en procesos Industriales

APLICACIONES

►Tratamiento de emisiones atmosféricas

APLICACIONES

► Purificación de aire y gases

APLICACIONES

►Decoloración de vinos, zumos y vinagres

APLICACIONES

►Decoloración de azúcar y caramelo

APLICACIONES

►Mascarillas de gas

APLICACIONES

► Eliminación de olores en plantillas de zapato

COSTOS ► Precio de embarque de carbones activados

según su tipo en USD/t

COSTOS

Precio de embarque de carbones activados según su tipo en USD/t

COSTOS

► Precio de embarque de carbones activados según su empleo en USD/t

COSTOS ►Equipos de Purificación AQUA

PURIFICACION SYSTEMS

CONCLUSIONES

►El desarrollo de carbones activos para diferentes aplicaciones es un tema de vital importancia a nivel mundial y, por tanto, de interés primordial para el Medio Ambiente; también lo es la investigación de las particularidades de los fenómenos físicoquímico que rigen los mecanismos, tanto de obtención como de la aplicación de los mismos.

El Carbón Activado

Engineering

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