Preparación de Los Carbones Activados

7/23/2019 Preparacin de Los Carbones Activados

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Preparacin de los carbones activados.

El carbn producto de la pirolisis es prcticamente inactivo, con rea superfcial

especfca del orden de unos pocos metros cuadrados por gramo, mientras queun absorbente con una porosidad desarrollada y una correspondiente ampliarea superfcial es slo posible por la activacin del material carbonizado, porgasifcacin parcial, con un activante como: vapor de agua, dixido de carbonoo mezclas de ambos y otras sustancias qumicas, aunque el vapor de agua esel agente activante ms usado en las plantas industriales.

Activacin sica.

El proceso se inicia con la etapa de carbonizacin, de modo que se logre lades!idratacin y la desvolatilizacin de orma controlada, obteni"ndose un

carbonizado con elevado por ciento en carbono f#o y una estructura porosainicial. $urante la carbonizacin los elementos no carbonosos, como el!idrgeno y oxgeno, presentes en la materia prima, son eliminados en partepor la pirlisis del material y los tomos de carbono se organizan enestructuras microcristalinas conocidas como %cristalitas graticas elementales%.Entre estos microcristales !ay espacios libres, debido a que su ordenamientoes irregular. Estos espacios o intersticios son bloqueados por carbono amoro,alquitranes y otros residuos de la descomposicin piroltica del materialcelulsico.

&omo resultado de ello los carbones producto de la carbonizacin slo

presentan una peque'a capacidad de absorcin aumentndose esta capacidada trav"s del proceso de activacin.

(a activacin se realiza en una segunda etapa a temperaturas entre )** y++** & en presencia de un oxidante como agente activante que puede ser&- y vapor de agua.

(a oxidacin del carbn amoro y la gasifcacin no uniorme de losmicrocristales conduce, en la primera ase de activacin, a la ormacin denuevos poros, o sea, al desarrollo de una estructura microporosa.

/e puede ver que !ay una gran relacin entre la capacidad de absorcin, comouncin del desarrollo de la estructura porosa, y la gasifcacin del materialcarbonoso. 0or tanto el t"rmino %p"rdida por combustin% 1burn o23 se usacomo una medida del grado de activacin e indica el por ciento en peso dedecrecimiento del material durante la activacin.

/eg4n $ubinin, para p"rdidas por combustin menores del 5* 6 se obtienencarbones activados microporosos, si la p"rdida por combustin es mayor del 75


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6 se obtiene un carbn macroporoso, si la p"rdida por combustin est entreel 5* y 75 6 el producto obtenido es una mezcla de estructura micro ymacroporosa .

Activacin qumica.

Este proceso se desarrolla en una sola etapa, calentando en atmsera inerteuna mezcla del agente activante con el material de partida. (as sustancias msusadas son: cido osrico 1890-3, &loruro de cinc 1 ;n&l3, cido sul4rico18/-3, aunque tambi"n se !an usado suluros y tiocianatos de potasio,cloruros de calcio y magnesio, !idrxidos de metales alcalinos, entre otrassustancias, siempre en dependencia de la materia prima original a utilizar y elmayor o menor volumen de poros de un tipo o de otro que se quiera obtener.

Entre las materias primas de origen vegetal se utiliza undamentalmenteaserrn de madera y como agente activante el cido osrico 1890-3.&onsiderando que el aserrn es un desec!o y el activante se puede recuperar,!ace al proceso comercialmente viable, aunque tambi"n se utilizan otrasmaterias primas como los carbones minerales. El proceso involucra elmezclado de la materia prima original con el agente activante 1des!idratante3,ormando una pasta que luego es secada y carbonizada en un !orno, a unatemperatura entre ** y slido 1adsorbato>absorbente3 1$ / @ *3.El balance energ"tico del proceso vendr dado por la combinacin de laespontaneidad del proceso y el correspondiente ordenamiento moleculardefni"ndose la variacin de energa del proceso por la expresin:

$ 8 $ ? B = $ / 1+3


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0udi"ndose observar que la absorcin es un proceso exot"rmico, deduci"ndoseque es avorecida por la disminucin de la temperatura. Existen varias teorasque explican el enmeno de la absorcin.

=eoras sobre la absorcin sica de gases.

(as isotermas de absorcin son la caracterstica ms usada del estado deequilibrio de un sistema de absorcin. Csualmente de ellas se obtiene lainormacin sobre el volumen de absorcin, el rea superfcial del absorbente,volumen de poros y su distribucin, la magnitud del calor de absorcin y otrasinormaciones. =eoras como las de Dreundlic!, 8enrry, olmer, 8ill de Foer,(angmuir, FE=, =eora del 0otencial de 0olanyi, =eora del (lenado del volumende Gicroporos de $ubinin y =eora Dractal tratan de explicar este enmeno dela absorcin y constituyen m"todos para la obtencin de las isotermascorrespondientes.

(as isotermas de absorcin, por su orma, se agrupan en seis tipos sobre labase de la clasifcacin de Frunauer, $eming, $eming y =eller 1F$$=3.

=eora FE=.

(a teora FE= responde a sus autores, Frunauer, Emmett y =eller quienesdesarrollaron las ideas de (angmuir para describir la adsorcin multimolecularo en multicapas.

El modelo para la ormacin de infnitas capas moleculares conduce a la bienconocida ecuacin FE=:

B 1 3

donde:

na y nam : la cantidad absorbida a la presin de equilibrio pHp* y la cantidadabsorbida en la monocapa respectivamente.

& : una constante la que est relacionada proporcionalmente con la ortalezade la interaccin absorbente>adsorbato y puede usarse para caracterizar laorma de la isoterma FE=.

(a ecuacin da una adecuada descripcin para carbones micro, meso y

macroporosos sobre un rango limitado de presin relativa, usualmente entre*.*5 y *.9I por deba#o de *.*5, el principio de !omogeneidad energ"tica de lasuperfcie no es aplicable a la mayora de los absorbentes y por encima de *.9deben considerarse las interacciones laterales de las mol"culas, lo que nosustenta la teora FE=.

El rea de superfcie aparente FE= 1AFE=3, se calcula a trav"s de la siguienteexpresin:


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AFE= 1nam 3 1J3 1am 3 193

donde:

J: constante de Avogadro.

am : rea de la seccin transversal de la mol"cula.

(a aplicabilidad de la teora FE= a carbones con microporos estrec!os puedetener uertes limitaciones al asumir la absorcin en multicapa por lo que puedeser inapropiada en poros muy estrec!osI lo que !izo que aparecieran nuevasteoras sobre la absorcin en microporos como la ideada por $ubinin y col.acerca del llenado del volumen de microporos, que constituye a priori unateora ms realista.

=eora del (lenado del olumen de Gicroporos.

$ubinin y Kadus!Levic! desarrollaron esta teora basados en el concepto decurva caracterstica y el potencial de absorcin de 0olanyi para describir laabsorcin en microporos estableciendo la relacin undamental de la teora quees la ecuacin de $ubinin>Kadus!Levic! 1$K3:

M Mo exp N >1 3O 13

donde:

M : el volumen de adsorbato lquido en los microporos a temperatura 1=3. ypresin relativa 1pHpo3.

Mo: el volumen de microporos o volumen lmite de adsorcin en unidad devolumen 1cm9 Hg3 o cantidad de sustancia 1mmolHg3.

b : el coefciente de similitud.

Al representar la ecuacin logartmica en un sistema de e#es cordenados, seobtiene el volumen de microporos a partir del intercepto y del volumen molar,as como la superfcie de microporos partiendo del volumen de "stos, el actorde conversin a lquido del adsorbato y el rea molecular del adsorbato.

Algunos autores como (ippens y de Foer, /ing P./.M., entre otros, demostraronque la relacin entre el volumen absorbido 1a3 y el volumen de la capaunimolecular o monocapa del gas 1m3 si se representa rente a la presinrelativa, proporciona una curva llamada isoterma estndar. (os m"todos decaracterizacin basados en las isotermas estndar, permiten un estudio mscompleto de la microporosidad del absorbente y de su rea de superfcie,detectando la presencia de microporos y su volumen, as como la condensacincapilar en mesoporos, entre estos m"todos se encuentran el m"todo>t y el a /.


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El m"todo a / de /ing.

=anto el m"todo t de (ippens, F.&. y de Foer, como el a / de /ing, P./.M., estnregidos por el mismo principio de comparacin de una isoterma experimental auna estndar. El m"todo a / puede considerarse una modifcacin del m"todo tpropuesto por /ing y col.. /ing modifc el m"todo>t reemplazando el grosor dela capa absorbida 1t3 por la relacin aH*. o nHn*., llamada a /,

donde:

*. o n*.3, es el volumen o cantidad de sustancia absorbida por un slido noporoso, de reerencia, a la presin relativa seleccionada 1pHpo3x.

En principio, a / puede ser igual a + en alg4n punto en la isoterma estndar./eg4n /ing, resulta conveniente, en la prctica, tomar a / + para pHpo *.,donde !a ocurrido el recubrimiento de la monocapa y el llenado de microporosa pHpo@ *. considerando que la condensacin capilar ocurre a pHpo Q *..

/i la representacin grfca de a rente a a / de la muestra se construye comola cantidad absorbida por "sta rente a los valores de a / de la muestraestndar, se tiene otro modo de comparar la orma matemtica de lasisotermas obteni"ndose inormacin acerca de la orma y desarrollo de losmicroporos.

&aracterizacin de carbones activados.

Absorcin de J y &-.

El absorbente ms usado para la caracterizacin de carbones activados es elnitrgeno 1J3 seguido por el &-. 0ara la determinacin del rea de superfciees usual tomar como valores de rea molecular *.+


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calculado a partir del grosor de la monocapa y la superfcie a partir de lapendiente.

En este m"todo, t puede ser calculada independientemente del slido por lasiguiente ecuacin.:

t 153

donde:

t : grosor de la capa adsorbida medido en S.

1l3 : el volumen de absorbato lquido.

/FE= : el rea de superfcie calculada por el m"todo FE=.

Al representar 1l3 rente a t, se pueden obtener dierentes valores dependiente al construir dierentes lneas de pendiente para intervalos de valores

de t, pudi"ndose calcular el rea de superfcie de microporos de la muestra porla sumatoria de las reas de cada uno de los intervalos medidos. Dinalmente,se calcula el volumen de microporos por la expresin siguiente:

+*> 1/+>/3 1cm9Hg3 1


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s : la tensin superfcial del adsorbato lquido.

m : el volumen molar del adsorbato lquido

rm, : el radio de curvatura del menisco 1al que se le suma el espesor de la capaadsorbida para tener el radio del poro, rp3.

K=: &onstante de los gases ideales y la temperatura de adsorcin,respectivamente.

0ara la distribucin del volumen de mesoporos se aplica el m"todo de Farret,Toyner y 8alenda.

(a distribucin del volumen de mesoporos se !ace asumiendo porosgeom"tricamente cilndricos usando la ecuacin de Pelvin para el clculo delradio del poro, por despe#e de la ecuacin anterior.

0ero usando una constante apropiada para el J, la ecuacin anterior sereduce a la siguiente ecuacin:

rP 1)3

donde rP es el radio Pelvin, la que permite el clculo del radio 1rP3 en el quetiene lugar la condensacin capilar a presin relativa pHp*. 0artiendo del !ec!ode que previo a la condensacin tiene lugar alguna absorcin en las paredesdel poro, rP no representa el verdadero radio de "ste, entonces el verdaderoradio 1rp3 est dado por:

rp rP B t 1R3

donde t es el grosor de la capa absorbida.

(a representacin de la derivada del volumen de mesoporos respecto a laderivada del logaritmo del radio, rente al logaritmo del radio, permite obtenerla distribucin del tama'o de mesoporos por el m"todo FT8.

Untrusin de mercurio por el m"todo de 0orosimetra de mercurio.

Gediante este m"todo se mide la presin requerida para orzar la entrada demercurio dentro de los poros del slido. Esta presin puede relacionarse a suvez con el tama'o del poro y as obtenerse una distribucin de tama'o deporos, lo que se !ace a trav"s de la ecuacin de Mas!burn.

$ 0 >scos qHrp 1+*3

0ara el mercurio se toma como valor de s 1tensin superfcial3 igual a )*dinHcm y q 1ngulo del menisco3 con valor de ++,9 y rp que es el radio delporo.


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Experimentalmente la presin puede variar entre *,+ y *** bars,correspondiente a poros cilndricos de radio entre 9,R nm y 75 m m,permitiendo el estudio de la meso y macroporosidad.

="cnicas especiales.

8ay m"todos y t"cnicas experimentales para determinar la naturaleza de lasestructuras qumicas en la superfcie de los absorbentes, la polaridad de lasuperfcie, la distribucin de tama'o y estructura de poros, el rea superfcial yel volumen de microporos como complemento a los m"todos ya vistoI entre losque se encuentran: la calorimetra de inmersin, la espectroscopa KGJ&+9 enestado slido y la microscopa electrnica de alta resolucin.

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Autor:

Drancisco Grquez Gontesino

Unormacin 0ersonal:


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Drancisco Grquez Gontesino

A'os de experiencia en la docencia: 9) cursos

Jacionalidad: cubano

(ugar de nacimiento: 0inar del Ko

0as: &uba

(icenciado en [umica, $octor en &iencias y 0roesor =itular de [umica del$epartamento de [umica de la Cniversidad de 0inar del Ko, &uba.

-=K-/ AC=-KE/

$ra. &. (eila Kosa &arballo Abreu

1&entro de Estudios de Energa y =ecnologas /ostenibles, Cniversidad de 0inar

del Ko, &uba3

(ic. Tavier 8ernndez -bregn

1&entro de Estudios de Energa y =ecnologas /ostenibles, Cniversidad de 0inardel Ko, &uba3

E/=E =KAFAT- 0EK=EJE&E A (A CJUEK/U$A$ $E 0UJAK $E( KV-

0as: &uba

&iudad: 0inar del Ko

Dec!a: 7 de marzo del **7

(eer ms: !ttp:HHWWW.monografas.comHtraba#os5Hcarbon>activadoHcarbon>activado.s!tml\ixzz9iD;X0&y/

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