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Generalidades y aplicacion al tratamiento de aguas
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Columnas de Carbón Activado EAP. Ing. Química
Índice
Dedicatoria.......................................................................................................... 5
Introducción........................................................................................................ 6
Carbón activado
Breve historia del Carbón Activado.................................................................... 7
Definición............................................................................................................ 8
Carbón Activado como adsorbente..................................................................... 9 Características importantes que debe reunir un buen adsorbente son las siguientes 9
Propiedades y condiciones que afectan la adsorción en carbón activado................. 9
Estructura y Propiedades .................................................................................... 11
Estructura porosa....................................................................................................... 13
Tipos de poros dentro de una partícula de carbón..................................................... 14
Importancia de la textura porosa de los carbones activados..................................... 14
Importancia de la química superficial de los carbones activados............................. 15
Materias primas usadas para la preparación del carbón activado....................... 18
Materiales de partida................................................................................................. 19
Tipos de Activaciones......................................................................................... 20
Activación térmica............................................................................................ 20
Activación física............................................................................................... 20
Tipos de Carbones Activados............................................................................. 23
Carbón en polvo (CAP)..................................................................................... 23
Carbón activado granular (CAG).............................................................................. 24
Asociación polvo-grano............................................................................................ 26
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Proceso de Adsorción.......................................................................................... 26
Factores característicos de los procesos de adsorción............................................... 27
Las condiciones del medio........................................................................................ 28
Los factores económicos........................................................................................... 28
Teoría de la absorción........................................................................................... 28
Teorías sobre la absorción física de gases................................................................. 29
Teoría BET................................................................................................................ 29
Teoría del Llenado del Volumen de Microporos...................................................... 30
El método αS de Sing................................................................................................ 30
Tipos de Absorción............................................................................................. 31 Fisiosorción............................................................................................................... 31
Quimiosorción........................................................................................................... 31
La Regeneración del carbón activado.................................................................... 32
Tipos de Regeneración.............................................................................................. 32
Aplicaciones y usos............................................................................................. 33
CARBON ACTIVADO EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS
El Carbón Activado en el tratamiento de aguas para consumo humano............. 38
Selección del mejor carbón activado......................................................................... 39
Carbón Activado Granular........................................................................................ 40
Carbón Activado en Polvo........................................................................................ 40
Filtros de Carbón Activado....................................................................................... 40
Eficacia del carbón activado...................................................................................... 41
Tiempo de Adsorción................................................................................................ 41
Factores que influyen en la adsorción de compuestos presentes en el agua............. 41
¿Que características debe tener el carbón para ser empleado en el tratamiento de agua?
42
Carbón activado de acuerdo a su origen.................................................................... 43
Carbón activado y la potabilización del agua............................................................ 44
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Descripción del proceso............................................................................................ 45
El lecho de adsorción................................................................................................ 47
Curvas de rotura........................................................................................................ 48
Procesos en las plantas de tratamiento de aguas residuales...................................... 51
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Adsorbedores de carbón activado granular, modos de operación y configuración... 55
Características de los sistemas de columnas de adsorción........................................ 57
Configuración de adsorbedores de carbón activado granular................................... 58
Adsorbatos................................................................................................................. 60
Eliminación de cloro libre......................................................................................... 60
Compuestos orgánicos............................................................................................... 63
...................................................................................................................................
Compuestos inorgánicos .......................................................................................... 65
Virus.......................................................................................................................... 66
Regeneración del carbón activo................................................................................ 66
Conclusiones....................................................................................................... 68
Bibliografía......................................................................................................... 69
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Dedicatoria:
El presente informe va dedicado a mi madre por su esfuerzo y dedicación hacia mi persona y un especial reconocimiento al ing. Jhon Obispo Gavino, quien nos
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incentivo a realizar el presente trabajo.
Introducción
El carbón activado es un material poroso carbonáceo con una gran área superficial, es capaz de adsorber una gran diversidad de sustancias tanto gaseosas como líquidas, y es conocido desde principios del siglo pasado, por sus propiedades absorbentes. En la actualidad es ampliamente utilizado para remover el color, olor, sabor y un sin número de impurezas orgánicas durante el tratamiento de agua para el uso domestico e industrial. También se usa en la recuperación de solventes, en la remoción del color en diversas esencias azucaradas, en el control de la contaminación ambiental, en la industria farmacéutica y médica.
Actualmente el 60% de los carbones activados producidos a nivel mundial se obtienen a partir de carbón mineral. Una parte de este carbón activado se destina a la eliminación de contaminantes procedentes de sectores muy variados, tanto en gases (sulfuro de hidrógeno. dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno. vapores de gasolina), como en líquidos (aguas industriales. aguas residuales, tintorerías).
En la actualidad esta ampliamente implantado el empleo de carbón activo en diversos campos de la industria tales como la industria de los azucares, la industria química, la industria farmacéutica etc. y, además, se está incrementando su uso cada vez más en el tratamiento de aguas residuales, potables y de proceso industrial, ya que, el carbón activo, es la sustancia adsorbente por excelencia.
El presente trabajo tiene como finalidad, entender en aspecto generales, el carbon activado asi como si utilizacion en el tratamiento de aguas industriales
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COLUMNAS DE CARBÓN ACTIVADO
I. Breve historia del Carbón Activado:
El uso de los materiales de carbón se pierde la historia, de forma que es prácticamente imposible determinar con exactitud cuando el hombre comenzó a utilizarlos. Lo cierto es que antes del uso de lo que en la actualidad denominamos carbones activos, es decir carbones con una estructura porosa altamente desarrollada, ya se emplearon como adsorbentes el carbón vegetal, o simplemente maderas parcialmente desvolatilizadas o quemadas.
Los primeros usos del estos primitivos carbones activos, generalmente preparados a partir de madera carbonizada (carbón vegetal), parecen haber tenido aplicaciones médicas. Así, en Tebas (Grecia) se halló un papiro que data del año 1550 a.C. en el que se describe el uso de carbón vegetal como adsorbente para determinadas prácticas médicas. Con posterioridad, 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 relación al tratamiento del agua con carbón activo, se sabe que ya 450 años a.C. en los barcos fenicios se almacenaba el agua para beber en barriles con la madera parcialmente carbonizada por su cara interna. Esta práctica se continuó hasta el siglo XVIII como medio para prolongar el suministro de agua en los viajes transoceánicos. Sin embargo, la primera aplicación documentada del uso de carbón activo en fase gas no tiene lugar hasta el año 1793, cuando el Dr. D.M. Kehl utiliza el carbón vegetal para mitigar los olores emanados por la gangrena. El mismo doctor también recomienda filtrar el agua con carbón vegetal.
La primera aplicación industrial del carbón activo tubo lugar en 1794, en Inglaterra, utilizándose como agente decolorizante en la industria del azúcar. Esta aplicación permaneció en secreto por 18 años hasta que en 1812 apareció la primera patente. En 1854 tiene lugar la primera aplicación a gran escala del carbón activo en fase gas, cuando el alcalde de Londres ordena instalar filtros de carbón vegetal en los sistemas de ventilación de las cloacas. En 1872 aparecen las primeras máscaras con filtros de carbón activo utilizadas en la industria química para evitar la inhalación de vapores de mercurio.
Sin embargo el término adsorción no fue utilizado hasta 1881 por Kayser para describir como los carbonizados atrapaban los gases. Aproximadamente por estas fechas R. von Ostrejko, considerado el inventor del carbón activo, desarrolla varios métodos para producir carbón activo tal y como se conoce en nuestros días, más allá de
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simples carbonizados de materiales orgánicos o del carbón vegetal. Así, en 1901 patentó dos métodos diferentes para producir carbón activo. El primero consistía en la carbonización de materiales lignocelulósicos con cloruros de metales; lo cual resulto la base de lo que hoy en día es la activación química. En el segundo, proponía una gasificación suave de materiales previamente carbonizados con vapor de agua o CO2; es decir una activación física, o más correctamente térmica.
La Primera Guerra Mundial, y el uso de agentes químicos durante esta contienda, trajeron como consecuencia la necesidad urgente de desarrollar filtros de carbón activo para máscaras de gas. Sin duda este acontecimiento fue el punto de partida para el desarrollo de la industria de carbón activo y de un buen número de carbones activos usados no solo en la adsorción de gases tóxicos sino en la potabilización de agua. A partir de este momento tubo lugar el desarrollo de multitud de carbones activos para las aplicaciones más diversas: depuración de gases y aguas, aplicaciones médicas, soporte de catalizadores, etc.
II. Definición:
El carbón activado es un término general que denomina a toda una gama de productos derivados de materiales carbonosos. Es un material que tiene un área superficial excepcionalmente alta, medida por absorción de nitrógeno, y se caracteriza por una cantidad grande de microporos (poros menores que 2 nanómetros). El proceso de activación actúa eficientemente al mejorar y aumentar el área superficial.
III. Carbón activado como adsorbente:
Desde el punto de vista de la composición química, el carbón activado es carbón prácticamente puro, al igual que lo es el diamante, el grafito, el negro de humo, y los diversos carbones minerales, o de leña.
Todos ellos poseen la propiedad de adsorber, que consiste en un fenómeno fisicoquímico en el que un sólido, llamado adsorbente, atrapa en sus paredes a cierto tipo de moléculas, llamadas adsorbatos, y que están contenidas en un líquido o un gas.
La diferencia fundamental entre uno y otro tipo de carbón radica en la estructura, o arreglo de sus átomos. En el caso del carbón activado, éstos se encuentran combinados en forma de placas grafíticas.
Las placas están separadas y tienen distintas orientaciones, por lo que existen espacios entre ellas, a los que se denominan poros, que brindan al carbón activado su principal característica: una gran área superficial, y por lo tanto, una alta capacidad
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adsorbente. El área de la mayoría de los carbones activados comerciales está entre 500 y 1,500 m2/g.
La capacidad de un carbón activo para retener una sustancia determinada no solo está dada por su área superficial, sino por la proporción de poros cuyo tamaño sea el adecuado, es decir, de una a cinco veces el diámetro de la molécula de dicha sustancia. Si se cumple esta condición, la capacidad de un carbón activado puede ser de entre el 40% y el 60% de su propio peso, es decir, 1 Kg de carbón retendrá entre 400 y 600 gramos del contaminante.
Características importantes que debe reunir un buen adsorbente son las
siguientes:
Alta capacidad de adsorción. La relación dé equilibrio entre las fases influye en
la eficacia con que se alcanza la capacidad final y, en muchos casos, controla la
capacidad real del soluto.
Como quiera que los mecanismos de unión son muy complejos y no se han
determinado con precisión aún, no se dispone de una norma satisfactoria mediante
la cual puedan preverse, a priori las afinidades relativas entre un material poroso y
una sustancia.
Propiedades físicas y tamaño de partícula adecuados para garantizar la
necesaria resistencia mecánica y facilidad de manejo, produciendo la menor
pérdida de carga posible tanto en lechos fijos como en los móviles o fluidizados.
Costo bajo, tanto de la materia prima como del proceso de fabricación.
Fácil regeneración; por desorción, especialmente en el caso de los procesos
continuos.
Propiedades y condiciones que afectan la adsorción en carbón activado
La adsorción en carbón activado se ve afectada por diversas propiedades tanto del carbón como del adsorbato, así como por condiciones del gas o el líquido en el que se lleva a cabo este fenómeno. A continuación se listarán de una manera organizada:
Propiedades relacionadas con el tipo de carbón activado
La adsorción aumenta cuando el diámetro de los poros predominantes esta entre una y cinco veces el diámetro del adsorbato.
Diferencias en la química superficial y en los constituyentes de las cenizas pueden afectar la adsorción, especialmente en fase líquida. Sin embargo, estas
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propiedades tienen una influencia pequeña respecto a cualquier otra de las que se están listando.
Propiedades relacionadas con el adsorbato
Antes de listarlas, hay que mencionar que todo tipo de moléculas orgánicas se adsorben bien en el carbón activado. No así la inorgánicas, excepto en algunos casos como los molibdatos, los cianuros de oro, el dicianuro de cobre, el cloruro de mercurio, el yodo y las sales de plata, entre otros.
La adsorción de orgánicos es más fuerte al aumentar su peso molecular, mientras
el tamaño de la molécula no rebase al del poro.
Las moléculas orgánicas no polares se adsorben con mayor fuerza que las polares.
Las moléculas orgánicas ramificadas se adsorben con mayor fuerza que las
lineales.
La mayoría de las moléculas orgánicas que tienen ligados átomos de cloro, bromo
o yodo, se adsorben con mayor fuerza.
Para el caso de adsorción en fase líquida, ésta aumenta al disminuir la solubilidad
del adsorbato.
NOTA: Las moléculas orgánicas de más de tres carbonos generalmente se adsorben, a
menos que sean extremadamente solubles.
Propiedades relacionadas con el gas o el fluido que rodea al carbón
activado
En fase líquida, generalmente aumenta la adsorción al disminuir el pH. Para el caso de adsorción en fase líquida, la teoría dice que ésta no se ve afectado por la temperatura. Sin embargo, a mayor temperatura, aumenta la solubilidad del adsorbato, y se adsorbe en menor proporción. Por otro lado, a mayor temperatura, también disminuye la viscosidad del solvente, facilitando la movilidad del adsorbato y por lo tanto acelerando su velocidad de difusión hacia los poros. Todo lo anterior generalmente resulta en un aumento de la adsorción al aumentar la temperatura.
Capacidad de adsorción
La capacidad de un carbón activo para retener una sustancia determinada no solo está dada por su área superficial, sino por la proporción de poros cuyo tamaño sea el adecuado, es decir, de una a cinco veces el diámetro de la molécula de dicha sustancia. Si se cumple esta condición, la capacidad de un carbón activado puede ser de entre el 40% y el 60% de su
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propio peso, es decir, 1 Kg. de carbón retendrá entre 400 y 600g del contaminante.
IV. Estructura y Propiedades:
La composición química del carbón activo es aproximadamente un 75-80% en carbono, 5-10% en cenizas, 60% en oxígeno y 0,5% en hidrógeno.
El carbón activado es un material poroso preparado por la carbonización y activación de materiales orgánicos, especialmente de origen vegetal, hullas, lignitos y turbas, con el fin de obtener un alto grado de porosidad y una importante superficie intraparticular. La elevada superficie específica facilita la adsorción física de gases y vapores de mezclas gaseosas o sustancias dispersas en líquidos.
La actividad del carbón activado en los procesos de absorción viene dada fundamentalmente, por la naturaleza de la materia prima y el proceso de activación utilizado en la producción del mismo. Su capacidad absorbente se ve muy favorecida por la estructura porosa y la interacción con adsorbatos polares y no polares, dada su estructura química, además las reacciones químicas en su superficie están influenciadas por centros activos, dislocaciones y discontinuidades, donde los carbones tienen electrones desapareados y valencias insaturadas presentando mayor energía potencial.
Rango de valores para algunas propiedades de los carbones activos
Comerciales
Área especifica, BET (m2/g) 600 – 1.500
Idem macroporo (m2/g) 100 – 800Volumen de poro total (cm3/g) 0,6 – 1,8
Idem macroporo (cm3/g) 0,2 – 1,3Densidad aparente (comprimido) (g/cm3) 0.3 – 0.7
Granularidad (mm): a: polvob: granular
0,05 – 0,10,1 – 2
Coeficiente de uniformidad (grano) 1,4 – 2
Porcentaje de cenizas (%) 1 – 12
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PARAMETROS QUE INFLUYEN SOBRE LAS PROPIEDADES DE LA ADSORBCION
1. Capacidad vs. Cinética (Rata de reacción).
(a) Los parámetros de capacidad determinan las características de carga del carbón (Concentración de adsorbato en el carbón, en el punto de saturación). La capacidad máxima de adsorción del carbón solo se alcanza en el equilibrio.
(b) Los parámetros cinéticos solo determinan la rata de adsorción, teniendo un efecto despreciable sobre la capacidad de adsorción.
2. Área Superficial.
La capacidad de adsorción es proporcional al área superficial (Ella es función del grado de activación del carbón)
3. Tamaño del Poro.
La correcta distribución del tamaño de poros es necesaria para facilitar el proceso de adsorción (suministrando los sitios de adsorción, los poros finos, y los canales de transporte adecuados para el manejo del adsorbato).
4. Tamaño de las Partículas.
Las partículas pequeñas proveen una más rápida rata de adsorción (distancia más cortas hasta los sitios de adsorción). Nota: El tamaño de partículas no influye sobre el área superficial total. El área superficial
5. TemperaturaLas temperaturas bajas aumentan la capacidad de adsorción
6. Concentracion del Absornato.
La capacidad de adsorción es proporcional a la concentración del adsorbato (altas concentraciones proveen grandes fuerzas de empuje durante el proceso de adsorción).
7. pH.
La capacidad de adsorción aumenta, con aquellas condiciones de pH que aumentan la solubilidad del adsorbato.
8. Tiempo de Contacto.
Para alcanzar el equilibrio en la adsorción y maximizar su eficiencia, se requiere de suficiente tiempo de contacto.
9. Cenizas.
Las cenizas constituyen el componente inerte del carbón. En la mayoría de los casos las cenizas solubles en agua son las de mayor consideración.
10. Densidad Absorbente.
Es utilizada para indicar la actividad de un volumen de carbón. Esta es significativamente más baja que la densidad teórica del sólido (La
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total es definida por el grado de activación y por la estructura de los poros del carbón.
actividad volumétrica es proporcional a la densidad aparente).
Estructura porosa:
Basándose en la difracción de rayos X, propuso dos tipos de estructuras para el carbón activado. El primer tipo de estructura está formado por microcristalitas que en dos planos son semejantes al grafito constituido por capas paralelas de átomos de carbono ordenadas hexagonalmente, mientras que el segundo tipo de estructura se describe como un retículo tridimensional de hexágonos de carbono desordenados como resultado del ordenamiento al azar de las estructuras bencénicas condensadas que se forman durante la carbonización.
Entre los microcristales que constituyen el carbón, existen huecos o espacios vacíos los cuales se denominan poros. El área superficial total de estos poros, incluida el área de sus paredes, es muy amplia, siendo la principal razón de su gran capacidad de absorción.
De acuerdo con la terminología de la IUPAC, los poros cuyo tamaño no excede de 2 nm son llamados microporos, que son donde ocurre el fenómeno de adsorción en mayor medida, los que exceden de 50 nm son llamados macroporos, éstos juegan un papel importante en el transporte del adsorbato a través de los mesoporos hasta los microporos, los mesoporos son de tamaño intermedio a los valores mencionados (entre 2 y 50 nm). El volumen de los microporos es en general mayor de 0,2 cm3/g pudiendo alcanzar elevados valores de área de superficie específica interna.
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Representación esquemática del sistema poroso de un carbón y clasificación de los poros según su tamaño (d = dimensión característica del poro). Los círculos
representan las moléculas del adsorbato.
Tipos de poros dentro de una partícula de carbón :
El Carbón activado tiene una gran variedad de tamaños de poros los cuales pueden clasificarse de acuerdo a su función, en poros de adsorción y poros de transporte.
Los primeros consisten en espacios entre placas grafíticas con una separación de entre una y cinco veces el diámetro de la molécula que va a retenerse. En éstos, ambas placas de carbón están lo suficientemente cerca como para ejercer atracción sobre el adsorbato y retenerlo con mayor fuerza.
Los poros mayores que los de adsorción son de transporte, y tienen un rango muy amplio de tamaños, que van hasta el de las grietas que están en el límite detectable por la vista, y que corresponde a 0.1 mm. En esta clase de poros, solo una placa ejerce atracción sobre el adsorbato y entonces lo hace con una fuerza menor, o incluso insuficiente para retenerlo. Actúan como caminos de difusión por los que circula la molécula hacia los poros de adsorción en los que hay una atracción mayor. Por lo tanto, aunque tienen poca influencia en la capacidad del carbón activado, afectan la cinética o velocidad con la que se lleva a cabo la adsorción.
Otra clasificación de los poros, es la de la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemists), que se basa en el diámetro de los mismos, de acuerdo a lo siguiente:
Microporos: menores a 2 nm, mesoporos: entre 2 y 50 nm, macroporos: mayores a 50 nm (típicamente 200 a 2000 nm)
Los microporos tienen un tamaño adecuado para retener moléculas pequeñas, que aproximadamente corresponden a compuestos más volátiles que el agua, tales como olores, sabores y muchos solventes.
Los macroporos atrapan moléculas grandes, tales como las que son coloridas o las sustancias húmicas -ácidos húmicos y fúlvicos- que se generan al descomponerse la materia orgánica. Los mesoporos son los apropiados para moléculas intermedias entre las anteriores.
Por lo tanto, la capacidad de un carbón activado para retener una sustancia determinada, no solo está dada por su área superficial, sino por la proporción de poros cuyo tamaño es el adecuado: una a cinco veces el diámetro de la molécula de dicha sustancia.
Importancia de la textura porosa de los carbones activados:
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Los carbones activados, pueden presentar elevadas superficies específicas, del orden de 1000 m2/g e incluso llegar a los 3000 m2/g. Los elevados valores de superficie específica se deben en gran medida a la porosidad que presentan los materiales carbonosos, siendo los microporos los que mayor contribución tienen en la superficie específica. En principio, cabría pensar que a mayor superficie específica mejores serán las características como adsorberte del carbón activado, puesto que también deberíamos tener un mayor número de centros para adsorber el adsorbato. Sin embargo, esto no siempre es cierto, ya que hemos de tener en cuenta el posible “efecto de tamiz molecular”. Así, dependiendo del tamaño de las moléculas del adsorbato, puede suceder que éstas sean mayores que algunos de los poros y por tanto no toda la superficie sea accesible a dichas moléculas. Por otro lado también hay que tener en cuenta tanto la geometría del poro como la del adsorbato. Así, por ejemplo, determinadas moléculas pueden penetrar en poros con geometría del “tipo rendija” y no hacerlo en poros de dimensiones similares y geometría cilíndrica.
Ejemplo de como el tamaño y a geometría del poro puede influir en la adsorción de distintos adsorbatos
En numerosas ocasiones también se ha observado que determinados compuestos se adsorben muy bien en un cierto carbón activado, mientas que la adsorción es mucho menor en otros carbones activados, a pesar de poseer éstos una textura porosa, i.e., una distribución de tamaños de poros y superficie específica, muy similar. Esto se debe al importante hecho de que:
Una elevada superficie específica, con una buena distribución de tamaños de poros que la hagan fácilmente accesible al adsorbato, es una condición
necesaria, pero no suficiente, para optimizar la preparación de un carbón activado.
Importancia de la química superficial de los carbones activados
La elevada capacidad de eliminación de sustancias se debe a la alta superficie interna que posee, si bien porosidad y distribución de tamaño de poros juegan un papel importante. En general, los microporos (tamaño inferior a 2nm) le confieren la elevada
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superficie y capacidad de retención, mientras que los mesoporos (tamaño comprendido entre 2-50nm) y macroporos (tamaño>50nm) son necesarios para retener moléculas de gran tamaño, como pueden ser colorantes o coloides, y para favorecer el acceso y la rápida difusión de las moléculas a la superficie interna del sólido[1]. Por otra parte, el carbón activado tiene escasa especificidad ante un proceso de retención, es un adsorbente “universal”. No obstante, por su naturaleza apolar y por el tipo de fuerzas implicadas en el proceso de adsorción, retendrá preferentemente moléculas apolares y de alto volumen molecular (hidrocarburos, fenoles, colorantes..), mientras que sustancias como el nitrógeno, oxígeno y agua prácticamente no se retienen por el carbón a temperatura ambiente. De ahí que más de 190.000 Tm/año (de las 375.000 producidas) se destinen a la eliminación de contaminantes procedentes de sectores muy variados, tanto en fase gas (sulfuro de hidrógeno, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, vapores de gasolinas...) como líquida (aguas potables, industriales y residuales, tintorerías...).
Las propiedades adsorbentes de un carbón activado no dependen únicamente de la superficie y porosidad. En particular, las sustancias polares se retienen débilmente sobre la superficie (apolar) del carbón. En estos casos, la fijación al carbono de “heteroátomos”, principalmente oxígeno e hidrógeno, formando estructuras o grupos funcionales tipo ácido carboxílico, lactonas, carbonilo, etc, eleva la afinidad de las sustancias polares por la superficie del adsorbente, pudiendo imprimir un carácter ácido-base al carbón.
Finalmente, cuando la sustancia a eliminar tiene una polaridad apreciable, bajo volumen molecular y está muy diluída en aire la retención a temperatura ambiente por el carbón sólo es efectiva si se impregna con reactivos específicos o se aprovechan las propiedades catalíticas del carbón. De esta manera, tras la adsorción se producen unas reacciones químicas que transforman los productos tóxicos en inertes que se desorben o quedan retenidos en la porosidad del carbón.
La superficie de los carbones, en particular los átomos de carbono de los bordes de los planos basales, pueden encontrarse combinados en mayor o menor proporción con otros átomos distintos al carbono (heteroátomos), dando lugar a diferentes grupos superficiales. Por otro lado, los átomos de carbono de los planos basales, poseen orbitales
que contienen electrones más o menos deslocalizados dentro de estos planos basales. La presencia o ausencia de los grupos superficiales, así como el mayor o menor grado de deslocalización de los electrones afecta a las interacciones del carbón con otros elementos o compuestos.
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Representación esquemática de los principales grupos superficiales que pueden encontrarse un carbón. La mayoría de estos grupos son grupos oxigenados, debido a la
tendencia de los carbones a oxidarse incluso a temperatura ambiente. Los electrones deslocalizados de los orbitales juegan un papel muy importante en la química
superficial de los carbones.
Todos los carbones presentan en principio un carácter hidrófobo, no obstante podemos disminuir este carácter hidrófobo adicionando grupos superficiales polares. Esto puede conseguirse por oxidación con algún tipo de agente oxidante. Los grupos oxigenados dan lugar a centros primarios de adsorción de moléculas de agua que a su vez adsorberán nuevas moléculas por formación de puentes de hidrógeno. De esta forma se aumenta el carácter hidrófilo y la “mojabilidad” de los carbones. En el caso de la adsorción de compuestos inorgánicos en fase acuosa esto podría resultar beneficioso. Sin embargo, en el caso de que el carbón activado vaya a ser usado para adsorber compuestos en fase gas, el hecho de que los poros estén ocupados, o incluso bloqueados, por moléculas de agua puede llegar a disminuir sustancialmente la capacidad de adsorción del carbón. De hecho este efecto combinado de oxidación/adsorción de humedad de los carbones activamos se conoce como efecto de envejecimiento (ageing effect) y es algo a evitar en la medida de lo posible, especialmente para las aplicaciones en fase gas.
Otra faceta importante de la química superficial de un carbón activado es su naturaleza anfótera, lo cual significa que en la superficie del carbón coexisten grupos superficiales de carácter ácido y grupos superficiales de carácter básico. El que un carbón sea globalmente ácido o básico dependerá tanto de la concentración de estos grupos como de la fuerza como ácido o base de los mismos. De forma intuitiva, se puede deducir que un carbón de tipo básico será preferible para la adsorción de compuestos ácidos que un carbón de tipo ácido y viceversa.
Por otro lado, los grupos ácidos tienden a liberar protones, especialmente en los medios básicos, mientras que los grupos básicos tienden a captarlos cuando se encuentran en un medio ácido. De esta forma pueden aparecer cargas positivas o negativas en la superficie del carbón. De forma genérica: si el pH del medio es mayor que el punto de carga cero del carbón (pHPZC, pH en el cual el número de cargas positivas es igual al de cargas negativas de forma tal que la carga neta sobre la superficie del carbón es cero), tendremos un predominio de las cargas negativas en la superficie del carbón; por el contrario, si pH < pHPZC
obtendremos una superficie cargada positivamente. Las condiciones en las que un carbón tenga una carga neta negativa serán preferibles para adsorber cationes y aquellas en las que presente una carga neta positiva lo serán para adsorber aniones. Dado que el modificar el pH de los efluentes contaminantes no siempre resulta sencillo es preferible optimizar la química superficial del carbón
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activado teniendo en cuenta los criterios anteriores para que la adsorción sea máxima.
Representación esquemática del carácter ácido de algunos grupos oxigenados (carboxilos, hidroxilos y lactonas) y del carácter básico de los electrones
deslocalizados del plano basal y de grupos oxigenados (tipo pirona, tipo quinona y tipo cromeno)
V. Materias primas usadas para la preparación del carbón activado
El carbón activado se prepara a partir de diferentes materiales como por ejemplo carbón, turbas, madera, petróleo, etc., calentados a altas temperaturas, rondando los 1000 grados, en ausencia de oxígeno. El resultado es una sustancia con millones de poros microscópicos en su superficie. El enorme conjunto de poros ofrece una gran área superficial que facilitará el proceso de adsorción de partículas. Mediante este proceso las partículas quedarán adheridas a la superficie del carbón. Ideal para retener compuestos orgánicos.
Las materias primas usadas en la producción de carbón activado son:
Carbón betuminoso Huesos Cáscara de coco Lignita Turf Residuales de petróleo Azúcar Madera Carozo de aceituna
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Carozo de durazno
o Materiales de partida
Prácticamente cualquier material orgánico con proporciones relativamente altas de carbono es susceptible de ser transformado en carbón activado. Los carbones activados obtenidos industrialmente pueden provenir de madera y residuos forestales u otros tipos de biomasa, turba, lignito y otros carbones minerales, así como de diferentes polímeros y fibras naturales o sintéticas. Existen, no obstante, algunas limitaciones. Así, desde un punto de vista estructural los carbones activados son carbones muy desordenados e isótropos. Por tanto, no serán adecuados para preparar carbones activados aquellos materiales carbonosos que pasen por un estado fluido o pseudo-fluido durante su carbonización; dado que durante la resolidificación de esta fase suelen formarse estructuras ordenadas en los carbones resultantes. No resultan adecuados, por tanto, los carbones coquizables, salvo que se eliminen sus propiedades coquizantes, mediante una oxidación previa, por ejemplo. Del mismo modo, tampoco resultan adecuados los residuos termoplásticos. Los factores que hay que tener en cuenta para elegir un precursor adecuado son: buena disponibilidad y bajo costo, bajo contenido en materia mineral y que el carbón resultante posea unas buenas propiedades mecánicas y capacidad de adsorción. Los residuos de madera, las cáscaras de coco y frutos secos, así como las semillas de algunas frutas junto con los carbones minerales y el coque de petróleo, son los precursores más usados.
El Carbón Activado puede fabricarse a partir de un sinnúmero de materiales carbonosos, solamente se utilizan unos cuantos a nivel comercial, debido a su disponibilidad, bajo costo y a que los productos obtenidos a partir de ellos, tienen las propiedades que cubren toda la gama de aplicaciones que el carbón activado pueda tener.
Los carbones activados comerciales son fabricados a partir de materiales orgánicos que son ricos en carbono, especialmente carbón mineral, madera, huesos y cáscaras de frutas, turba, breas y coque. La elección del precursor es fundamentalmente una función de su disponibilidad, precio y pureza, pero el proceso de fabricación y la posible aplicación del producto final han de ser muy tenidos en cuenta. Los procesos de fabricación se pueden dividir en dos tipos: activación física (también llamada térmica) y activación química. La porosidad de los carbones preparados mediante activación física es el resultado de la gasificación del material carbonizado a temperaturas elevadas, mientras que la porosidad que se obtiene en activación química es generada por reacciones de deshidratación química, que tienen lugar a temperaturas mucho más bajas.
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VI. Tipos de Activaciones:
a) Activación térmica:
Llamada también activación física, a pesar de que la activación se produce por la reacción (química) del agente activante (un oxidante como el aire, vapor de agua, CO2, etc.) con el carbono del material que está siendo activado. Este tipo de activación consta de varias etapas. Así, a veces son necesarios ciertos pretratamientos como la molienda y el tamizado para obtener un tamaño adecuado del precursor. Si el precursor es un carbón coquizable será necesario entonces una etapa de oxidación para eliminar las propiedades coquizables. En otras ocasiones el material de partida es molido hasta formar un fino polvo, después compactado con algún aglomerante en forma de briquetas y luego vuelto a moler hasta obtener el tamaño deseado. De esta forma se consigue una mejor difusión del agente activante y por tanto una mejor porosidad en el carbón activado resultante. Otra etapa previa a la activación propiamente dicha es la carbonización, en la cual el precursor es sometido a elevadas temperaturas (del orden de los 800 ºC) en ausencia de aire, para eliminar las sustancias volátiles y dejar un residuo carbonoso que será el que se someta a la activación. Durante la desvolatilización, la salida de los gases y vapores del precursor produce una porosidad “incipiente” en el carbonizado, la cual se desarrolla aun más durante la etapa de activación. La activación propiamente dicha puede ser un proceso totalmente independiente de la carbonización o llevarse a cabo a continuación de ésta.
Consiste en hacer reaccionar al agente activante con los átomos de carbono del carbonizado que está siendo activado; de forma que se produzca un “quemado selectivo” que va horadado progresivamente al carbonizado, generando poros y aumentando la porosidad hasta transformarlo en un carbón activado. Los agentes activantes que se suelen usar son: Oxígeno (raramente a escala industrial) aire, vapor de agua (el más usado) y CO2. Estos agentes dan lugar a las siguientes reacciones químicas que eliminan átomos de carbono produciendo así la porosidad.
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Diagrama de los diferentes procesos que pueden tener lugar en la activación térmica
b) Activación química:
Este tipo de activación el precursor se hace reaccionar con un agente químico activante. En este caso la activación suele tener lugar en una única etapa a temperaturas que pueden variar entre 450 y 900 ºC. No obstante, en este tipo de activación, es necesaria una etapa posterior de lavado del carbón activado para eliminar los restos del agente activante. Existen numerosos compuestos que podrían ser usados como agentes activantes, sin embargo los más usados industrialmente son el cloruro de zinc (ZnCl2), el ácido fosfórico (H3PO4) y el hidróxido de potasio (KOH).
La activación química con ZnCl2 fue el método mas usado hasta 1970, especialmente para la activación de residuos de madera. Su uso, sin embargo, se ha restringido mucho en la actualidad debido a los problemas medioambientales que conlleva el uso del ZnCl2. No obstante algunos países como China aun siguen usando este método para producir carbón activado.
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C +O2 --> CO2
2C +O2 --> 2COC + H2O < == > H2 + CO
C + CO2 < == > 2CO
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La activación química con H3PO4 prácticamente ha desplazado al ZnCl2 y los precursores usados en este tipo de activación son en su mayoría, como en el caso del ZnCl2, residuos forestales (madera, cáscara de coco, hueso de aceituna, etc.). La activación con H3PO4 implica las siguientes etapas: molienda y clasificación del material de partida, mezcla del precursor con H3PO4 (reciclado y fresco), tratamiento térmico en atmósfera inerte entre 100 y 200 ºC, manteniendo la temperatura aproximadamente 1h, seguido de un nuevo tratamiento térmico hasta 400 – 500 ºC, manteniendo esta temperatura en torno a 1h, 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%.
La activación química con KOH se desarrollo durante los años 70, para producir los denominados “carbones superactivados”, con superficies específicas del orden de los 3000 m2/g. A diferencia de los otros dos agentes activantes, los precursores preferibles par la activación con KOH son aquellos de bajo contenido en volátiles y alto contenido en carbono, como los carbones minerales de alto rango, carbonizados, coque de petróleo, etc. 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 consecutivos en atmósfera inerte. El primero a temperaturas bajas, pero superiores a los 200 ºC (que se utiliza solo para evaporar el agua y dispersar el KOH) y el segundo entre 700 y 900 ºC. En el caso de una mezcla física no es necesario llevar a cabo el primer tratamiento.
Diagrama de la activación química
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VII. Tipos de Carbones Activados:
Los carbones activos pueden clasificarse atendiendo al tamaño de las partículas en carbón activado en polvo (CAP) y carbón activado granular (CAG).
Carbón en polvo (CAP):
Los CAP presentan tamaños menores de 100 micrómetros, siendo los tamaños típicos entre 15 y 25 micrómetros.
El carbón en polvo generalmente se utiliza en combinación con los tratamientos de clarificación. Inyectado de forma continua en el agua con reactivos de floculación, se introduce en los flóculos y seguidamente se extrae del agua con ellos. Para esta extracción, se recomienda a veces recurrir a una
filtración directa, si bien es preferible utilizar un decantador de recirculación de fangos o, mejor aún, de lecho de fangos. Con estos aparatos se aumenta notablemente el tiempo de contacto entre el agua y el carbón y, por lo tanto, se consigue una mejor aproximación al equilibrio. Otra forma de aplicación es añadir carbón activo en polvo al efluente del tratamiento biológico. El carbón, en este caso, es añadido al efluente en un tanque de contacto. Una vez transcurrido el tiempo deseado se deja que el carbón sedimente en el fondo del tanque y seguidamente se extrae del mismo el agua tratada. Puesto que el carbón está pulverizado, puede necesitarse un coagulante para facilitar la eliminación de las partículas de carbón, o bien requerirse una filtración a través de filtros rápidos de arena.
Como se ha indicado, el carbón activo puede utilizarse igualmente para afino de aguas industriales de elevada pureza (tratamiento de condensados, agua de aclarado en la industria electrónica, etc.).
Propiedades físicas más importantes:
Las propiedades físicas de un carbón activo en polvo (PAC) más importantes son la filtrabilidad y la densidad global o aparente. Si el carbón atraviesa un filtro, contamina el agua tratada. La capacidad de un carbón para ser separado por filtración se controla a través de la forma de sus partículas y de la distribución de tamaños. La densidad aparente es la masa de carbón por unidad de volumen. A mayor densidad global, mayor capacidad para eliminar un adsorbato por unidad de volumen de adsorbente.
Ventajas:
o Los carbones activos en polvo son, aproximadamente, de dos a tres veces más baratos que los carbones en grano.
o Pueden dosificarse en exceso, en caso de puntas de contaminación.
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o Precisan inversiones reducidas. Cuando el tratamiento consiste sólo en una etapa de floculación-decantación basta prever un simple equipo de dosificación de carbón activo.
o Su cinética de adsorción es rápida, puesto que su superficie es fácilmente accesible.
o El carbón activo favorece la decantación, al espesar el flóculo.
Inconvenientes :
o El carbón activo no puede regenerarse cuando se recupera en mezcla con fangos de hidróxidos, por lo que debe preverse la pérdida de este material después de su utilización. Cuando se utiliza carbón activo sólo (en ausencia de coagulantes minerales) puede recurrirse a la técnica de regeneración en lecho fluidizado que, sin embargo, conlleva pérdidas muy elevadas. Es difícil eliminar las últimas trazas de impurezas, sin añadir un exceso de carbón activo.
Carbón activado granular (CAG):
Los CAG presentan un tamaño medio de partícula entre 1 y 5 mm. Los CAG pueden dividirse en dos categorías:
a) carbón activado troceado (o sin forma) y b) carbón activado conformado (o con una
forma específica, cilindros, discos, etc.).
Los carbones activados troceados se obtienen por molienda, tamizado y clasificación de briquetas de carbón o de trozos más grandes. Los carbones conformados pueden obtenerse por peletización o por extrusión de carbón en polvo mezclado con distintos tipos de aglomerantes. Existen además otras formas de adsorbentes de carbón, como las fibras de carbón activadas, las telas y los filtros de carbones activados, las estructuras monolíticas, las membranas de carbón, etc.
El carbón en grano se utiliza en forma de lecho filtrante atravesado por el agua a tratar, cuyas impurezas se someten así a una extracción metódica. En efecto, el agua, progresivamente liberada de sus contaminantes, encuentra fracciones de carbón activo cada vez menos saturadas y, por lo tanto, cada vez más activas.
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Propiedades físicas mas importantes:
Para los carbones granulares (GAC) las propiedades físicas más importantes son la dureza y el tamaño de partícula. Buena parte del costo de operación con los carbones en grano se debe a las pérdidas por atrición durante el manejo y la regeneración. Las pérdidas son menores en los carbones más duros. También la friabilidad del carbón usado en los lechos determina la velocidad con que las partículas se rompen y se hacen más pequeñas, perdiéndose durante la operación de lavado del lecho o escapando del mismo durante el funcionamiento normal, como sucede con otros medios porosos.
Selección preliminar del carbón activado granular
La primera consideración en el diseño de un sistema de adsorción con carbón activado granular es la selección del carbón. La manera más precisa de realizarla es mediante pruebas dinámicas en columnas Piloto. Sin embargo, éstas requieren de mucho tiempo, y el pretender aplicarlas a toda la gama de carbones que puede haber disponibles en el mercado, sería muy costoso y Poco práctico.
Como alternativa, puede empezarse por una preselección rápida de solo aquellos carbones de los que a priori pueden esperarse los mejores resultados. Después de ésta, pueden hacerse los estudios detallados que permitan detectar el carbón activado granular idóneo de entre aquellos que se habían elegido.
La selección Preliminar mencionada puede hacerse basándose en:
o La materia prima de la que parte el carbón activado granular. o Las especificaciones y normas de calidad. o Isotermas de adsorción.
En cuanto a la materia prima, ya que ésta determina el tamaño de los poros predominantes de un carbón activado, es posible predecir el tipo de moléculas que se retendrán de manera preferencial. Por lo tanto, de acuerdo a la materia prima, y conociendo la composición de los contaminantes presentes en el agua, se puede hacer una selección preliminar del tipo de carbones más adecuados.
La segunda propiedad del carbón activado granular en orden de importancia es la dureza, que también depende de la materia prima. Cuando la mayoría de los contaminantes son de bajo peso molecular, el carbón activado granular más adecuado, por su diámetro de poros, suele ser de concha de coco. Al ser éste el de mayor dureza no existe conflicto al respecto.
Por otro lado, si los contaminantes son de alto peso molecular, los carbones de madera o los ligníticos son los más apropiados. Aquí surge el problema de la falta de dureza de los mismos. En este caso puede requerirse que
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éstos se hayan sometido a un proceso de peletización que les brinde la dureza que no tienen de manera natural.
Respecto a las especificaciones, son propiedades del carbón activado granular que reporta el fabricante, y que, entre otras cosas, sirven como apoyo en la preselección de carbones. Por otro lado, son un complemento que se toma en cuenta, además de los resultados de otras pruebas, para elegir el carbón más conveniente desde el punto de vista de costo-beneficio. Por ejemplo, una de las especificaciones es el contenido de humedad; mientras mayor es ésta, menor es el porcentaje de carbón neto que suministra el fabricante y, por lo tanto, el precio neto es mayor.
Finalmente, las isotermas de adsorción son resultados de estudios con los que se determina la máxima capacidad que tiene un adsorbente en la retención de un soluto o de una mezcla de solutos. Los datos de isotermas de adsorción pueden encontrarse en la literatura, o bien pueden determinarse mediante pruebas relativamente sencillas.
Asociación polvo-grano:
En algunos casos de tratamiento de aguas de superficie, de contaminación muy variable, puede ser interesante combinar el empleo de carbón en polvo, en la clarificación, para hacer frente a puntas de contaminación, con el tratamiento posterior con carbón en grano, para alcanzar el nivel de descontaminación final deseado.
VIII. Proceso de Adsorción:
La adsorción es un proceso de separación y concentración de uno o más componentes de un sistema sobre una superficie sólida o líquida. Los distintos sistemas heterogéneos en los que puede tener lugar la adsorción son: sólido-liquido, sólido-gas y líquido-gas. Como en otros procesos de este tipo, los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases.
La adsorción constituye uno de los procesos más utilizados dentro de los sistemas de tratamiento terciario de las aguas residuales. Se emplea, fundamentalmente, para retener contaminantes de naturaleza orgánica, presentes, en general, en concentraciones bajas, lo que dificulta su eliminación por otros procedimientos. Cabe citar la eliminación de compuestos fenólicos, hidrocarburos aromáticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloreadas, así como otras que comunican olor y sabor a las aguas. La operación es menos efectiva para sustancias de pequeño tamaño molecular y estructura sencilla, que suelen ser fácilmente biodegradables y, por ello, susceptibles de tratamiento biológico.
Los adsorbentes más empleados son el gel de sílice, la alúmina y, sobre todo, el carbón activo y determinadas resinas sintéticas. Estas últimas son particularmente interesantes para la eliminación de compuestos polares. Además, son fácilmente
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regenerables, lo que las hace competitivas frente al carbón activo en muchos casos. El adsorbente más ampliamente utilizado para el tratamiento de aguas residuales es, no obstante, el carbón activo. Los primeros estudios sobre la aplicación de este adsorbente al tratamiento de aguas residuales se remontan a 1935; en la década de los años 50 ya se utilizaba para el tratamiento de efluentes industriales procedentes de la fabricación de pesticidas y, hacia 1960, comienza a considerarse de interés su posible aplicación al tratamiento de aguas residuales urbanas.
Entre los aspectos positivos de la adsorción como método de tratamiento de aguas residuales cabe señalar: su capacidad para trabajar eficazmente a concentraciones bajas de contaminante, su flexibilidad frente a las variaciones de caudal y concentración, sus moderadas necesidades de espacio, la facilidad de automatización, la posibilidad de regenerar el adsorbente y la posibilidad de recuperar sustancias retenidas cuando ello resulte de interés económico.
Entre los aspectos negativos hay que señalar que el costo de operación suele ser comparativamente alto y, por esta razón, su empleo queda restringido, en general, a los casos de necesidad o a otros en que convenga reutilizar las aguas tratadas o, como se ha indicado, recuperar algún producto de las mismas.
Factores característicos de los procesos de adsorción
Los factores a considerar en un proceso de adsorción son los siguientes:
El sistema adsorbente-adsorbato, en lo relativo a:
1- Superficie específica y porosidad del sólido. 2- Tamaño de partícula. 3- Tamaño, estructura y distribución de los poros.
Estas características son muy importantes en las etapas de transferencia de masa por adsorción:
- Difusión del soluto desde el seno de la fase fluida hasta superficie externa del adsorbente.
- Difusión de las moléculas de adsorbato hasta el interior de los poros para alcanzar la superficie libre de los mismos.
- Adsorción de las moléculas de soluto sobre la superficie del sólido, por fuerzas de tipo físico o químico.
En general, la etapa de adsorción es muy rápida en relación con los procesos de difusión. En sistemas hidrodinámicos bien agitados (elevada velocidad relativa entre fases) la difusión externa es muy rápida y resulta cinéticamente controlante el proceso de difusión interna, siendo determinante al respecto, el tamaño de las partículas del adsorbente y el diámetro de poro del mismo.
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4- Afinidad respecto del adsorbato, que depende de los grupos funcionales existentes en la superficie del adsorbente.
5- Presión parcial o concentración del adsorbato en la fase fluida.
La capacidad final del adsorbente para un determinado soluto puede utilizarse o no plenamente en las condiciones del proceso real. En el límite, se establece un equilibrio entre la concentración del adsorbato en disolución y la masa del mismo adsorbida por unidad de masa (o de superficie) del adsorbente; en muchos casos esta relación de equilibrio se puede formular mediante ecuaciones relativamente sencillas, como la debida a Freundlich. Es importante el carácter más o menos polar de las moléculas de adsorbato, así como el tamaño de las mismas. Se puede decir que el soluto se adsorberá más fácilmente cuando la afinidad de aquél por la superficie sea superior a su afinidad por el disolvente. Por tanto, la energía de unión entre la superficie y la sustancia considerada depende de la naturaleza de los solutos que han de adsorberse.
Por ello, hay que conocer los aspectos cinéticos y termodinámicos del proceso, con los mecanismos y las resistencias que los regulan, pues éstas determinan el tiempo de contacto necesario y, así, el tamaño de las instalaciones.
Las condiciones del medio
1- El pH que afecta al grado de ionización de los compuestos ácidos o básicos. Es frecuente que un pH ácido facilite la adsorción sobre carbón activo.
2- La temperatura, que influye sobre la velocidad del proceso y el estado final de equilibrio.
Los factores económicos
Desde el punto de vista industrial, las consideraciones económicas del proceso han de tener en cuenta tanto la inversión necesaria, incluida la planta de regeneración del adsorbente si la hubiese, como los costes de operación. Cabe destacar el precio del adsorbente, la capacidad del mismo que determina la dosis necesaria y las posibilidades técnico-económicas de su regeneración.
IX. Teoría de la absorción:
La superficie virgen de un sólido, provoca un campo de fuerzas concentrando en sus alrededores moléculas del estado gaseoso las que llenan el espacio que circunda al sólido de referencia. Al fenómeno por el que se produce el aumento de la concentración en la superficie del sólido se llama absorción y es una tendencia general dada por la interacción adsorbato-absorbente. Este proceso es espontáneo (ΔG < 0) y como durante su transcurso pasan moléculas del estado gaseoso desordenado a un estado absorbido y está limitado espacialmente a los límites impuestos por la superficie más ordenada, disminuye la entropía del sistema gas-sólido (adsorbato-absorbente) (ΔS < 0). El balance energético del proceso vendrá dado por la combinación de la espontaneidad del proceso y el correspondiente ordenamiento molecular definiéndose la variación de energía del proceso por la expresión:
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ΔH= ΔG + T ΔS (1)
Pudiéndose observar que la absorción es un proceso exotérmico, deduciéndose que es favorecida por la disminución de la temperatura. Existen varias teorías que explican el fenómeno de la absorción.
Teorías sobre la absorción física de gases :
Las isotermas de absorción son la característica más usada del estado de equilibrio de un sistema de absorción. Usualmente de ellas se obtiene la información sobre el volumen de absorción, el área superficial del absorbente, volumen de poros y su distribución, la magnitud del calor de absorción y otras informaciones. Teorías como las de Freundlich, Henrry, Volmer, Hill de Boer, Langmuir, BET, Teoría del Potencial de Polanyi, Teoría del Llenado del volumen de Microporos de Dubinin y Teoría Fractal tratan de explicar este fenómeno de la absorción y constituyen métodos para la obtención de las isotermas correspondientes.
Las isotermas de absorción, por su forma, se agrupan en seis tipos sobre la base de la clasificación de Brunauer, Deming, Deming y Teller (BDDT).
Teoría BET:
La teoría BET responde a sus autores, Brunauer, Emmett y Teller quienes desarrollaron las ideas de Langmuir para describir la adsorción multimolecular o en multicapas.
El modelo para la formación de infinitas capas moleculares conduce a la bien conocida ecuación BET:
= + (2)
Donde:
na y nam : la cantidad absorbida a la presión de equilibrio p/p0 y la cantidad
absorbida en la monocapa respectivamente.
C: una constante la que está relacionada proporcionalmente con la fortaleza de la interacción absorbente-adsorbato y puede usarse para caracterizar la forma de la isoterma BET.
La ecuación 2 da una adecuada descripción para carbones micro, meso y macroporosos sobre un rango limitado de presión relativa, usualmente entre 0.05 y 0.3; por debajo de 0.05, el principio de homogeneidad energética de la superficie no es aplicable a la mayoría de los absorbentes y por encima de 0.3 deben considerarse las interacciones laterales de las moléculas, lo que no sustenta la teoría BET.
El área de superficie aparente BET (ABET), se calcula a través de la siguiente expresión:
ABET = (nam ) (N) (am ) (3)
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Donde:
N: constante de Avogadro.
am : área de la sección transversal de la molécula.
La aplicabilidad de la teoría BET a carbones con microporos estrechos puede tener fuertes limitaciones al asumir la absorción en multicapa por lo que puede ser inapropiada en poros muy estrechos; lo que hizo que aparecieran nuevas teorías sobre la absorción en microporos como la ideada por Dubinin y col. acerca del llenado del volumen de microporos, que constituye a priori una teoría más realista.
Teoría del Llenado del Volumen de Microporos:
Dubinin y Radushkevich desarrollaron esta teoría basados en el concepto de curva característica y el potencial de absorción de Polanyi para describir la absorción en microporos estableciendo la relación fundamental de la teoría que es la ecuación de Dubinin-Radushkevich (DR):
W = Wo exp [-( )2](4)
Donde:
W: el volumen de adsorbato líquido en los microporos a temperatura (T). y presión relativa (p/po).
Wo: el volumen de microporos o volumen límite de adsorción en unidad de volumen (cm3 /g) o cantidad de sustancia (mmol/g).
β: el coeficiente de similitud.
Al representar la ecuación logarítmica en un sistema de ejes cordenados, se obtiene el volumen de microporos a partir del intercepto y del volumen molar, así como la superficie de microporos partiendo del volumen de éstos, el factor de conversión a líquido del adsorbato y el área molecular del adsorbato.
Algunos autores como Lippens y de Boer, Sing K.S.W., entre otros, demostraron que la relación entre el volumen absorbido (Va) y el volumen de la capa unimolecular o monocapa del gas (Vm) si se representa frente a la presión relativa, proporciona una curva llamada isoterma estándar. Los métodos de caracterización basados en las isotermas estándar, permiten un estudio más completo de la microporosidad del absorbente y de su área de superficie, detectando la presencia de microporos y su volumen, así como la condensación capilar en mesoporos, entre estos métodos se encuentran el método-t y el αS.
El método αS de Sing:
Tanto el método t de Lippens, B.C. y de Boer, como el αS de Sing, K.S.W., están regidos por el mismo principio de comparación de una isoterma experimental a una estándar. El método αS puede considerarse una modificación
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del método propuesto por Sing. Sing modificó el método-t reemplazando el grosor de la capa absorbida (t) por la relación Va/V0.4 o ó n/n0.4, llamada αS,
Donde:
V0.4 o n0.4): es el volumen o cantidad de sustancia absorbida por un sólido no poroso, de referencia, a la presión relativa seleccionada (p/po)x.
En principio, αS puede ser igual a 1 en algún punto en la isoterma estándar. Según Sing, resulta conveniente, en la práctica, tomar αS = 1 para p/po = 0.4, donde ha ocurrido el recubrimiento de la monocapa y el llenado de microporos a p/po< 0.4 considerando que la condensación capilar ocurre a p/po > 0.4.
Si la representación gráfica de Va frente a αS de la muestra se construye como la cantidad absorbida por ésta frente a los valores de αS de la muestra estándar, se tiene otro modo de comparar la forma matemática de las isotermas obteniéndose información acerca de la forma y desarrollo de los microporos.
X. Tipos de Absorción:
El proceso de adsorción en el carbón activado es dependiente de su área superficial involucrando una interfase sólido-líquido, en el caso de tratamiento de agua o soluciones, y sólido-gas, en el tratamiento de gases.
La adsorción ocurre de dos formas:
Fisiosorción:
Las moléculas del líquido son adsorbidas en el sólido a través de fuerzas débiles de van del Waals, resultando en una adsorción de multicamadas. Dado que estas fuerzas son omnipresentes, resulta que rápidamente cualquier superficie limpia expuesta al ambiente acumula una capa de material fisisorbido.
Quimiosorción:
Ocurre cuando hay una reacción química entre el adsorbato y el adsorbente. La quimisorción ocurre cuando un enlace químico, definido en este caso como un intercambio de electrones, se forma. El grado de intercambio y lo simétrico que sea dependen de los materiales involucrados. A menudo hay un paralelismo con las situaciones encontradas en química de coordinación. La quimisorción es particularmente importante en la catálisis heterogénea, la forma más común en la industria, donde un catalizador sólido interacciona con un flujo gaseoso, el reactante o los reactantes, en lo que se denomina reacción en lecho fluido. La adsorción del reactante por la superficie del catalizador crea un enlace químico, alterando la densidad electrónica alrededor de la molécula reactante y permitiendo reacciones que normalmente no se producirían en otras circunstancias.
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XI. La Regeneración del carbón activado: La duración de este tipo de filtros depende del volumen de gases o líquidos a tratar (habitualmente agua potable o aire), y de la cantidad de moléculas a retener.
Una vez que el carbón activado ha sido saturado con los componentes que debe adsorber en una aplicación industrial, puede ser regenerado mediante una serie de procesos, para así recuperar su estado original. Las ventajas de la regeneración son, principalmente, el que se reduce el costo para el usuario y que se reduce considerablemente el problema de la eliminación o almacenamiento del material gastado.
La regeneración puede realizarse “in situ”, en la propia instalación del usuario o, más frecuentemente, en los sistemas de regeneración de los propios fabricantes. El método más simple de regeneración es la desorción de las sustancias adsorbidas por tratamiento térmico o por desgasificación. Lo que se suele hacer es pasar una corriente de vapor de agua sobrecalentado o de gas inerte a alta temperatura a través del lecho de carbón; este procedimiento es la base del proceso de recuperación de disolventes y del sistema PSA (pressure swing adsorption) utilizado en la separación de mezclas de gases.
En algunos casos la regeneración se ha de llevar a cabo en condiciones de activación para descomponer y desorber las sustancias adsorbidas y es en la práctica una reactivación. Aunque cualquier tipo de horno es adecuado para la regeneración, los tipos preferidos por la mayoría de las industrias son el de solera múltiple o el rotatorio. Aunque es cierto que hoy día es posible regenerar cualquier tipo y porosidades, para aplicaciones como el almacenamiento de gas natural. En los últimos años se han desarrollado nuevos métodos químicos de preparación de carbón activado de muy altas superficies específicas (más de 3000m2/g), utilizando hidróxido potásico.
Tipos de Regeneración:
El carbón activo es un producto caro. En la mayoría de los casos el coste de sustituir el carbón saturado sería prohibitivo. Debe por lo tanto ser regenerado, y cuatro métodos se han desarrollado para este propósito:
Regeneración por vapor
Este método se restringe para la regeneración de carbón el cual ha retenido solamente algunos productos muy volátiles.
Regeneración termal
Pirolisis y quitar con soplete las sustancias orgánicas adsorbidas. En orden de evitar la ignición del carbón, este es calentado sobro unos 800 grados centígrados en una atmósfera controlada, pero tiene dos desventajas: requiere la
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inversión considerable de calor en cualquier horno de multiple-calor y causa altas pérdidas de carbón.
Regeneración química
Cierto proceso basado en la acción de un solvente usado a una temperatura aproximadamente de 100°C y con un alto pH.
Regeneración biológica
Este método de regeneración todavía no se ha aplicado a escala industrial.
XII. Aplicaciones y usos:
El carbón activado es el adsorbente más versátil por su alta superficie específica, distribución polimodal de tamaños de poro, estructura porosa en forma de rendija y por su capacidad de presentar diferentes tipos de naturaleza química en su superficie. Es necesario mencionar que aunque sólo alrededor de un 20% del carbón activado producido está destinado a aplicaciones en fase gaseosa, suele ser mucho más caro, y en cuanto a costo supone alrededor del 40% del valor total del carbón activado vendido. La mayor parte del este carbón es granular o conformado y las principales aplicaciones son: recuperación de disolventes, control de las emisiones de vapores de gasolina, control de gases industriales, separación de gases, eliminación de olores en depuradoras de aguas residuales, soporte de catalizadores, etc.
Los carbones activados que se utilizan en aplicaciones en fase líquida difieren fundamentalmente de los de fase gaseosa en la distribución de tamaños de poros, puesto que los primeros deben tener un mayor volumen de macroporos para facilitar la difusión de los líquidos a los meso y microporos. La aplicación puede requerir carbón activado en polvo, granular o conformado (el tamaño medio del carbón en polvo es 15-20mm, mientras que el granular suele ser 0,3-3,0 mm), y la selección se basa fundamentalmente en el grado de purificación que se requiera
El carbón activado tiene una amplia gama de aplicaciones tanto en polvo como granular en medio líquido y gaseoso.
Sus aplicaciones en medio líquido abarca la decoloración de licores de azúcar, potabilización de aguas (eliminación de olor, color, sustancias químicas, bacterias, tratamientos de aguas residuales, decloración de aguas para su uso en la fabricación de bebidas refrescantes, decoloración y mejora de bebidas alcohólicas (vinos, rones), purificación de grasas y aceites comestibles, purificación de proteínas, como medicamento en la desintoxicación de personas, purificación de plasma sanguíneo, separación de elementos metálicos ( oro, plata), entre otras.
Por su parte en medio gaseoso encuentra sus aplicaciones en el almacenamiento y separación de gases, en máscaras antigás, protección antirradiactiva en plantas nucleares,
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desodorizante de productosalimenticios, además hoy tiene amplias perspectivas de aplicación como soporte catalítico y como catalizador.
Entre otras aplicaciones, de forma general, se pueden mencionar su utilización en filtros de cigarrillos y plantillas de calzados, entre otros.
En general, el carbón pulverizado se aplica en medio líquido mientras el granulado puede ser aplicado en ambos medios (líquidos y gases).
o Tratamiento de agua:
Depuración de agua subterránea, Decloración del agua, Depuración de aguas para piscinas, Refinamiento de las aguas residuales tratadas. Remoción de impurezas que le dan color, olor y sabor al agua potable
- Factores que influyen en la adsorción 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.
o Uso médico:
El carbón activado es utilizado como agente adsorbente para tratar envenenamientos y sobredosis por ingestión oral. Previene la absorción del veneno en el estómago. 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 bronco aspiración (ingreso a los pulmones) y puede dar lugar a un desenlace fatal si no es controlado. Para el uso fuera del hospital, se presenta en comprimidos de
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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, pero por lo general se le llama simplemente carbón activado.
o Purificación del oro y plata:
Los carbones activados se utilizan por su estructura granular, los que tienen una gran superficie especifica, las que permiten un alto grado de adsorción del oro y la plata, desde las soluciones cianuradas ricas a la superficie de estos carbones. A nivel industrial el método de adsorción por carbón activado es él más usado.
El carbón activado se fabrica a partir de la corteza del coco debido a su dureza lo que lo hace más resistente a la abrasión y la rotura, adema su capacidad de adsorción es mayor que otros carbones activados fabricados a partir de otros materiales.
En estas operaciones se hacen pasar las soluciones que percolan de las pilas de lixiviación, por 5 o 6 columnas, las que en su interior contienen el carbón activado. Las columnas en contacto con las soluciones cianuradas son periódicamente rotadas para tener un mayor aprovechamiento de la capacidad de adsorción del carbón.
La alimentación de las columnas se hace en contracorriente las que mantienen las partículas de carbón en suspensión evitando que el lecho se compacte La cantidad de oro que puede cargar un carbón activado depende de la cantidad de cianuro libre que haya en la solución, las impurezas y del pH de la solución, como así también del tiempo de contacto o dicho de otra forma del flujo de alimentación.
La primera columna que se contacta con la solución es retirada periódicamente y rotadas las restantes, agregándose al final una nueva columna con carbón descargado. El oro adsorbido sobre el carbón activado es extraído del mismo, mediante una solución alcalina de sulfato de sodio o bien una solución cianurada
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en caliente. El oro que contendrá esta ultima solución cianurada, se puede recuperar mediante electrólisis y luego purificarlo (refinado).
o El carbón activo para los gases y el aire
Para la purificación de aire y de gasas, utilizamos en general carbón activo extruido o de grano grueso (carbón activo granular). Las aplicaciones típicas para gases y aire son:
Purificación del aire y protección medioambiental: extracción de solventes y de hidrocarburos, desaromatización, purificación de aire procedente de aparatos de aire acondicionado y de campanas extractoras, tratamiento de gases producidos por el humo. El carbón activo en polvo se utiliza para extraer dioxinas, mercurio y otros oligoelementos;
La purificación de gases de proceso: extraer contaminaciones en gas hidrógeno, gas natural, dióxido de carbono, gas procedente de vertederos, etc.; recuperación de solventes, etc.;
Medios de protección de la respiración: máscaras antigás, extracción de sustancias nocivas y tóxicas;
La ventilación de tanques de almacenamiento; El tratamiento de agua subterránea (purificación de agua mediante gases); Extracción de componentes inorgánicos en gases; tamices moleculares.
- Factores que influyen en la adsorción de compuestos presentes en el aire:
El tipo de compuesto que desea ser eliminado: En general los compuestos de alto peso molecular, baja presión de vapor/alto punto de ebullición y alto índice de refracción son mejor adsorbidos.
La concentración: Cuanto mayor sea la concentración, mayor será el consumo de carbón.
La temperatura: Cuanto más baja sea la temperatura, mejor será la capacidad de adsorción.
Presión: Cuanto mayor sea la presión, mayor será la capacidad de adsorción.
Humedad: Cuanto más baja sea la humedad, mayor será la capacidad de adsorción.
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o Otros:
Respiradores de cartucho
Eliminación de olores en lugares cerrados: cocinas, bodegas, refrigeradores, etc.
Adsorbente de etileno para evitar la maduración prematura de frutas y verduras.
Decoloración de vinos, zumos y vinagres
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Decoloración de azúcar y caramelo
Eliminación olores en plantillas de zapato
XIII. El Carbón Activado en el tratamiento de aguas para consumo humano:
El carbón activado es un sólido que tiene dos propiedades que lo han hecho muy útil en el tratamiento de aguas. La primera consiste en que el carbón activo retiene los compuestos orgánicos disueltos no eliminados por la degradación biológica natural, microcontaminantes y ciertos metales pesados a nivel de trazas., con una avidez tal que puede dejar un agua prácticamente libre de estos compuestos. La segunda, en que destruye el cloro libre residual que no ha reaccionado después de que dicho compuesto realizó una acción desinfectante.
En estas funciones se ha considerado desde hace muchos años la tecnología más rentable. Debido a ello, prácticamente todas las industrias que requieren agua potable utilizan carbón activado como uno de los procesos básicos de purificación.
El carbón activado tiene capacidad para lograr estados de equilibrio tales, que la concentración de los compuestos adsorbibles en el agua llega a niveles indetectables por
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los métodos de análisis comunes. Todo esto, aunado al hecho de que las fuentes de abastecimiento de agua potable normalmente tienen cantidades relativamente pequeñas de materia orgánica, hacen del carbón activado la mejor alternativa técnica y económica para su control.
En resumen, debe preverse el empleo de carbón activo cuando se deseen eliminar contaminantes orgánicos disueltos, tales como:
- Detergentes. - Colorantes de síntesis solubles. - Disolventes clorados. - Fenoles y derivados hidroxilados. - Derivados aromáticos, sustituidos o no, especialmente derivados clorados o
nitrados. - Benceno- Tolueno- Trihalometanos- Pesticidas como Atrazina,Clordano, Dinoseb, Endrin,Heptaclor, Lindano, Picloram,
Simazina y Toxafeno.
Compuestos inorgánicos, tales como:
- Cloro libre.- Ozono.- Yodo.- Arsénico (en complejos orgánicos).- Cromo (en complejos orgánicos).- Mercurio (en complejos orgánicos).
Estéticos, tales como:
- Color.- Olor y sabor.- Espuma (sustancias activas al azul de metileno).- Sabores.
Selección del mejor carbón activado:
Para la selección del mejor tipo de carbón activo para la adsorción de un determinado contaminante, así como de los mejores parámetros de operación de un filtro (tiempo de contacto, granulometría del carbón activo, altura del lecho, etc.), es posible llevar a cabo un "Test en Columna" consistente en filtrar una muestra del agua a tratar a través de columnas de carbón activo en grano.
Estas columnas deben de tener unas dimensiones mínimas de 60 cm de altura de carbón activo y 4 cm de diámetro interno y pueden estar fabricadas en cristal, plástico, fibra de vidrio o metal.
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Los resultados del test se expresan en curvas de saturación, en las que se compara la concentración de contaminante en el efluente frente al tiempo de tratamiento y/o caudales tratados. Para comparar varios carbones basta con instalar varias columnas en paralelo rellenas con los carbones a ensayar y operar con idénticos parámetros, de forma que en las curvas de saturación obtendremos el carbón activo de mayor vida útil para una determinada aplicación.
El diseño de los filtros de carbón activo granular depende de la calidad del agua y de la disponibilidad de espacio, así como de las etapas de tratamiento necesarias.
Básicamente se pueden usar filtros abiertos o filtros cerrados a presión. La velocidad de filtración en estos filtros ronda los 5-20 m/h y la altura de lecho como mínimo de 75 cm. Los filtros se deben contra lavar con agua, ya que el contra lavado con aire puede producir abrasión y formación de finos. La velocidad de contra lavado recomendable es de 10 - 15 m/h, lo que provocar una expansión del lecho de carbón de aproximadamente un 20%.
Carbón Activado Granular:
Carbón que se utiliza para declorinar y para la eliminación de trazas de compuestos orgánicos y deodorización.
Este tipo de carbones son de origen bituminoso, con alta resistencia a la atrición.
Pueden ser de cáscara de coco, de madera o de lignita.
Carbón Activado en Polvo:
Con este tipo de carbón se puede eliminar el color, sabor y el olor. Mucho de este tipo de carbón proviene de la madera. Son activados térmicamente, ofreciendo un gran espectro de poros que da diferentes aplicaciones que el cliente requiera.
Filtros de Carbón Activado:
El filtro de carbón funciona por el mismo principio que el filtro de arena, la diferencia radica en los elementos filtrantes y su finalidad. El carbón activado es un material natural que con millones de agujeros microscópicos que atrae, captura y rompe moléculas de contaminantes presentes. Se diseña normalmente para remover cloro, sabores y olores y demás químicos orgánicos. También es uno de los procesos finales del sistema de tratamiento de agua, su función es pulir la descarga final. Son fabricados en acero al carbón de alta resistencia y recubrimiento interno de polietileno para evitar la corrosión. Retrolavado 100% automático, con temporizador o volumen tratado
Los Filtros de Carbón Activado tienen la capacidad de retener ciertas partículas (productos orgánicos, gases disueltos, cloros, etc.), muchas de las cuales producen olores y/o sabores indeseados, tanto del aire como del agua.
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En el Tratamiento de Aguas Potables, los Filtros de Carbón Activado son prácticamente los últimos usados en todo el proceso de Potabilización. De esta forma, se garantiza su efectividad y duración.
El carbón activado también es conocido por su extraordinaria habilidad en
eliminar el cloro y su gusto y olor relacionados por la reducción química para una forma no detectable por los sentidos (por ejemplo: cloruros).
Los filtros de carbón activado remueven los compuestos orgánicos volátiles (VOC), los pesticidas y herbicidas, los compuestos con tribalometano, radón, los solventes y otros productos hechos por hombre y que encontramos en las aguas.
Es muy recomendable usar los Filtros de Carbón activado con un Pre-filtro y un Post-filtro. La función del primero es retener impurezas o partículas en suspensión, alargando de esta forma la vida de las partículas de Carbón Activo. La función del Post-Filtro es la de retener las partículas de Carbón Activo y evitar su paso al agua o aire tratado.
Este tipo de filtro funciona por un proceso electro-químico conocido por
ADSORCION, proceso por el cual las moléculas de determinadas impurezas se adhieren a la superficie del carbón activado. La efectividad del filtro de Carbón Activado dependerá del tipo y de la cantidad de partículas de Carbón activo contenido en él.
Eficacia del carbón activado:
La eficacia del carbón activo depende de:
La índole de la sustancia orgánica que se debe quitar. Sustancias con una masa molecular elevada y una baja solubilidad en agua se adsorben mejor;
La concentración de la sustancia que se debe quitar (el factor de carga). Cuanto más alta la concentración, mejor la adsorción;
La presencia de otros componentes orgánicos, que compiten con las sustancias que se deben de quitar por las plazas de adsorción disponibles;
Los parámetros del líquido (temperatura, presión, humedad, pH, etc.). Tiempo de Adsorcion:
El tiempo que lleva completar el tratamiento con carbón activado depende de los siguientes factores:
La cantidad de agua o aire contaminado. El tipo y la cantidad de químicos nocivos presentes. El tamaño y la cantidad de columna.
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Factores que influyen en la adsorción 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.
¿Que características debe tener el carbón para ser empleado en el tratamiento de agua?
El área de superficie (AS) del carbón activado varía de 500 a 2,500 metros cuadrados por gramo (m2/g), dependiendo de la materia prima y del proceso de activación. El grado típico de carbón para tratamiento de agua tiene un área de superficie de 900 a 1,100 m 2 /g. La NSF Internacional y la American Water Works Association (AWWA) han establecido estándares para el carbón activado y la American Society for Testing and Materials (ASTM) ha escrito métodos de prueba para permitirle a uno comparar la actividad (área de superficie o número de yodo), la densidad, el tamaño de malla, la humedad, la ceniza, la resistencia a la abrasión y otros parámetros aplicables a las especificaciones del carbón.
Figura 1: se ve la adsorción isotérmica específica para el carbón activo. En el eje horizontal se encuentra la concentración, y en el eje vertical la cantidad necesaria de
carbón. Usted puede utilizar este tipo de gráficos para optimizar su columna.
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Carbón activado de acuerdo a su origen:
TIPO DE CARBON ACTIVADO DE ACUERDO
CON SU ORIGEN
PRINCIPAL APLICACIÓN EN EL TRATAMIENTO
DE AGUAOBSERVACIONES
Madera de pino
Agua residual con colores intensos y/o con cantidades
sustanciales de grasas, aceites y otros compuestos de alto
peso molecular. Potabilización de agua superficial con alto
contenido de materia orgánica natural
Se requiere un carbón activado macroporoso, ya
que los contaminantes mencionados tienen un
tamaño molecular relativamente grande. Usado en la industria
textil, de alimentos y de petróleo. Como este
carbón activado es poco duro se aplica en polvo
Carbón mineral ligníticoAgua residual cuyos
contaminantes sean muy diversos, como es el caso de
las de procedencia municipal.
Este carbón activado tiene poros de muy diversos
tamaños, por lo que es el adecuado en el caso de que los contaminantes
sean de una gran gama de tamaños moleculares. La dureza de este carbón es
relativamente baja.
Carbón mineral bituminosoAgua residual en la que
predominen contaminantes de peso molecular intermedio.
Potabilización de agua superficial o con un ligero
La mayoría de los poros de este CA están en el
rango bajo de la mesoporosidad. Es menos
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color producido por algas.
duro que el de coco, pero más adecuado cuando hay
una alta proporción de contaminantes no volátiles
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.
Es el 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.
Carbón activado y la potabilización del agua:
Los diagramas de las figuras 1 y 2 son sólo ejemplos típicos que pueden tener diferencias, dependiendo de la calidad del abastecimiento de agua, así como de los parámetros que requieren cumplirse en el agua tratada.
Figura 1. Tren de potabilización típico en una industria de bebidas que se abastece de
un pozo
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Figura 2. Tren de potabilización típico en una planta municipal que se abastece de un
cuerpo de agua superficial
Descripción del proceso:
El agua es bombeada dentro de una columna que contiene el carbón activo, este agua deja la columna a través de un sistema de drenaje. La actividad del carbón activo de la columna depende de la temperatura y de la naturaleza de las sustancias. El agua pasa a través de la columna constantemente, con lo que produce una acumulación de sustancias en el filtro. Por esa razón el filtro necesita ser sustituído periódicamente. Un filtro usado se puede regenerar de diversas maneras, el carbón granular puede ser regenerado fácilmente oxidando la materia orgánica. La eficacia del carbón activo disminuye en un 5- 10% (1).
Una parte pequeña del carbón activo se destruye durante el proceso de la regeneración y debe ser sustituida. Si usted trabaja con diversas columnas en serie, puede estar seguro de que no tendrá un agotamiento total de su sistema de purificación.
El nivel de actividad de la adsorción se basa en la concentración de la sustancia en el agua, la temperatura y la polaridad de la sustancia. Una sustancia polar (= una sustancia que es soluble en agua) no puede ser eliminada o es malamente eliminada por el carbón activo, una sustancia no polar puede ser totalmente eliminada por el carbón activo. Cada clase de carbón tiene su propia isoterma de adsorción (véase el cuadro 1) y en el campo del tratamiento de aguas esta isoterma viene definida por la función de Freundlich.
La función de Freundlich:
x/m = sustancia adsorbida por gramo de carbón activo.
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Ce = diferencia de concentración (entre antes y después).
Kf, n = constante específicas.
La segunda curva del carbón activo (figura 2) muestra el agotamiento del filtro. Normalmente nosotros colocamos las unidades depuradoras-UV después de la columna de carbón activo.
Figura 1 :se ve la adsorción isotérmica específica para el carbón activo. En el eje horizontal se encuentra la concentración, y en el eje vertical la cantidad
necesaria de carbón. Usted puede utilizar este tipo de gráficos para optimizar su columna.
Figura2: nos muestra el agotamiento durante el uso de su columna. En el punto C3 la columna empieza a romper en el punto mas bajo y cerca del punto C4 su columna ya
no purifica. Entre el punto C3 y C4 usted necesita regenerar la columna.
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El lecho de adsorción:
En la práctica, como se ha indicado, la adsorción -sobre carbón activo- se lleva a cabo en forma continua o en forma discontinua. En la operación discontinua, el carbón activo -en polvo- se mezcla con el agua residual y se deja decantar. La operación continua se lleva a cabo en columnas conteniendo carbón granulado (de 40 a 80 mallas); es más económica que la operación discontinua y ha encontrado más aplicaciones.
La eliminación de contaminantes en las columnas de carbón activo se lleva a cabo mediante tres mecanismos:
1. Adsorción. 2. Retención de las partículas grandes. 3. Deposición de materia coloidal.
El grado de eliminación depende básicamente del tiempo de contacto entre cl agua a tratar y el carbón activo.
Un lecho compacto cumple cuatro funciones:
Filtración:
Normalmente, esta función debe reducirse al mínimo, para evitar el atascamiento del filtro, que se produce irremisiblemente en ausencia de sistemas de lavado eficaces, que provocan en cada ciclo una importante perturbación de las capas. Por otra parte, el carbón tiende a extraer de los flóculos con los que se ponen en contacto productos adsorbibles que contribuyen a su prematura saturación. Frecuentemente se recomienda, por estos motivos, efectuar una filtración previa del agua a través de arena.
Soporte bacteriano
La superficie del carbón ofrece condiciones ideales para la colonización bacteriana. Este fenómeno puede contribuir a la depuración, pero si no se realiza de forma perfecta, puede resultar peligroso (fermentación anaerobia causante de olores, atascamiento del lecho, etc.).
Acción catalítica
Una propiedad muy utilizada de los carbones activos -de interés en no pocos casos- es su acción catalítica y, más concretamente, la que ejercen sobre la reacción de oxidación del agua con cloro libre:
Cl2 + H2O → 2 HCl + ½ O2
Se realiza así la eliminación de cloro de un agua que haya sufrido un tratamiento de cloración en exceso. Esta acción eliminadora de cloro se caracteriza por la longitud
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de semi-decloración, que es la altura de lecho filtrante que, a una velocidad dada, provoca una reducción a la mitad de la dosis de cloro en el agua. El pH tiene una gran influencia en esta longitud. En la práctica, se utilizan, según la temperatura, el contenido de cloro libre y la tolerancia admitida sobre el cloro residual, cargas volúmicas que van de 5 a 15 volúmenes de agua por volumen de carbón activo y hora.
Se produce una acción catalítica del mismo tipo frente a las cloraminas, que se descomponen en nitrógeno y ácido clorhídrico. Sin embargo, su cinética es más lenta que en el caso del cloro libre (longitud de semidecloración mucho más elevada); por lo tanto, si se desea obtener resultados comparables, es preciso disminuir notablemente las cargas volúmicas.
El poder de eliminación de cloro de un carbón se ve afectado por todo lo que se opone al contacto entre el carbón y el agua a tratar: sedimentos de carbonato cálcico, saturación de la superficie por adsorción de contaminantes diversos, etc.
Adsorción
Esta es la principal misión del carbón; por lo tanto, debe prestarse especial atención al contacto agua-carbón y, en todos aquellos casos en que la capacidad del carbón desempeñe un papel fundamental en la economía del proceso, se considerará un sistema de contracorriente.
Curvas de rotura:
Cuando el agua residual fluye a través de una columna de carbón activo, los contaminantes se separarán gradualmente y el agua residual se va purificando progresivamente. No hay separación neta entre el agua depurada y la de alimentación. Se forma una zona de transición en la cual la concentración de contaminante varía desde un máximo, al final de la zona , hasta prácticamente cero en la parte inicial de la misma. Esta zona es la porción activa de la columna, y se denomina "zona de adsorción". El movimiento progresivo de esta zona de adsorción puede verse mediante la representación de las llamadas "curvas de rotura" (Fig. 1). Las ordenadas de una curva de rotura corresponden a la concentración del efluente; por ejemplo en mg / l de DQO (Demanda Química de Oxígeno), y las abscisas corresponden a la duración del flujo a través de la columna; por ejemplo, en horas de flujo. Con frecuencia las abscisas se expresan también en función de los volúmenes de lecho de flujo total; por ejemplo, en cientos de volúmenes de lecho (BV).
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Figura 1. Curva de rotura típica en columna de adsorción
Normalmente, la operación de una columna de adsorción no se prolonga hasta su agotamiento. Puede decidirse parar la operación cuando la concentración del efluente alcanza un valor dado. Esta concentración se denomina ''concentración de rotura (Ce)". Si la concentración del efluente alcanza el valor de rotura y ésta corresponde a un tiempo de flujo de flujo que dista mucho del correspondiente a la concentración del soluto en el efluente (tiempo necesario para el agotamiento), no resulta económico en esas condiciones enviar el contenido de la columna a la sección de regeneración. Se evita este inconveniente utilizando varias columnas operando en serie, de forma que el efluente de una columna sea la alimentación de la siguiente. En un sistema bien diseñado, cuando la concentración del efluente de la última columna de la serie alcanza la de rotura, el adsorbente de la primera columna se enviaría a la sección de regeneración y el afluente se aplicaría a la siguiente columna de la serie. Simultáneamente, una columna fresca, ya regenerada, se colocara a continuación de la columna para la cual se hubiese alcanzado la concentración de rotura. De esta forma, la concentración final del efluente de la serie de columnas nunca superará la concentración de rotura especificada (CE).
En la mayoría de las ocasiones, la adsorción en carbón activo se realiza en columnas sin que nunca se establezcan las condiciones de equilibrio ni de estado estacionario. En estas columnas de adsorción se emplea carbón activo granulado. La capacidad de adsorción obtenida en ensayos discontinuos en condiciones de equilibrio no puede aplicarse a la operación en columnas.
La única forma segura de diseñar un sistema de adsorción con carbón es llevar a cabo ensayos a escala semipiloto en columna bajo condiciones similares a las de operación a escala real. El estudio considera una columna de adsorción
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carbón activo a la que se alimenta agua a tratar, con una concentración de soluto Co, (mg/l). Se desea reducir la concentración hasta un valor igual o inferior a Ce (mg/l), Al comienzo de la operación -con el adsorbente fresco- la concentración del efluente es menor que la concentración permisible Ce Transcurrido un tiempo (t) se alcanza la concentración Ce correspondiente al punto de rotura. El modelo supone una velocidad de adsorción de acuerdo a una cinética de primer orden.
r = K·C
El funcionamiento en continuo de las columnas de carbón activo puede evaluarse mediante la ecuación desarrollada por Bohart y Adams.
En la que K es la constante de velocidad, No la capacidad de adsorción (Kg de soluto/ m3 de carbón); D la profundidad de lecho de carbón (m); V la velocidad lineal (m/h) y t el tiempo de servicio (h).
A tiempo cero (t=0) , la profundidad teórica de carbón suficiente para evitar la concentración de soluto en el efluente exceda el valor de Ce se denomina profundidad crítica del lecho: Do (m). Evidentemente, Do será menor que D.
Do se obtiene de la ecuación anterior haciendo t=0 y despejando D, que en este caso es igual a Do. Como el término exponencial es mucho mayor que la unidad, se desprecia el término unidad entre paréntesis en el primer miembro. El resultado final es:
El tiempo en servicio se obtiene despejando t y despreciando el término unidad entre paréntesis en el primer miembro al compararlo con el término exponencial. Se obtiene:
Esta expresión es la base para la determinación experimental de los parámetros No y K en columnas a escala semipiloto.
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Procesos en las plantas de tratamiento de aguas residuales:
Sistemas para tratamiento de aguas residuales por adsorción:
Como se ha dicho, la adsorción puede llevarse a cabo a escala industrial integrándose en distintas etapas, según los modelos esquematizados en la figura 2, utilizando dos procedimientos básicos:
Contacto en tanque agitado:
El adsorbente, en estado pulvurulento, se añade al agua a tratar y la mezcla se mantiene agitada el tiempo necesario para alcanzar la concentración final deseada en la fase líquida, o en último término, la concentración de equilibrio. Después de separar las dos fases por sedimentación y/o filtración, se regenera el adsorbente si da lugar. Este procedimiento puede operar en varias etapas o en continuo.
Contacto en columna:
El agua a tratar se hace pasar a través de un lecho de material adsorbente en estado granular, a la velocidad adecuada para asegurar el tiempo de contacto necesario. El lecho opera en continuo y en condiciones de anegamiento. El adsorbente saturado se sustituye o se regenera, lo que puede hacerse dentro o fuera de la propia columna. Se requiere el empleo de una o más columnas de funcionamiento intermitente para que el sistema opere en continuo. Son posibles dos alternativas: lechos fijos y lechos móviles. Los tres sistemas básicos de trabajo son los de flujo descendente en lecho fijo (en serie o en paralelo) (Figs. 3 y 4), flujo ascendente (Fig. 5) en lecho compacto o expandido y flujo a través de lecho móvil expandido o fluidizado ( (Fig. 6) en contracorriente (agua ascendente- carbón descendente). La elección de uno otro tipo d pende de factores de orden funcional y técnico-económico pero, en general, la segunda de las formas de trabajo indicadas resulta la preferida.
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Figura 2. Situaciones posibles de la etapa de adsorción en un sistema integral
Figura 3. Lechos fijos en serie. Flujo descendente
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Figura 4. Lechos fijos en paralelo. Flujo descendente
Figura 5. Lechos compactos o expandidos en serie. Flujo ascendente
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En la tecnología con lechos fijos se emplean normalmente dos o más columnas en serie o en paralelo, lo que permite lavar bien la primera columna, y también regenerar únicamente la fracción más saturada del carbón (primera columna). Se organiza así un sistema de contracorriente por permutación cíclica 1,2,3→2,3,1 regenerada, etc.
La tecnología utilizada se asemeja a la de los filtros de arena. Debe prestarse especial atención a los sistemas de lavado, debido al riesgo de pérdida de carbón por flotación. Como se ha dicho, según los medios con que el carbón activo se ponga en contacto con el agua, la materia en suspensión presente también puede ser eliminada. Una columna típica se esquematiza en la figura 7. El agua se introduce por la parte superior de la columna y sale por la inferior. El carbón se mantiene en su lugar por medio de una rejilla en el fondo de la columna. Es necesario prever las instalaciones de lavado en superficie y a contracorriente. El lavado a contracorriente es necesario para evi-tar las pérdidas de carga excesivas. Tales columnas pueden operar solas, o como se ha dicho, en serie y también en paralelo.
Figura 6. Lecho móvil (expandido). Flujo en contracorriente
Las operaciones de paradas o interconexiones a la hora de la regeneración
dependerán de la configuración del sistema de columnas.
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El problema de la obstrucción de carbón puede reducirse si se utiliza un
lecho expandido y flujo ascendente (Fig. 5). Durante la operación, el afluente se
introduce por el fondo de la columna y se deja que se expanda el lecho, como si se
tratase de un lecho filtrante durante un lavado a contracorriente. El carbón
consumido se va sustituyendo en forma continua por nuevo carbón. En un sistema
así la pérdida de carga no aumenta con el tiempo, una vez que se ha alcanzado el
régimen de funcionamiento normal.
Figura 7. Columna de adsorción. Lecho fijo. Flujo descendente
El lecho móvil (Fig. 6) funciona a contracorriente agua-carbón activo. Otra
disposición es aquélla en que la base del lecho es un lecho fluidizado, lo que facilita
la extracción del carbón.
Adsorbedores de carbón activado granular, modos de operación y configuración:
Flujo ascendente y descendente :
El carbón activado granular adsorbe de la misma manera, independientemente
de que el fluido circule en sentido ascendente o descendente. Por lo tanto, en ambos
casos, las dimensiones de la cama y del equipo son iguales.
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Cuando el flujo es descendente, el carbón también actúa como filtro,
reteniendo los sólidos suspendidos en la parte superior de la cama. La desventaja está
en que hay que contar con una bomba capaz de vencer la caída de presión, que puede
llegar a ser considerable cuando hay presencia de sólidos suspendidos. Al llegar a ser
inaceptable la caída de presión, hay que efectuar un retrolavado. La frecuencia del
mismo y la cantidad de líquido utilizado para esta operación pueden ser altas. La
tubería debe permitir el flujo descendente durante el ciclo de adsorción y ascendente
durante el retrolavado.
La adsorción en flujo ascendente puede realizarse manteniendo la cama de carbón compacta o fluidizada. El segundo caso es el más común y se conoce como adsorción en cama expandida, que se utiliza en el tratamiento de líquidos con un alto contenido de sólidos suspendidos. La mayoría de estos sólidos no se retienen, sino que pasan entre las partículas de carbón a lo largo de toda la cama y salen con el efluente tratado, evitando así un taponamiento prematuro, y las consiguientes pérdidas de tiempo y de agua para el lavado. En este modo de operación, la caída de presión es relativamente baja y sólo se requieren lavados ocasionales para remover sólidos suspendidos que se hayan acumulado.
La tubería es más simple que en el caso de flujo descendente, ya que la dirección del flujo en el ciclo de adsorción es la misma que en el de lavado.
En los sistemas de cama expandida es importante mantener un buen control del flujo para lograr la expansión sin llegar a arrastrar las partículas de carbón hacia afuera del equipo. Esto es particularmente difícil cuando el líquido es viscoso. En este caso no se utiliza la cama expandida, y si el flujo es ascendente se restringe la parte superior de la cama para mantenerla compacta.
Flujo por gravedad y flujo a presión:
Los dos tipos de adsorbedores de carbón activado granular que existen para el tratamiento de agua y de líquidos en general, son el de flujo por gravedad y el de flujo a presión. El primero se utiliza principalmente en aplicaciones que tratan grandes volúmenes, como es el caso de las plantas municipales de potabilización o de tratamiento de agua residual. En este caso, son de cemento reforzado y su sección suele ser rectangular. Normalmente no cuentan con una tapa superior, excepto en el caso de que el objetivo sea el evitar ensuciamiento ocasionado por hojas y polvo. También existen adsorbedores de flujo por gravedad de tamaño pequeño, que pueden ser tanques de acero o plástico. Estos sólo se utilizan cuando no existe la posibilidad de bombear el fluido.
Los adsorbedores de flujo a presión son de acero o de fibra de vidrio. Generalmente son cilíndricos verticales, de tapas formadas, y se trabajan a presiones inferiores a 7 Kg/Cm2. Aunque su operación requiere de bombeo, tienen la ventaja de poder utilizar mayores cargas hidráulicas -flujo por unidad de área de sección-, lo que
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significa que son de menor tamaño por unidad de volumen de líquido tratado que los de flujo por gravedad. Las características básicas de los ad-sorbedores se muestran en la Tabla I. Existen además otras que los diferencian entre sí, como los distribuidores, colectores del líquido y los métodos de soporte de la cama.
Tipo de adsorbedor
Material DiámetroAltura de la
cama de CAG Comentarios
Flujo por gravedad
Cemento reforzado
Usualmente son de seccion rectangular
Hasta 1.2 m
La relación largo-ancho usualmente
es de 2//1.requieren de un
área relativamente
grande
Flujo a presiónAcero al carbón
recubierto internamente
Hasta 3.5 m Hasta 10.0 m
Requieren de un área
relativamente pequeña
Flujo a presión
Acero inoxidable
316 o fibra de
vidrio
Hasta 1.5 m Hasta 3.0 m
Requieren de un
área
relativamente
pequeña.
Suelen ser
rentables en
tamaños no muy
grandes.
Características de los sistemas de columnas de adsorción:
Columnas de flujo descendente
Se dan en ellas procesos de adsorción y filtración simultáneos. - Se requieren lavados de la superficie filtrante más frecuentes.
Se produce una más rápida obstrucción de poros por aglomeración de partículas coloidales (en suspensión), lo que exige limpieza y regeneraciones más frecuentes del carbón, disminuyendo así su vida activa.
Columnas de flujo ascendente
La densidad de las partículas aumenta a medida que pasa el tiempo en servicio, como consecuencia de la retención de materiales.
El lecho tiende a expandirse respecto de su posición de reposo en parado. Se generan finos por atrición de partículas, pudiendo escapar con la corriente de
salida.
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Configuración de adsorbedores de carbón activado granular:
El carbón activado granular puede aplicarse en sistemas:
De una sola columna. De múltiples columnas (Fig. 1) En paralelo. En Serie. Combinadas en serie-paralelo.
La operación en una sola columna o en un sistema de múltiples columnas en paralelo es la más conveniente cuando:
1. La zona de transferencia de masas (ZTM) es muy corta. Es decir, la altura de la cama de carbón necesaria para eliminar totalmente el contaminante, es pequeña en proporción a la altura total de la cama.
2. El tiempo de vida útil del carbón activado granular es relativamente alto y, por lo tanto, el coste de reemplazo o de regeneración es mínimo respecto al de toda la operación.
3. No se justifica una segunda o tercera columna, debido a que la disminución en el coste del carbón activado granular, a causa de su mejor aprovechamiento, no cubre la inversión en equipo adicional.
De otro modo, debe diseñarse un sistema en serie de dos o más columnas. Además, existe una situación particular en la que lo más probable es que se requiera el sistema en serie. Se trata de aquella en la que la altura de una sola columna es mayor que la del lugar en el que ésta se requiere instalar.
Los sistemas en paralelo se aplican en el caso de que el flujo que requiera tratarse sea muy considerable, o en aquel en el que la caída de presión en un solo equipo, fuera a ser muy grande. Con un sistema en paralelo, la potencia de bombeo, compresión o ventilación es menor, y en el caso de líquidos, particularmente de los que son viscosos, los materiales de las columnas y de las tuberías requieren de un menor espesor.
Figura 1. Sistemas de múltiples columnas
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Las columnas son iguales entre sí, se distribuyen con una separación uniforme,
reciben la misma alimentación y descargan en un cabezal común. Estos sistemas
también se utilizan cuando resulta más práctico o económico el uso de dos o más
columnas de menor diámetro que el de una sola.
En sistemas de una sola columna o en sistemas en paralelo, el carbón que se
descarga para su regeneración o disposición final, normalmente no está totalmente
agotado. Ello se debe a que la ZTM aún está dentro de la columna cuando se re-
quiere la reposición.
En los sistemas en serie, el efluente de una columna es el influente de la siguiente.
Su operación permite una alta pureza en el efluente y el aprovechamiento de toda la
capacidad del carbón utilizado. Cuando se ha saturado el carbón de la primera
columna en la serie, se descarga para regenerarse o descartarse, y se conecta otra
columna con carbón fresco al final de la serie. El carbón removido está totalmente
agotado o más agotado que el de las siguientes columnas en la serie, debido a que la
ZTM ya terminó de pasar por ahí. Por lo tanto, los costes de operación de estos
sistemas suelen ser menores que para los sistemas de una sola columna o los sistemas
en paralelo que traten el mismo fluido.
Un sistema combinado en serie- paralelo tiene, tanto las ventajas de mayor
eficiencia de los sistemas en serie como las de baja caída de presión y practicidad de
los sistemas en paralelo.
Todo lo anterior se aplica a sistemas de lecho fijo, en los que el carbón permanece
estático y el fluido circula en sentido ascendente o descendente. Es decir, incluye los
sistemas en cama expandida. Sin embargo, no incluye a los sistemas de cama
pulsante que se describen a continuación.
Cama pulsante:
La cama pulsante es aquella en la que el carbón se mueve en sentido opuesto al
del flujo. El líquido fluye hacia arriba mientras una porción del carbón agotado se
desaloja por el fondo y un volumen igual de carbón virgen o regenerado se agrega por
la parte superior. La cama pulsante se comporta como los sistemas de cama fija en
serie. La remoción de un volumen de carbón por el fondo de la columna pulsante
equivale a la remoción del carbón en la primera columna del sistema en serie.
Los sistemas de cama pulsante pueden operar en forma continua o semicontinua.
En la primera, constantemente se está removiendo el carbón agotado del fondo,
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mientras se está agregando carbón virgen o regenerado por la parte superior. En la
operación semicontinua, que es la más común, un cierto volumen de carbón agotado
se remueve del fondo a ciertos intervalos, por ejemplo de una vez cada 8 h, y un
volumen equivalente de carbón fresco se agrega por la parte superior.
Entre el sistema de camas múltiples en serie y el de cama pulsante, se recomienda
el primero cuando el líquido contiene sólidos suspendidos, cuando el líquido es
biológicamente activo o cuando el consumo de carbón es relativamente bajo. Las dos
primeras razones se deben a que el lavado de los sistemas de cama pulsante resulta
complicado.
Adsorbatos:
Históricamente, la adsorción en el tratamiento de aguas se ha aplicado a la
eliminación del olor y el sabor. Actualmente, se dirige más hacia la eliminación de
compuestos orgánicos naturales o sintéticos.
La experiencia demuestra que los carbones activos son buenos adsorbatos, ya que
son adsorbentes de amplio espectro. La mayoría de las moléculas orgánicas se fijan
en su superficie, siendo las que peor se fijan las moléculas más cortas y las más
polares (alcoholes y ácidos de menos de tres átomos de carbono). Las moléculas más
pesadas se adsorben con mayor facilidad. Como los compuestos más fácilmente
biodegradables son los que peor se adsorben, el tratamiento de adsorción adquiere un
carácter complementario muy apreciado, en relación con el tratamiento biológico.
Eliminación de cloro libre:
Una de las principales aplicaciones del carbón activado es la decloración o la eliminación de cloro libre del agua. Dicho compuesto no proviene de las fuentes naturales de abastecimiento, tales como pozos, ríos o lagos. Tampoco es contaminante, sino que es un reactivo químico que se le agrega al agua, principalmente como desinfectante. y en ocasiones para controlar olor y sabor, y controlar el crecimiento biológico o eliminar amoniaco.
La decloración consiste en un mecanismo complicado que puede seguir distintos caminos de reacción en los que el carbón activado puede intervenir como reactivo o como catalizador.
El cloro libre puede adicionarse al agua en forma de cloro líquido, solución de hipoclorito de sodio, o tabletas - gránulos - de hipoclorito de calcio. En cualquiera de estos casos, el resultado es el mismo, quedando el cloro disuelto en forma de ácido hipocloroso (HOCI), un ácido débil que tiende a disociarse parcialmente.
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HOCl ↔ H+ + OCL-
La distribución entre ácido hipocloroso e ión hipoclorito depende del pH y de la concentración de estas especies. A ambas formas moleculares se las define como cloro libre. Las dos son fuentes oxidantes que al ser adicionados al agua empiezan por reaccionar de manera casi inmediata con impurezas orgánicas e inorgánicas y susceptibles de oxidarse.
El cloro que reacciona en esta etapa deja de ser libre y pasa a ser combinado. El restante requiere de algún tiempo que puede ir de unos cuantos segundos a varías decenas de minutos, según su concentración, para ejercer un efecto biocida en los microorganismos. Se cree que la toxicidad del cloro libre radica en la reacción de éste con el sistema enzimático de las células.
El cloro que interviene en esta etapa de desinfección, también se combina y deja de ser libre. Una vez terminada esta etapa, es necesario eliminar el cloro libre residual, no sólo porque es tóxico para el ser humano, sino porque imparte un mal olor y sabor al agua, interfiere con procesos industriales, daña a la mayoría de las resinas de intercambio iónico utilizadas en los suavizadores y en los desmineralizadores, y afecta a las membranas de ósmosis inversa.
Aunque se han desarrollados varios procesos para disminuir los niveles de cloro libre en agua, la decloración en un lecho fijo de carbón activo granular (carbón activado granular) ha sido el más rentable, y por lo tanto el más común. Se trata de un tanque cilíndrico vertical con una cama de carbón activado granular por la que se hace circular el agua. Cuando el carbón se expone al cloro libre, se llevan a cabo reacciones en las que el ácido HOCI 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 carbón activado granular actúa como agente reductor, de acuerdo con las siguientes reacciones:
HOCI + C* → C*O + H+ + CI-
2HOCl+C* → C*O2+2H+ +2Cl-
donde C* representa al carbón activo. 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 C02. Esto vuelve a dejar espacios disponibles que por lo tanto aumentan la capacidad del carbón activado granular para esta reacción de reducción. En cuanto al cloruro, 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 cloruro. 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 carbón activado.
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En las reacciones anteriormente expuestas, puede intervenir el OCl-, en lugar del HOCl, con la diferencia de que no se produce H+. Puede observarse que el carbón activo reacciona y por lo tanto desaparece. Si no hubiera acumulación de óxidos superficiales, la reacción continuaría hasta la desaparición completa del carbón. Otro camino de reacción, en el que el carbón actúa solamente como catalizador, es el siguiente:
3HOCl HClO3 +2H+ +Cl-
Este se favorece cuando un importante porcentaje de la superficie del carbón activado granular ya está saturada. Por otro lado, existen muchas otras posibles reacciones, algunas de las cuales se llevan a cabo entre el cloro libre y los óxidos superficiales que estaban presentes en el carbón desde antes de su aplicación. Cada una de ellas puede formar otros grupos más complejos, con la subsecuente liberación de H+ y Cl-. Un ejemplo de éstas es:
C*OH + OCl- → C*OO- +H+ +Cl-
Con todo lo anterior se observa que la decloración es una operación compleja, en la que el carbón activado granular actúa como quimiadsorbente. Se han desarrollado varias expresiones matemáticas que intentan describir la decloración en lechos de carbón, pero ninguna de ellas ha sido suficientemente precisa.
Hay que aclarar que al mismo tiempo que el carbón activado granular actúa como declorador, adsorbe la materia orgánica presente en el agua. Por lo tanto, a mayor contaminación orgánica, disminuye su tiempo de vida como declorador, y viceversa. También hay que mencionar que aún cuando el carbón siga eliminando todo el cloro libre, puede ya no estar reteniendo materia orgánica. Es decir, termina antes su capacidad de adsorción física -de moléculas orgánicas - que su capacidad de declorar. Muchas empresas potabilizadoras cuya agua contiene algunos contaminantes orgánicos, erróneamente deciden cambiar el carbón en el momento que encuentran trazas de cloro libre en el efluente del declorador.
Condiciones que afectan la decloración
1) Al disminuir el tamaño de partícula del carbón activado granular, aumenta considerablemente la velocidad de difusión, y por lo tanto la velocidad de decloración. Como consecuencia aumenta el tiempo de vida útil. El uso del menor tamaño de partícula posible, es la manera más sencilla y eficaz de lograr el mayor aprovechamiento del carbón activado granular.
2) El pH del efluente controla la forma del cloro libre en el agua. Cuando su valor es de 7,6 la mitad del cloro libre está presente como HOCl y la otra mitad como OCl-. La reacción del HOCl con el carbón activo es mucho más rápida que la del OCl-. A un pH de 4,0 casi todo es HOCI y a un pH de 10,0 casi todo es OCl-. Por lo tanto, mientras menor es el pH, la reacción es más rápida, y el resultado es un mayor tiempo de operación antes de detectar cloro libre en el efluente.
3) La velocidad de decloración aumenta al aumentar la temperatura, debido a que la viscosidad del agua disminuye, haciendo más rápida la difusión del cloro libre
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hacia la superficie del carbón activado granular. Como resultado, también se alarga la vida útil del carbón.
4) Al aumentar la concentración de cloro libre en el efluente, se satura el carbón activado granular en menor tiempo. Independientemente del valor que puedan tener las distintas condiciones anteriores, el carbón activado granular tiene una alta capacidad de decloración en relación con la de adsorción de contaminantes orgánicos.
Compuestos orgánicos:
En general, cuanto menos soluble en el agua es un compuesto orgánico, mejor se adsorbe a partir de su disolución. Esta es la regla de Lundelius. Análogamente, el compuesto menos polar es el mejor adsorbido a partir de sus soluciones acuosas polares, sobre carbón poco o nada polar. Ambas reglas cualitativas surgen de la necesidad que tiene una molécula orgánica de romper las uniones disolvente- adsorbato para poder adsorberse.
Estos enlaces son generalmente más fuertes cuando el adsorbato es muy soluble en el agua o presenta con este disolvente una interacción dipolo-dipolo. Las moléculas orgánicas son, en general, las menos solubles, y tienden a difundirse más lentamente a través de los poros, adsorbiéndose con mayor dificultad cuanto más grandes sean, al no poder penetrar fácilmente en los poros más pequeños.
Según esto podemos clasificar algunos compuestos según su probabilidad de ser eficazmente adsorbidos por el carbón activo en el agua:
1.- Compuestos con muy alta probabilidad de ser eliminados por el carbón activo:
2,4-D Deisopropiltatracina LinuronAlacloro Desetilatracina MalationAldrin Demeton-O MCPA
Antraceno Di-n-butilftalato MecopropAtracina 1,2-Diclorobenceno Metazaclor
Azinfos-etil 1,3-Diclorobenceno 2-Metil bencenaminaBentazona 1,4-Diclorobenceno Metil naftaleno
Bifenil 2,4-Diclorocresol 2-Metilbutano2,2-Bipiridina 2,5-Diclorofenol Monuron
Bis(2-Etilhexil) Ftalato 3,6-Diclorofenol NaftalenoBromacil 2,4-Diclorofenoxi Nitrobenceno
Bromodiclorometano Dieldrin m-Nitrofenolp-Bromofenol Dietilftalato o-NitrofenolButilbenceno 2,4-Dinitrocresol p-Nitrofenol
Hipoclorito de calcio 2,4-Dinitrotolueno OzonoCarbofurano 2,6-Dinitrotolueno Paration
Cloro Diuron PentaclorofenolDióxido de cloro Endosulfan Propacina
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Clorobenceno Endrin Simacina4-Cloro-2-nitrotolueno Etilbenceno Terbutrin
2-Clorofenol Hezaclorobenceno TetracloroetilenoClorotolueno Hezaclorobutadieno Triclopir
Criseno Hexano 1,3,5-Trimetilbencenom-Cresol Isodrin m-XilenoCinacina Isooctano o-Xileno
Ciclohexano Isoproturon p-XilenoDDT Lindano 2,4-Xilenol
2.- Compuestos con alta probabilidad de ser eliminados por el carbón activo:
Anilina Dibromo-3-cloropropano 1-PentanolBenceno Dibromoclorometano Fenol
Alcohol bencílico 1,1-Dicloroetileno FenilalaninaÁcido benzoico cis-1,2- Dicloroetileno Ácido o-ftálico
Bis(2-cloroetil) éter trans-1,2- Dicloroetileno EstirenoBromodichloromethane 1,2-Dicloropropano 1,1,2,2-Tetracloroetano
Bromoformo Etileno ToluenoTetracloruro de carbono Hidroquinona 1,1,1-Tricloroetano
1-Cloropropano Metil Isobutil Ketona TricloroetilenoClorotoluron 4-Metilbencenamina Acetato de vinilo
3.- Compuestos con probabilidad moderada de ser eliminados por el carbón activo*:
Ácido acético Dimetoato MetioninaAcrilamida Etil acetato Metil-tert-butil éterCloroetano Etil éter Meti etil ketonaCloroformo Freón 11 Piridina
1,1-Dicloroetano Freón 113 1,1,2-Tricloroetano1,2-Dicloroetano Freón 12 Cloruro de vinilo
1,3-Dicloropropeno GlifosatoDikegulac Imazipur
*(Para estos compuestos el carbón activo es una tecnología efectiva solo en ciertos casos).
4.- Compuestos para cuya eliminación no es probable que el carbón activo sea efectivo. Sin embargo sí lo es en ciertos casos en los que el flujo o la concentración del compuesto son muy bajos:
Acetona Cloruro de metileno
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Acetonitrilo 1-PropanolAcrilonitrilo Propionitrilo
Dimetilformaldehido Propileno1,4-Dioxano Tetrahidrofurano
Isopropil alcohol UreaCloruro de metilo
Otros factores relacionados con la adsorción de compuestos orgánicos tienen que ver con las afinidades químicas específicas entre los grupos funcionales de] adsorbente y el adsorbato. Los fenoles sustituidos, por ejemplo, se adsorben mejor que los halometanos o el etileno. Estos compuestos orgánicos volátiles son disolventes industriales, a menudo presentes en altas concentraciones. Su eliminación es difícil o requiere frecuentes regeneraciones de los lechos. Los hidrocarburos policíclicos aromáticos y las nitrosaminas se adsorben rápidamente. Como quiera que no suele haber mucha información disponible sobre la adsorción de las especies orgánicas con carbón activo granular, es con frecuencia necesario realizar ensayos en tanque o en columna en laboratorio, antes de pasar a predecir la eficacia en la eliminación de tales compuestos en un lecho a gran escala. La mayoría de los compuestos poco adsorbibles son muy solubles y de peso molecular bajo; pero también hay otros de peso molecular muy elevado. En el caso de los ácidos orgánicos y de las bases, la adsorción depende mucho del pH, eliminándose preferentemente las moléculas de tipo neutro.
Compuestos inorgánicos :
Algunos compuestos inorgánicos pueden eliminarse por adsorción sobre carbón activo. Metales a nivel de trazas, como el mercurio, el arsénico y el plomo pueden ser eliminados con carbón activo granular. La siguiente tabla presenta una lista de metales según su grado de adsorción. La mayoría de los cationes y aniones presente en las aguas naturales no se adsorben, como es el caso del calcio, sodio, ortofosfatos, nitratos y haluros.
Metales y compuestos inorgánicos clasificados por su potencial adsorción sobre carbón activado
- Metales fácilmente adsorbibles:
Antimonio, arsénico, bismuto, cromo, estaño.Metales de potencial de adsorción medio:Plata, mercurio, cobalto, zirconio
- Metales de potencial de adsorción menos bueno:
Plomo, níquel, titanio, vanadio, hierro
- Metales con bajo potencial de adsorción:Cobre, cadmio, zinc, bario, selenio, molibdeno, manganeso, wolframio, radio
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Otros compuestos inorgánicos Adsorción potencialNitrato BajaFosfato BajaCloro AltaBromo AltaIodo Alta
Cloruro BajaBromuro BajaIoduro Baja
Fluoruro Alta
Los metales pueden reaccionar en los grupos funcionales oxigenados del carbón, desplazando a los iones de hidrógeno por intercambio iónico. Las superficies del carbón también pueden dar lugar a precipitados de sales metálicas por nucleación o coagulación.
Los metales reducidos en la estructura original del carbón también pueden reaccionar con los metales en estado iónico en solución, para reducirlos hasta una forma depositable.
Análogamente, los metales pueden ser oxidados catalíticamente.
Virus:
La adsorción de virus sobre carbón activo ha sido estudiada como un proceso para el tratamiento avanzado de aguas residuales y su posible reutilización. Los grupos funcionales específicos del carbón, como el carboxilo y el lactona, se cree que actúan como "sitios" para la adsorción de virus. El grado de adsorción depende en gran medida del pH; por tanto, la atracción electrostática entre los grupos cargados negativamente sobre el carbón y los grupos cargados positivamente sobre los virus es importante. Los estudios en laboratorio y planta piloto no son aún bastante consistentes y han demostrado que la eliminación de los virus con carbón activo es difícil de controlar.
Regeneración del carbón activo:
Aunque habitualmente es el carbón activo el adsorbente más adecuado para el tratamiento de las aguas, presenta con frecuencia grandes limitaciones, entre las que se pueden señalar las siguientes:
- Baja eficacia para la eliminación de determinados tipos de compuestos orgánicos; en general, de cierta polaridad.
- Elevado costo de regeneración. Esta operación ha de llevarse a cabo en la mayor parte de los casos por vía térmica, con una importante inmovilización de capital,
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- Alto consumo energético y pérdidas de adsorbente que alcanzan hasta el 10% o más de la masa del mismo en cada ciclo, como consecuencia de la reducción de tamaño de las partículas.
El carbón activo tiene un punto de saturación en el que pierde sus propiedades y simplemente continua presente de manera inerte, pero se puede regenerar
Para que sea económica la aplicación de carbón es necesario un medio eficaz para regenerarlo una vez que se haya alcanzado su capacidad de adsorción.
Los métodos para regenerar el carbón granular se basan en:
- Paso de vapor a baja presión a través del lecho, para evaporar y eliminar el disolvente ocluido. Si el carbón usado sólo ha adsorbido algunos productos muy volátiles, puede practicarse la regeneración del mismo mediante vapor, que además es útil para quitar la obstrucción de la superficie de los gránulos y esterilizar el carbón.
- Extracción del adsorbato mediante un disolvente, un ácido 0 un álcali. Se citan desarrollos que emplean un disolvente a 100'C y a pH elevado, con pérdidas de carbón del orden del 1 %.
- Regeneración por vía térmica. - Tratamiento del carbón con gases oxidantes.
Es frecuente el uso de una de las dos primeras técnicas en combinación con las siguientes; así, el carbón granular se regenera fácilmente por oxidación de la materia orgánica y su posterior eliminación de la superficie del carbón en un horno.
La regeneración del carbón se lleva a cabo, sobre todo, por vía térmica -proceso que requiere fuertes inversiones-, utilizando hornos de pisos (por ejemplo, tipo Herreshoff) múltiples, de tipo rotatorio o de lecho fluidizado.
Las pérdidas de carbón pueden llegar hasta el 10% por regeneración, por lo que al cabo de unas 10 a 12 regeneraciones se habrá sustituido, estadísticamente, toda la masa de carbón inicial. En el horno de cámara múltiple el carbón es calentado hasta una temperatura suficientemente elevada (900-930ºC) en una atmósfera aire-vapor (reactivación térmica con baja concentración de oxígeno para evitar que se inflame el carbón) para quemar el monóxido de carbono y el hidrógeno producido por la reacción de reactivación. Se recupera del 90 al 95% del material, con una capacidad de adsorción algo inferior a la del nuevo carbón.
Sus aplicaciones en medio líquido abarca la decoloración de licores de azúcar, potabilización de aguas (eliminación de olor, color, sustancias químicas, bacterias, tratamientos de aguas residuales, decloración de aguas para su uso en la fabricación de bebidas refrescantes, decoloración y mejora de bebidas alcohólicas (vinos, rones), purificación de grasas y aceites comestibles, purificación de proteínas, como medicamento en la desintoxicación de personas, purificación de plasma sanguíneo, separación de elementos metálicos ( oro, plata), entre otras.
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XIV. Conclusiones:
El carbón activado es una seria de carbones porosos preparados artificialmente para que exhiban un elevado grado de porosidad y una alta superficie interna.
La capacidad de un carbón activo para retener una sustancia determinada no solo está dada por su área superficial, sino por la proporción de poros cuyo tamaño sea el adecuado, es decir, de una a cinco veces el diámetro de la molécula de dicha sustancia.
La actividad del carbón activado en los procesos de absorción viene dada fundamentalmente, por la naturaleza de la materia prima y el proceso de activación utilizado en la producción del mismo.
Hay dos tipos de activaciones: Activación térmica y activación químicaLa activación térmica o física es el resultado de la gasificación del material carbonizado a temperaturas elevadas, mientras que la porosidad que se obtiene en la activación química es generada por deshidratación química que tienen lugar a temperaturas mucho mas bajas.
El Carbón activado tiene una gran variedad de tamaños de poros los cuales pueden clasificarse de acuerdo a su función, en poros de adsorción y poros de transporte. Otra clasificación de los poros, es la de la IUPAC que se basa en el diámetro de los mismos, de acuerdo a lo siguiente: Microporos: menores a 2 nm, mesoporos: entre 2 y 50 nm, macroporos: mayores a 50 nm (típicamente 200 a 2000 nm)
Los carbones activos pueden clasificarse atendiendo al tamaño de las partículas en carbón activado en polvo (CAP) y carbón activado granular (CAG).
Una vez que el carbón activado ha sido saturado con los componentes que debe adsorber en una aplicación industrial, puede ser regenerado mediante una serie de procesos, para así recuperar su estado original.En el tratamiento de agua, el carbón activo retiene materia orgánica, algas, detergentes, pesticidas, agentes oxidantes como cloro y ozono y en general todos los compuestos que causan problemas de olores y sabores en las aguas destinadas al abastecimiento de poblaciones.
XV. Bibliografía:
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