Obtencion de carbon activado a partir de la cascara de coco

Donaciano Luna1, Armando Gonzalez1, Manuel Gordon1a y Nancy Martın2

(1) UAM–Azcapotzalco, Area Termofluidos, Av. San Pablo 180, D.F., Mexico.(1a) mgs@correo.azc.uam.mx

(2) UAM-Iztapalapa, Depto. Quımica,Av. San Rafael Atlixco 186, 09340, D.F., Mexico, mgnc@xanum.uam.mx

Recibido: 11 diciembre 2006

Aceptado: 16 febrero 2007

Resumen

En Mexico el 80 % del carbon activado que se utili-za en la industria es de importacion. Por tal razon,en el presente trabajo, como parte de un proyec-to terminal, se presenta una breve descripcion so-bre el carbon activado, ademas de una propuestadel diseno teorico de una unidad piloto. Esta uni-dad tiene como base un horno rotatorio para la ob-tencion de carbon activado, material que tiene unalto valor agregado, a partir de la cascara del co-co, materia prima nacional, de menor valor y queMexico posee en abundancia. La unidad piloto cons-ta de tres partes: a) el molino, b) el horno rotato-rio y c) la camara de enfriamiento. El diseno propues-to utiliza materiales fabricados en el paıs, con cos-tos accesibles y una capacidad de produccion de me-dia tonelada de carbon cada seis horas.

Palabras clave: Carbon activado, horno rotatorio,cascara de coco, diseno de proceso

Abstract The 80 % of activated carbons used inthe industries in Mexico is of importation. The pre-sent work is part of a university terminal project.The basis of this project is the design of a plantto utilize shell coconut, since it is cheap and abun-dant in Mexico, as a raw material to produce acti-vated carbon. The current shell coconut carboniza-tion plant is designed to carbonize 1/2 tonnes of co-conut per day to produce activated carbon. Mate-rials with low costs and national products were used.The carbonization plant was integrated one the follo-wing: a) the mill; b) the rotary kiln, and c) the cham-ber of cool down.

Key words: Activated carbon, rotary kilns, coco-nut, process modeling,

Introduccion

El nombre de carbon activado se aplica a una se-rie de carbones porosos preparados artificialmente, atraves de un proceso de carbonizacion, para que ex-hiban un elevado grado de porosidad y una alta su-perficie interna.

El carbon activado es un adsorbente muy versatil yaque el tamano y la distribucion de sus poros en la es-tructura carbonosa pueden ser controlados para sa-tisfacer las necesidades de tecnologıa actual y futu-ra. Los carbones activados comerciales son prepa-rados a partir de materiales precursores con un al-to contenido en carbono, especialmente, materialesorganicos como, madera, huesos, cascaras de semi-llas de frutos, como tambien, carbon mineral, breas,turba y coque. La eleccion del precursor es funda-mentalmente una funcion de su disponibilidad, pre-cio y pureza, pero el proceso de fabricacion y la po-sible aplicacion del producto final deben ser igual-mente tomados en cuenta. Los carbones activadostienen un alto costo que va desde US $ 1200 has-ta US $14,000 la tonelada.

En Mexico, el 85 % del carbon activado que se usaen la industria quımica es de importacion, siendolos principales paıses abastecedores: Estados Unidos,los Paıses Bajos, Inglaterra, Alemania, Canada yFrancia.

El interes por este tipo de material se basa en algu-nas de sus propiedades: a) estabilidad termica; b) re-sistencia al ataque acido; c) caracter esencialmen-te hidrofobo (repelente al agua); d) bajo costo rela-tivo; e) estructura porosa. Por tal razon, en los ulti-mos anos ha aumentado considerablemente el nume-ro de investigaciones en lo que concierne a su sınte-sis, y a sus diversas aplicaciones, como en la separa-cion de gases y en la industria en general.

En el presente trabajo se propone el diseno de una

39

40 ContactoS 64, 39–48 (2007)

unidad piloto con un horno rotatorio para obtenercarbon activado a partir de la cascara del coco. Es-te trabajo formo parte de un proyecto terminal rea-lizado en colaboracion entre los departamentos deEnergıa de la UAM–A y el Departamento de Quımi-ca de la UAM–I. En esta parte del proyecto se pre-senta la parte teorica donde se incluyen los calcu-los para la realizacion y posterior construccion deuna unidad piloto. La unidad esta compuesta de tressecciones:

1. un molino,2. un horno rotatorio, y3. una camara de enfriamiento.

En Mexico no se conoce una tecnologıa nacional pa-ra disenar una planta para obtener carbon activado,en particular basada en hornos rotatorios. Estos hor-nos en general, son usados en la industria del cemen-to y para la incineracion de desechos; no se repor-ta su uso para la obtencion de carbon activado. Portal razon, se planteo como proposito obtener un pro-totipo a partir del presente modelo, que sea economi-co, de materiales accesibles y con buena capacidadde produccion para procesar cascara de coco y obte-ner carbon activado. Actualmente se esta trabajan-do en la parte del diseno real de la unidad, ya queel proyecto fue seleccionado dentro de la convocato-ria 2006, para integrarse al Programa Emprendedo-

res de la UAM–A.

Breve historia del carbon activado

Los primeros usos de materiales a base de carbon fue-ron en aplicaciones medicas. Para ello usaban carbonvegetal como adsorbente preparado a partir de ma-dera carbonizada, ası lo describen los griegos en unpapiro encontrado en Tebas que data de 1550 a.C.Posteriormente, los griegos amplıan su uso para fil-trar el agua, con el fin de eliminar malos olores y sa-bores y prevenir enfermedades.

De igual forma, se sabe que los barcos fenicios al-macenaban el agua para beber en barriles de ma-dera parcialmente quemados en su interior. Sin em-bargo, la primera aplicacion documentada del usode carbon activo en fase gas, se da en 1793 por elDr. D. M. Kehl quien usa carbon vegetal para elimi-nar olores emanados por la gangrena. El mismo doc-tor lo usaba tambien para filtrar el agua para be-ber [Oviedo, 2006].

La primera aplicacion industrial del carbon activadotuvo lugar en Inglaterra, en 1794, donde se uso comodecolorante en la industria del azucar, aun cuando la

patente se publica hasta 1812. En 1854 tiene lugar suprimera aplicacion a gran escala cuando un alcaldede Inglaterra ordena instalar filtros de carbon vegetalen los sistemas de ventilacion de los drenajes. En1872, aparecen las primeras mascaras con filtros decarbon activado usadas en la industria quımica paraevitar la inhalacion de vapores de mercurio.

No es sino hasta 1881, cuando Kayser introduce eltermino adsorcion para describir como los materialescarbonizados atrapaban a los gases. En fechas cer-canas, Von Raphael Ostrejko, quien se considera co-mo el inventor del carbon activado, desarrollo va-rios metodos para producir carbon activado tal y co-mo se conoce hoy en dıa. En 1901 patento dos de sumetodos.

Durante la Primera Guerra Mundial el uso de agen-tes quımicos trajo como consecuencia la necesidadde desarrollar filtros de carbon activado para masca-ras de gas. Este fue el punto de partida para el desa-rrollo de la industria de carbon activado que se ex-pandio hacia otros usos.

En los anos 60 varias plantas de aguas empezaron ausar carbon activado en forma de polvo o granular.

Actualmente, el carbon activado tiene cientos deaplicaciones diferentes, tanto en sistemas de vapor,como en fase lıquida. El mayor consumo a nivel mun-dial es para aplicaciones en fase lıquida siendo estede hasta un 80 % .

Entre sus variados usos podemos mencionar: parapurificar agua, desodorizar, adsorber gases, decolo-rar, o ionizar. Dadas sus caracterısticas muy versati-les, los hacen valiosos en las industrias de minerıa,vitivinicultura, de alimentos, cigarreras, farmaceuti-cas, fabricacion de filtros para control de emisiones,cosmetica y muchısimas otras areas.

En los ultimos anos, la creciente demanda de nuevossistemas de almacenamiento de energıa ha impulsa-do la utilizacion de los carbones activados en electro-dos de condensadores electricos de doble capa, tam-bien llamados super-condensadores. Estos dispositi-vos son usados en sistemas de copias de seguridad pa-ra computadoras, telefonıa movil, sistemas de poten-cia no-interrumpida, escaner, etc.

Carbon activo a partir de

la cascara de coco

A partir de la cascara de coco es posible obtener di-ferentes tipos de carbones activados para aplicacio-nes diversas variando las condiciones de preparacion.

Obtencion de carbon activado. . . Luna, D., Gonzalez, A., Gordon, M., Martın, N. 41

Por ejemplo, activando la cascara de coco a alta tem-peratura (800 ◦C) en presencia de vapor de agua sepuede obtener un carbon hidrofılico (afinidad con elagua), microporoso (con ultramicroporos de diame-tros < 0.7 nm), apropiado para aplicaciones que in-volucran separacion de gases; pero, si se activa a me-nor temperatura (450 ◦C) usando un agente quımi-co, como acido fosforico o cloruro de zinc, se pue-de obtener un carbon hidrofılico de poros mas anchos(con mesoporos > 2 nm) apropiado para aplicacio-nes en fase lıquida [Reinoso, (2005)]. Ademas, de ob-tener una amplia distribucion de poros, el carbon ac-tivado obtenido de la cascara de coco resulta conmayor dureza y resistencia, comparado con el obte-nido de madera. Otra ventaja que ofrecen los car-bones activados obtenidos de materiales organicos,en relacion a los obtenidos de materiales inorgani-cos, es que en los primeros, el porcentaje de ceni-zas es menor.

El coco como materia prima a nivel mundial es muyabundante. Se produce en mas de 90 paıses en elmundo, no obstante solo en una docena de ellos seconcentra el 91.1 % de superficie plantada con es-te cultivo. Los paıses asiaticos son los que cuen-tan con la mayor extension. Los dos unicos paıses enAmerica que forman parte de este grupo son Bra-sil con 2.4 % y Mexico con 1.4 % ocupando el do-ceavo lugar. En Mexico, el estado de Guerrero es elque presenta la mayor superficie (51.8 % ) planta-da por cocoteros [Sagarpa, 2001]. En el 2002 Mexicoreporto una produccion anual de coco de 959,000 to-neladas [Cofupro, 2002].

El cocotero, es la mas importante de todas las pal-meras. Es conocido como el arbol de la vida, o elarbol de los mil usos, su fruto, hojas y madera, pro-porcionan a muchos pobladores rurales de alimen-to, bebidas, combustible y alojamiento. Aunque suuso predominante es el de la produccion de copra(la carne seca del coco), de la que se obtiene acei-te, muy bien cotizado en las industrias de alimentosy cosmeticos, y los residuos que quedan, se usan pa-ra pasto animal. La cascara dura o endocarpio delcoco se usa como combustible de alto valor calorıfi-co (7500–7600 cal/g), y tambien sirve de materia pri-ma para la obtencion de carbon activado.

Debido al gran auge del mercado del carbon activa-do resulta conveniente estudiar las posibilidades deexpansion en la utilidad y la produccion del cocote-ro. Ası, si se considera que una hectarea en una ha-cienda de cocos puede producir unos 10 mil cocos

por ano, y que cada coco tiene una cascara de apro-ximadamente 200 gramos se tendrıa entonces, 2 to-neladas de cascara de coco por hectarea. Para ob-tener una tonelada de carbon activado se necesitanaproximadamente 11 toneladas de cascara de coco[Soyentrepreneur, 1998]. Los requerimientos de pro-duccion que se estiman para la unidad que se pro-pone son de aproximadamente 600 toneladas anua-les de carbon activado.

Estructura y propiedades del

carbon activado

Desde el punto de vista estructural, el carbon ac-tivado se puede definir como un material carbono-so poroso preparado a partir de un precursor a ba-se de carbon con gases, y en ocasiones con la adicionde productos quımicos (por ejemplo, acido fosfori-co, cloruro de cinc, hidroxido de potasio, etc.), du-rante y despues de la carbonizacion, para aumen-tar la porosidad.

La estructura del carbon activado esta constitui-da por un conjunto irregular de capas de carbono,con espacios que constituyen la porosidad (Figu-ra 1, pag. 42). Este ordenamiento al azar de las ca-pas y el entrecruzamiento entre ellas impide el or-denamiento de la estructura para dar grafito (Figu-ra 2, pag. 42), aun cuando se someta a tratamien-tos termicos de hasta 3000◦C. Es precisamente, es-ta caracterıstica del carbon activado la que contribu-ye a su propiedad mas importante, la estructura po-rosa interna altamente desarrollada y al mismo tiem-po, accesible para los procesos de adsorcion [Reino-so, (2005)].

La superficie especıfica y las dimensiones de los po-ros dependen del precursor y de las condiciones delos procesos de carbonizacion y activacion utilizados.Los tamanos de poros van desde los mas pequenos,llamados microporos (≈ 2,0) nm) hasta los mesopo-ros (entre 2.0 y 50.0 nm) y macroporos (> 50,0 nm).La aplicacion puede requerir de carbon activado ba-jo diferentes presentaciones: polvo (CAP, con ta-mano medio de partıcula en el carbon en polvo de15–25 mm) y granular o conformado (CAG, con ta-mano medio de partıcula de 1.0–5.0 nm). Otras for-mas son: las fibras, telas, membranas, y monolitos,de carbon. La seleccion en el tipo de presentacionse basa segun el grado de purificacion que se requie-ra [Reinoso, (2005)].

Sin embargo, las propiedades adsorbentes de uncarbon activado no solo estan definidas por su estruc-tura porosa, sino tambien por su naturaleza quımica.

42 ContactoS 64, 39–48 (2007)

Figura 1. Estructura del carbon activado (Adaptado deWikipedia, 2006)

Figura 2. Estructura del carbon tipo grafito (Adaptadode Wikipedia, 2006)

El carbon activado presenta en su estructura atomosde carbono con valencia insaturada y ademas, gruposfuncionales (principalmente de oxıgeno y nitrogeno)y componentes inorganicos provenientes de las ceni-zas, todos ellos con un efecto importante en los pro-cesos de adsorcion. Los grupos funcionales se for-man durante el proceso de activacion por interac-cion entre los radicales libres de la superficie delcarbon que hacen que la superficie del carbon se hagaquımicamente reactiva y es la razon por la que afec-tan las propiedades adsorbentes, especialmente pa-ra moleculas de cierto caracter polar.

Ası, el carbon activado puede ser considerado enprincipio como hidrofobo, por su poca afinidad alagua, lo que es muy importante en aplicaciones deadsorcion de gases en presencia de humedad, o deespecies en disolucion acuosa; pero la presencia degrupos funcionales en su superficie hacen que pue-

dan reaccionar con el agua, haciendo que la superfi-cie sea mas hidrofila. La oxidacion de un carbon, pro-duce la formacion de grupos hidroxilo (OH−), carbo-nilo (RCHO), carboxilo (RCOOH), etc., que le danal carbon un caracter anfotero, esto es, caracter aci-do y basico, a la vez. Esto influye en la adsorcion demuchas moleculas.

Metodos de activacion del carbon

Los procesos de fabricacion se dividen en dos, segunel tipo de activacion: la activacion fısica (llamadatambien termica) y la activacion quımica.

Activacion fısica. La porosidad de los carbones pre-parados mediante activacion fısica es el resultado dela gasificacion del material carbonizado a tempera-turas elevadas. En la carbonizacion se eliminan ele-mentos como el hidrogeno y el oxıgeno del precur-sor para dar lugar a un esqueleto carbonoso con unaestructura porosa rudimentaria. Durante la gasifica-cion el carbonizado se expone a una atmosfera oxi-dante (vapor de agua, dioxido de carbono, o mez-cla ambos) que elimina los productos volatiles y ato-mos de carbono, aumentando el volumen de porosy el area especıfica. El carbon que se obtiene es lla-mado carbon primario (similar al usado para asarcarnes).

Activacion quımica. La porosidad de los carbonesque se obtiene por activacion quımica es genera-da por reacciones de deshidratacion quımica, quetienen lugar a temperaturas mucho mas bajas. Eneste proceso el material a base de carbon se im-pregna con un agente quımico, principalmente aci-do fosforico (o cloruro de cinc) y el material im-pregnado se calienta en un horno a 500–700 ◦C.Los agentes quımicos utilizados reducen la forma-cion de materia volatil y alquitranes [Robau, (2006)].El carbon resultante se lava para eliminar los res-tos del agente quımico usado. Este carbon es llamadocarbon secundario.

Pruebas de caracterizacion del carbon

Entre las tecnicas de caracterizacion usadas parael material de origen (cascara de carbon) estan lasde analisis termico diferencial y termo-gravimetri-co (DTA–TGA, por sus siglas en ingles). En un ter-mograma de DTA, el calor absorbido o emitido pue-de ser evaluado mediante las diferencias de tempe-raturas existentes entre el sistema a evaluar y unsistema de referencia. A una velocidad de calenta-miento constante, al sistema que se encuentra enatmosfera de nitrogeno, se le aumenta su tempera-tura desde temperatura ambiente hasta aproxima-

Obtencion de carbon activado. . . Luna, D., Gonzalez, A., Gordon, M., Martın, N. 43

damente 1200◦C. Al mismo tiempo, es posible obte-ner los termogramas de TGA, donde se determinalas diferentes perdidas de peso del material a carbo-nizar en funcion de la temperatura y analizar las zo-nas termicas donde hay mayores perdidas de peso.Ası, es posible obtener la temperatura optima de ac-tivacion y el rendimiento a esa temperatura.

Tambien es importante conocer la composi-cion quımica de la cascara de coco o el ma-terial a carbonizar para evaluar las opcio-nes del proceso. Es necesario conocer la com-posicion a traves de un analisis elemental: car-bono, hidrogeno, nitrogeno y azufre (C, H, N,S), para poder evaluar la calidad del carbon aobtener.

Para la caracterizacion de la estructura porosa delcarbon activado, la tecnica de adsorcion de gases yvapores es una de las tecnicas mas convenientes. Ladeterminacion de una isoterma de adsorcion permi-te deducir la superficie especıfica, a traves de la co-nocida ecuacion BET (Brunauer, Emmett y Teller)[Gregg y col., 1969]. En general, la superficie especıfi-ca varıa entre 500 y 2000 m2/g. Ademas, es posi-ble determinar la porosidad del carbon accesible ala molecula que se adsorba. La estructura micropo-rosa del carbon puede obtenerse a partir de la ad-sorcion de nitrogeno a 77 K y dioxido de carbonoa 273 K. El dioxido de carbono permite determi-nar el volumen de microporos mas estrechos, mien-tras que la de nitrogeno suministra el volumen to-tal de microporos. Para conocer la meso- y macro-porosidad es posible aplicar la ecuacion de Kelvin[Gregg y col., 1969] para deducir la distribucion detamanos de poros. Tambien, es posible la aplicacionde la tecnica de porosimetrıa de mercurio que per-mite medir poros hasta 7.5 nm.

Adicionalmente, las normas de la sociedad america-na (ASTM, por sus siglas en ingles American So-ciety for Testing and Materials Standards) estable-cen pruebas estandar necesarias para establecer lacalidad del carbon obtenido, entre ellas estan: el por-centaje de humedad, el porcentaje de cenizas, el ta-mano de malla, la resistencia a la abrasion, y el ındi-ce de yodo.

Propuesta del proceso de obtencion del

carbon activado

Etapas del proceso

El proceso consta de las siguientes etapas:

1. Secado de la cascara de coco;

2. Molienda del producto seco;3. Tratamiento termico del material (carboniza-

cion y activacion);4. Enfriamiento y secado de los materiales trata-

dos.

El proceso de secado se hara al sol de forma manual.

El proceso de molienda se realizara en un molino conla capacidad necesaria para poder moler la cascarade coco seca de manera eficiente con la granulometrıaestablecida para que pueda mantener la velocidadde alimentacion requerida por el horno rotatorio adisenar; ademas que pueda trabajar por pausas yque no este en operacion constante.

El proceso de carbonizacion–activacion, se llevara acabo en el horno rotatorio a disenar, el cual ope-rara de manera continua y solo podra ser suspendi-do al realizar labores de mantenimiento general. Elproceso de activacion tiene como objetivo crear enla superficie del carbon muchos poros u orificios mi-croscopicos que van a atraer a las moleculas de dife-rentes sustancias. En el presente proceso se usara untipo de activacion fısica con vapor de agua.

Se selecciono la activacion fısica del carbon con va-por de agua por ser un proceso mas economico ymenos corrosivo y se realiza a temperaturas inferio-res a las aplicadas en la activacion quımica tradicio-nal, lo que simplifica el proceso. Todo ello se tradu-ce en un menor costo, ası como en un menor im-pacto en el medio ambiental. La activacion fısicacon vapor de agua es un proceso complicado quese lleva a cabo en el presente caso en un horno ro-tatorio a temperaturas elevadas (800–1000 ◦C). Laactivacion fısica ocurre segun la siguiente reaccionendotermica:

C(s) + H2O(g) −→ CO(g) + H2(g)

∆H◦ = +28,5 kcal/mol

El proceso de enfriamiento, que se llevara a cabo alfinal del horno, tiene como fin reducir la temperaturadel tratamiento termico a la salida del horno, conla intencion de facilitar las operaciones de manejoy embalaje del material. El esquema de la unidadpiloto se presenta en la Figura 3, pag. 44.

Descripcion general del horno rotatorio

Los hornos rotatorios son usados desde hace 50 anosen las industrias, de alimentos, de construccion, me-talurgica, etc. Sin embargo, su uso mas comun es pa-ra la incineracion de residuos peligrosos, debido a

44 ContactoS 64, 39–48 (2007)

Molino

Horno rotatorio

Camara deenfriamiento

Figura 3. Esquema de la unidad piloto.

sus altas temperaturas de trabajo (1200–1700 ◦C) ytiempos de residencias (50–70 min).

Se pueden incinerar diferentes tipos de residuos co-mo sustancias lıquidas (solventes organicos) que soninyectadas directamente, sustancias poco fluidas (lo-dos y pastas fluidas) que son inyectadas con unabomba de piston, y pastas fluidas, que se encapsu-lan en recipientes cerrados para su alimentacion. Enla industria de la construccion, estos hornos son usa-dos en el proceso de calcinacion de la piedra cali-za. Otra aplicacion es en la industria de la fundi-cion, en particular para la fusion de hierro.

Aun cuando los hornos rotatorios son ampliamenteusados en la industria quımica, poca literatura hacereferencia de su uso para la obtencion de carbon ac-tivado. Los datos de uso encontrados son hornos pa-ra cargas pequenas a nivel de laboratorio.

Un horno rotatorio consiste en un cilindro que ro-ta alrededor de un eje longitudinal que gira a muybaja velocidad y opera esencialmente como un inter-cambiador de calor. En el interior esta cubierto conrefractarios y su diametro varia entre 3.6 y 6.0 m te-niendo una longitud que va entre 50.0 y 125.0 m.El cilindro esta ligeramente inclinado (pendiente de2–6 % ) para facilitar el desplazamiento axial del le-cho solido, el cual se mueve hacia el final del tuboen la descarga, y los gases circulan en contra corrien-te [Mellmann y col. 2004]. La alimentacion es un soli-do seco carbonoso molido.

El diseno conceptual del horno rotatorio del presenteproyecto consta de un cuerpo cilındrico, el cual uti-liza ladrillo refractario en la parte interior de un ci-lindro de acero que sera la estructura, con una ca-pa exterior de aislante termico y una lamina que sos-tenga dicho aislante. Para la rotacion de este cuer-po cilındrico se le colocaran anillos de acero que

tendran la funcion de estar en contacto con los apo-yos que permitan la libre rotacion, ademas de un en-grane, que sera donde se genere la rotacion para elhorno rotatorio.

El sistema de alimentacion sera una tapa quetendra una resbaladilla por la cual se alimen-tara la materia prima molida al horno rota-torio. Allı tambien estara instalado el quema-dor que sera el que genere el calor necesario. Pa-ra el sello de la tapa con el cuerpo cilındrico se uti-lizara una cejilla tipo C de forma tal que la perdi-da de los gases sea mınima y a la vez no interfie-ra con la rotacion del horno.

El sistema receptor es el que recibe el material(carbon activado). Ası mismo, en este sistema se ge-nera la activacion por medio de vapor de agua. Pa-ra generar el vapor de agua se utilizara un difu-sor, el cual mandara al interior del horno partıculasde agua por medio de presion neumatica que al en-trar en contacto con el calor interno del horno cam-bia de fase lıquida a vapor. Con esto, se lograra lle-var a cabo la activacion, controlar los gases inter-nos del horno y disminuir la temperatura a la sali-da del material. El sistema receptor podra ser des-plazado de manera horizontal, cuando sea necesa-rio, para dar mantenimiento al horno.

La inclinacion del horno rotatorio sera de 5 % estoacorde a la informacion recabada sobre el horno ro-tatorio que se utiliza en la industria de cemento [Or-tiz y col. 2005]. Para evitar que la bases tambientengan una inclinacion, las superficies de los apo-yos seran las que tengan esta inclinacion.

Los gases calientes seran los obtenidos del quema-do del combustible (gas natural) que se encuentra enuna camara de combustion central, y seran los queproporcionen la energıa necesaria para la reaccion deactivacion. El vapor de agua (con aire) sera inyec-tado como agente de activacion en modo de contra-corriente. Se supone que el lecho solido se movera co-mo un pseudo-fluido con un desplazamiento axial ysin retro- mezclado, y este se ira desplazando en di-reccion transversal como el cilindro vaya rotando. Enla primera seccion longitudinal del horno, se reali-zara el pre-calentamiento de la carga hasta la tempe-ratura de operacion, donde se liberara la mayor par-te de los compuestos volatiles producidos. En el res-to de la longitud del horno, se llevara a cabo lo queresta de la reduccion del material carbonoso, obte-niendose la activacion necesaria.

Obtencion de carbon activado. . . Luna, D., Gonzalez, A., Gordon, M., Martın, N. 45

Cuadro 1. Condiciones de operacion

del horno rotatorio a disenar.

Largo/m 15.0Diametro/m 3.5Inclinacion 5 %Temperatura maxima deoperacion/◦C 1000.0

Velocidad de rotacion/rpm 10.0Potencia de Motor trifasico/HP 40.0Consumo de gas natural/(kg h) 13,306.8Capacidad de produccion/(ton dıa) 16.5

Las variables generales requeridas para el diseno delhorno rotatorio se establecieron segun:

a) Una capacidad de produccion suficiente para quesea rentable;

b) Funcionamiento con operacion continua;c) Costo de construccion accesibles.

La Tabla 1 muestra las condiciones de operacion delhorno rotatorio a construir.

Resultados

1) Diseno teorico del horno rotatorio.1.1 Material para la construccion del horno rotato-rio.Ladrillo refractario: El ladrillo refractario a usar esde la marca McGills Ware House (EUA) con las ca-racterısticas dadas en la Tabla 2. El tipo de liga en-tre ladrillos es un cemento aislante monolıtico segunla Norma ASTM-C-195.

El numero de ladrillos a utilizar para el revesti-miento interno del horno rotatorio es de 100 pie-zas por circunferencia. A lo largo, el horno con-tara con 55 circunferencias. Esto hace un total de5500 ladrillos, con un peso total de 4724.5 kg. Elcosto por cada ladrillo es de 1,88 dolares (EUA).Por tanto, el costo total sera de 5,610.0 dolarespor las 5500 piezas.

Cilindro de acero:Se usaran 4 cilindros de acero rolado de la casa Rola-do Industrial S.A., de Guadalajara, Mexico. Las ca-racterısticas de los cilindros a usar estan dadas en laTabla 3.

Aislante termico segun norma ASTM-C-592:Se usara lana mineral en rollo de la marca RAT-SA S.A. Se usara un total de 82 rollos. Las carac-terısticas se dan en la Tabla 4, pag. 46.

Cuadro 2. Caracterısticas del ladrillo refractario

Dimensiones/m 0.2286×0.1143×0.0635

Volumen/m3 0.0165919Densidad/kg m−3 500Masa de Ladrillo/kg 0.82959Resistencia a la compre-sion/MPa

1

Temperatura maxima/◦C 1260

Coeficiente de conductividadtermica (k1)/W/mK 0.2

Composicion quımica/ % enmasaSiO2 45Fe2O3 1CaO 15

Cuadro 3. Caracterısticas de los cilindros de acero

Longitud/m 3.00Diametro/m 2.54Espesor/m 0.0127

Volumen de cada cilindro:Pc = (π (2.54))/m 7.98Vc = (8 × 3 × 0,0127)/m 0.305Ac = (8 × 3)/m2 24Wplaca/kg m−2 99Wcilindro = (24 × 99)/kg 2400Coef. Conductividad termica(k2)/W/mK

58

2) Diseno teorico del molino.El molino tiene como funcion principal reducir el vo-lumen de la materia prima para que la alimentacional horno rotatorio sea la optima, ademas poder defi-nir el tamano de grano que se quiera para el carbonactivado. Por tanto, el molino debe tener una grancapacidad de alimentacion y un paso de material ca-si instantaneo. Como la materia a moler se conside-ra rıgida y a su vez blanda, para el sistema de molien-da la reduccion del area sera una disminucion expo-nencial de la seccion, hasta llegar al de un tamano re-querido; ademas, debe tener una malla para que elmolido a la salida sea uniforme. Se usara una maqui-na trituradora de alto torque.

La rotacion la llevara a cabo el cilindro de acerocon cuchillas, las cuales seran las encargadas de mo-ler el material con una rotacion entre los 2500 ylas 3600 rpm.

46 ContactoS 64, 39–48 (2007)

Cuadro 4. Caracterısticas del aislante termico usado.

Densidad/kg m−3 112.14Temperatura maxima/◦C 650.0Dimensiones:Espesor/m 0.0762 a 0.1016Largo/m 2Ancho/m 0.61Volumen/m3 7.315Masa (Wlana)/kg 820.32Coef. Conductividad termica(k3)/w/mK 0.041

El motor (MotorSiemens Tipo RG250 Cat. N◦. HSI3325) suministrara la potencia requerida al molino(15 HP a 1800 rpm) por medio un sistema de bandasy poleas.

Las caracterısticas principales se describen en laTabla 5.

3) Diseno Teorico de la camara de enfriamiento.La camara de enfriamiento tiene como funcionesprincipales retirar el material terminado del hornorotatorio y a su vez, reducir la temperatura de sa-lida para que el manejo y almacenado del materialsea mas seguro.

La camara de enfriamiento para desplazar el ma-terial del horno rotatorio utilizara un engrane he-licoidal comunmente llamado tornillo de Arquıme-des. Para el enfriamiento se utilizara agua que es-tara circulando entre la paredes del canal por don-de se desplazara en contra corriente al desplazamien-to del material.

La tolva de entrada de la camara de enfriamien-to tendra las dimensiones necesarias para poder re-cibir el material a la salida de la tapa receptoradel horno rotatorio. Debido a la longitud del engra-ne helicoidal, este estara dividido en dos partes ysera unido por un soporte ubicado a la mitad del ca-nal para evitar deflexiones en el eje del sistema. Pa-ra que el movimiento rotacional del engrane helicoi-dal sea optimo se utilizaran rodamientos de sopor-te para las cargas axiales; ya que ademas de sopor-tar el peso del eje, tiene que soportar la cargas axia-les generadas al desplazar el material en la camarade enfriamiento. Se utilizara un motor reductor pa-ra ajustar las revoluciones a las que se necesite gi-rar el engrane helicoidal. Para transmitir esta po-tencia se utilizara un sistema de cadenas. Las ca-

Cuadro 5. Caracterısticas principales del molino.

Factor de servicio 1.5Potencia de diseno/HP 22.5Velocidad (n1)/rpm 1750.00

Velocidad (n2)/rpm1312.15 (n2

nueva =1135.87)

Tipo de Banda 5VRelacion de velocidad 1.33Diametro/pulg. min = 5.45

max =15.27Diametro estandar/pulg. d1 = 8.90

d2 = 11.70Potencia de disenoespecıfica / HP 25.0

N◦ de bandas a utilizar 1

Distancia entre centros/pulg11,7 < C < 61,8

(C=25.0) (C(nueva) =23.7)

Longitud de la banda / pulg82.42 (estandar

= 80.00)

Angulo de contacto 137.22◦

Velocidad lineal/pie min−1 4091.84

racterısticas principales se dan en la Tabla 6 (pag.47).

El Rodamiento SKF seleccionado por su dimen-sion del diametro interior de 152.4 mm, fue mo-delo 231649/610/VQ51; sistema moto reductor AT-COR GERYTMA, modelo MRC 220 B2.

En la Figura 4 (pag. 47), se muestra el esquema finalde la Unidad Piloto y en la Tabla 7, pagina 47, seresumen los costos de fabricacion de la misma.

Conclusiones

Esta etapa es solo la apertura para poder llevar a larealidad el proyecto aquı presentado. El segundo pa-so es la construccion de un modelo a escala que nospermita ver los detalles de la fabricacion y la fun-cionalidad del proyecto y poder hacer las estima-ciones y modificaciones necesarias para que al mo-mento de aterrizar el proyecto final (a nivel indus-trial), este sea exitoso.

Se trato en todo momento que el diseno de los dispo-sitivos fueran sencillos y con ello minimizar los cos-tos de la elaboracion del proyecto, ademas que to-dos los materiales fueran conseguidos en Mexico;

Obtencion de carbon activado. . . Luna, D., Gonzalez, A., Gordon, M., Martın, N. 47

Figura 4. Esquema final del diseno del horno rotatorio.

Cuadro 6. Caracterısticas principales

de la camara de enfriamiento

Flujo de salida/Ton min−1 0.011

Densidad relativa delCarbon / g m−3 0.50

Q / L s−1 0.336

Diametro dela rosca/mm

668

Paso de la rosca/mm 467.6

Revoluciones delengrane/rpm

≈ 60.0

Paso del engrane/m3 0.018

Potencia mınima pararotar engrane / HP

1.65

esta fue la parte mas compleja del proyecto, debi-do a que no es muy facil que las empresas hagan co-tizaciones que no rindan un ingreso economico.

Aun ası se pudo hacer una estimacion de los cos-tos de elaboracion y los resultados obtenidos nos in-dican que el costo es bajo, aun cuando es necesa-rio tomar en consideracion que se adicionaran costosa los establecidos, para poder llevar a cabo la funcio-nalidad del proyecto a nivel industrial, donde se ela-

bore el carbon activado. La capacidad de produccionde carbon activado estimada es acorde con las nece-sidades nacionales requeridas.

Otras de las ventajas que podemos mencionar de launidad es que la tecnologıa es nacional, novedosa, se-gura, y barata. Por otro lado, utiliza vapor de aguacomo agente de activacion, el cual es mas economi-co y menos corrosivo que los agentes quımicos uti-lizados habitualmente, lo que facilita y simplifica elproceso. Se propone usar como combustible gas na-tural, en lugar de gasoleo, con el fin de reducir emi-siones toxicas. Todo ello se traduce en menor cos-to y menor impacto medioambiental.

El proyecto es muy ambicioso dado que se esta pro-poniendo un nuevo tipo de agroindustria que utilicea una materia prima nacional (cascara de coco) con-siderada basura, transformandola en una industriasustentable de un material con mayor valor agrega-do (carbon activado), que genere, ingresos economi-cos a las personan que viven del coco, nuevos em-pleos y que ayude a reducir la importacion de es-te producto.

Bibliografıa

1. Gregg S. J., Sing K. S. W., (1969) “Adsorption,

48 ContactoS 64, 39–48 (2007)

Cuadro 7. Costos de elaboracion del proyecto

PARTES COSTOS (M.N.)

HORNOROTATORIOCuerpo cilındrico 280,000.00Tapa alimentador 30,000.00Tapa receptor 39,000.00Apoyos conicos 171,000.00

Sistema motor 142,000.00Quemador metsomineral combustible

230,000.00

SUB-TOTAL 1 892,000.00

MOLINOCuerpo 4,000.00Tapa 1,500.00

Cilindro 15,000.00

Sistema Motor 20,000.00

Rodamientos 5,000.00

SUB-TOTAL 2 45,500.00

CAMARAENFRIAMIENTOCoraza 25,000.00Receptor 1,000.00

Salida 500.00Inyectores 8,000.00

Tornillo helicoidal 28,000.00

Sistema motor 6,500.00

SUB-TOTAL 3 69,000.00

TOTAL UNIDADPILOTO

1,006,500.00

Mano de obra 704,550.00COSTO FINALUNIDAD PILOTO 1,711,050.00

Surface Area and Porosity”, Academic Press, Lon-don and New York.

2. Mellmann, Jochen, Specht, Eckelard, y Liu, Xia-yoan, (2004) “Prediction of rolling bed motion in ro-tating cylinders”, AIChE Journal, 50 119, 2783.

3. http://www.cofupro.org.mx/ 04.documento/ ba-ses/ pennitt/ penit118.pdf (Consultada el 12 deenero del 2006).

4. http://www.sagarpa.gob.mx/ subagri/desarrollo-agricola/ FAO/ 2001/ nac/ PPCO.pdf (Consulta-da el 13 de enero del 2006).

5. http://www.soyentrepreneur.com (Consultada el12 de junio de 2006).

6. http://es.wikipedia.org (Consultada el 12 de Ju-lio de 2006)

7. http://www.oviedo.es/ personales/ carbon/ cac-tivo/ impqcatex.htm (consultada el 06 de febrero de2007).

8. Kirk–Othmer´s Encyclopedia of Chemical Tech-nology (1992), 4a Edicion, vol.4 John Wiley, NewYork.

9. Ortiz, Oscar O., Suarez, Graciela I., y Nelson,Aros, (2005) “Dynamic simulation of a pilot rotarykiln for charcoal activation”, Computers and Che-mical Engineering, 29 1837.

10. Reinoso, Francisco, (2005) “Carbon activa-do: estructura, preparacion y aplicaciones”, Revis-ta Uniandes, Colombia, 66–69.

11. Robau Sanchez, A. J., (2006) “Sıntesis de Tami-ces Moleculares de carbon a partir de materiales lig-nocelulosicos”, Tesis de Doctorado, CBI, UAM-A,Mexico.

cs