Propiedades del Carbón Activado

El carbón activado y sus propiedades:

Algo de su historia...

Los primeros usos de 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.

Sin embargo, la primera aplicación documentada del uso de carbón activado aplicado a tratamiento de corrientes gaseosas 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 activado tuvo lugar en 1794, en Inglaterra, utilizándose como agente decolorizante en la industria del azúcar.

En 1872 aparecen las primeras máscaras con filtros de carbón activado utilizadas en la industria química para evitar la inhalación de vapores de mercurio.

La Primera Guerra Mundial, y el uso de agentes químicos durante esta contienda, trajeron como consecuencia la necesidad urgente de desarrollar filtros de carbón activado para máscaras de gas. Sin duda este acontecimiento fue el punto de partida para el desarrollo de la industria del carbón activado y de un buen número de carbones activados usados no solo en la adsorción de gases tóxicos sino en la potabilización de agua. A partir de este momento tuvo lugar el desarrollo de multitud de carbones activados para las aplicaciones más diversas: depuración de gases y agua, aplicaciones médicas, soporte de catalizadores.

¿ Que es?

El carbón activado es un producto que posee una estructura cristalina reticular similar a la del grafito solo que el orden en la estructura del carbón activado es menos perfecta; es extremadamente poroso y puede llegar a desarrollar áreas superficiales del orden de 500 a 1,500 metros cuadrados ó más, por gramo de carbón. El área de superficie del carbón activado varía dependiendo de la materia prima y del proceso de activación. Son las altas temperaturas, la atmósfera especial y la inyección de vapor del proceso de fabricación del carbón activado lo que “activa” y crea la porosidad, dejando mayormente una “esponja” de esqueleto de carbón. 


Ademas, el carbón activado es un carbón poroso que atrapa compuestos, principalmente orgánicos, presentes en estado gaseoso o liquido, su alta efectividad, al ser uno de los principales purificantes más utilizado por el ser humano. 
Cabe aclarar que un compuesto orgánico es derivado por el metabolismo de los seres vivos, considerando su estructura básica de cadena de átomos de carbono e hidrógeno. Entre ellos se encuentran los derivados del mundo animal y vegetal, incluyendo el petroleo y los compuestos que se obtienen de el. 
A lo anterior las propiedades que tiene un solido al adherir a sus paredes una molécula que fluye, se le llama absorción, mientras al solido se le llama absorbente y a la molécula adsorbato.



Después de la filtración que tiene por objeto retener los sólidos presentes en un fluido, no existe un solo proceso de purificación con más aplicaciones que el carbón activado, entre ellas están: 

• Potabilización de agua (el carbón retiene plaguicidas, grasas, aceites, detergentes, subproductos de la desinfección, toxinas, compuestos que producen color, compuestos originados por la descomposición de algas y vegetales o por el metabolismo de animales…)

• Deodorización y purificación de aire (por ejemplo, en respiradores de cartucho, sistemas de recirculación de aire en espacios públicos, venteo de drenajes y plantas de tratamiento de agua, casetas de aplicación de pinturas, espacios que almacenan o aplican solventes orgánicos…)

• Tratamiento de personas con intoxicación aguda (el carbón activado se considera el “antídoto mas universal”, y se aplica en salas de urgencias y hospitales)

• Refinación de azúcar (el carbón retiene las proteínas que dan color al jugo de caña; el objetivo fundamental de este proceso es evitar que el azúcar fermente y se eche a perder)

• Decoloración de aceites vegetales (como el de coco), glucosa de maíz y otros líquidos destinados a la alimentación

• Decoloración y deodorización de bebidas alcohólicas (como vinos de uva y destilados de cualquier origen)

• Recuperación de oro (el oro que no se puede separar de los minerales por los procesos de flotación, se disuelve en cianuro de sodio y se adsorbe en carbón activado)

•  

El carbón como material versátil:

La adsorción es un proceso por el cual los átomos en la superficie de un sólido, atraen y retienen moléculas de otros compuestos. Estas fuerzas de atracción son conocidas como " fuerzas de Van Der Waals". Por lo tanto al ser un fenómeno que ocurre en la superficie mientras mayor área superficial disponible tenga un sólido, mejor adsorbente podrá ser.

Todos los átomos de carbón en la superficie de un cristal son capaces de atraer moléculas de compuestos que causan color, olor o sabor deseables o indeseables; la diferencia con un carbón activado consiste en la cantidad de átomos en la superficie disponibles para realizar la adsorción. En otras palabras, la activación de cualquier carbón consiste en "multiplicar" el área superficial creando una estructura porosa. Es importante mencionar que el área superficial del carbón activado es interna. Para darnos una idea más clara de la magnitud de la misma, imaginemos un gramo de carbón en trozo el cual moleremos muy fino para incrementar su superficie, como resultado obtendremos un área aproximada de 3 a 4 metros cuadrados, en cambio, al activar el carbón logramos multiplicar de 200 a 300 veces este valor.

Por todo ello, cuando se desea remover una impureza orgánica que causa color, olor o sabor indeseable, normalmente la adsorción con carbón activado suele ser la técnica más económica y sencilla.

Métodos de activación: 

El carbón activado puede fabricarse a partir de todo tipo de material carbonoso o bien a partir de cualquier carbón mineral no grafítico; sin embargo, cada materia prima brindará características y calidades distintas al producto.  

En cuanto al proceso de activación, existen dos tipos de activación: activación física (llamada también térmica) y activación química (llamada también deshidratación química).  

Activación térmica:

Cuando se parte de un material orgánico –madera, bagazo de caña, sangre, etc. –, el proceso se inicia con su carbonización, la cual debe realizarse a una temperatura baja en la que no se favorezca la grafitación. Si se parte de carbón mineral, normalmente no se requiere la carbonización, a menos que éste contenga un alto contenido de volátiles.

El carbón resultante se somete a temperaturas cercanas a 1000°C, en una atmósfera inerte o reductora, casi siempre saturada con vapor de agua. En estas condiciones, y a lo largo de un cierto tiempo, algunos átomos de carbón reaccionan y se gasifican en forma de CO2, y otros se recombinan y condensan en forma de las mencionadas placas grafíticas. [3]

El grado de activación y el rendimiento dependen de las condiciones de

operación del horno de activación que son: 

1. La temperatura.

2. La composición de los gases.

3. El tiempo de residencia.

4. El flujo volumétrico del vapor.

A mayor grado de activación generalmente corresponde un menor rendimiento. Existe, sin embargo, un punto máximo de activación posible, más allá del cual sólo aumentan las pérdidas de carbón. Por grado de activación se entiende el área superficial generada en el carbón activado. Un hecho que resulta interesante es que aunque ésta varíe, la proporción de micro, meso y macro poros cambia poco.

El carbón activado sale del horno al rojo vivo, por lo que debe enfriarse antes de entrar en contacto con el aire que se encuentra a temperatura ambiente. De lo contrario, una parte de éste desaparecería como CO2 y el producto resultaría con una cantidad muy grande de óxidos superficiales, que podrían afectarlo negativamente. Para lograr este enfriamiento puede recibirse el carbón en agua o en un equipo sellado con enfriamiento directo.

Lo anterior constituye la etapa básica del proceso. El resto consiste en operaciones de molienda y cribado para brindar al producto el rango buscado de tamaños de partícula.

Activación química:

Este método sólo puede aplicarse a ciertos materiales orgánicos relativamente blandos y que están formados por moléculas de celulosa, como es el caso de la madera de pino.

La primera etapa consiste en deshidratar la materia prima mediante la acción de un agente reactivo, como ácido fosfórico, cloruro de zinc o carbonato de potasio. Posteriormente, se carboniza el material deshidratado a baja temperatura (500-600°C), obteniéndose automáticamente la estructura porosa.

El producto resultante se lava, con objeto de dejarlo tan libre como sea posible del químico utilizado, así como para recuperar y reutilizar éste último. La rentabilidad del proceso radica, en gran medida, en la eficiencia de dicha recuperación. El grado de activación puede variarse de acuerdo con la concentración del químico deshidratante utilizado. 

Mediante esta tecnología no se obtienen las mismas placas grafíticas que resultan del método de activación térmica. Las paredes del carbón más bien se asemejan a una molécula orgánica, parte aromática y parte alifática, o a un polímero muy ramificado y entre ligado. Además, estas paredes no son planas, sino rugosas –aun en el caso de los micros poros y contienen grandes cantidades de átomos distintos al carbono, principalmente oxígeno. 

Materias primas para elaborar el Carbón Activo:

Actualmente el carbón activado puede ser producido a partir de cualquier material rico en carbono, pero sus propiedades estarán muy influenciadas por la naturaleza de la materia prima con que es producido y por la calidad del proceso de activación.

Entre las principales fuentes se destacan: 

1. Carbones Minerales.

2. Concha de coco.

3. Maderas.

Este vídeo te puede mostrar otra fuente para obtener carbón activado...

De estas, la concha de coco es la que rinde un producto final con mayor granulación y dureza, con un volumen de poros uniforme y un alto por ciento de porosidad. Además, al ser más denso que los obtenidos por las otras materias primas mencionadas, lo hace más cotizado para la eliminación de productos químicos contaminantes del medio.  

Además de las anteriores materias primas, también se encuentran otras que hacen parte del proceso, entre ellas: Bagazo de caña, granos (frijo, arroz, lentejas, arberjas, etc), desechos de maíz, residuos del petróleo, algas marinas, huesos de frutos, cascara de arroz y turba. 

Algo importante para resaltar es que:

La dureza o resistencia a la abrasión es una propiedad muy importante en los carbones activados que se van a utilizar en forma de gránulos, ya que la falta de ésta provoca erosión y rompimiento durante el manejo y uso. Esta propiedad puede medirse con diversos métodos. 

El carbón de madera de pino tiene una dureza muy baja, que suele hacerlo inapropiado para el uso en forma granular y, por el contrario, el de concha de coco tiene la ventaja de ser el más resistente. 

Imagen No. 1 Método de activación según la materia prima.

Imágen No. 2 Tabla donde nos indican las aplicaciones del carbón activado hacia el tratamiento de aguas según su orígen.

El carbón activado se clasifica en:

El carbón activado granular

El carbón activado granular consiste en gránulos de forma irregular que se instalan dentro de un recipiente por el que se hace circular el líquido o gas que va a tratarse. El carbón activado granular se fabrica en diversos rangos de tamaños. Por ejemplo, un 8x30 es un carbón cuyaspartículas pasan por la malla 8 pero no por la 30. . 

Imágen No. 3 Carbón Activado Granular

Mientras menores son las partículas de carbón, trabajan con una rapidez sustancialmente mayor, aunque también causan una mayor caída de presión en el fluido tratado. Lo primero se debe a que se acorta y se facilita el acceso del adsorbato a la superficie interna del carbón. 

El carbón activado en polvo 

El carbón activado en polvo se define como aquel carbón cuyas partículas pasan a través de la malla 80. Este rango de tamaños corresponde aproximadamente al del talco.

Como es obvio por su tamaño, este tipo de carbón no puede emplearse en lechos fijos y por lo tanto no se utiliza en el tratamiento de gases. Se adiciona al líquido en un tanque agitado: después de un tiempo que suele ser de entre 10 y 30 minutos, se deja sedimentar o se separa por medio de un filtro, que normalmente es tipo prensa. 

Imágen No 4. Carbón Activado en Polvo

El carbón activado pelletizado 

El carbón activado puede pulverizarse y posteriormente pelletizarse bajo presión o con la ayuda de agentes ligantes, como brea, alquitranes y glucosa, entre otros.

Los pellets suelen ser cilíndricos debido a que normalmente se producen por extrusión. Su principal ventaja consiste en que causan una menor caída de presión que los carbones granulares, cosa que los hace muy útiles en la purificación de aire y otros gases en los que existe una baja presión disponible.

Sin embargo en ocasiones también se aplican en fase líquida. Comercialmente se encuentran en diámetros de 0.8 a 5 mm, siendo el de 4 mm el más común.

Una característica de este tipo de carbones radica en que, gracias a su forma regular, no tienen partes puntiagudas que se puedan romper fácilmente durante el manejo o erosionar durante los retrolavados o la operación. Esto es importante en ciertos procesos, en los que es imprescindible evitar desprendimiento de partículas finas, como es el caso de recuperación de oro, en el que el valioso metal se concentra en el carbón. Cabe aclarar que para este tipo de aplicaciones también puede utilizarse carbón activado granular, siempre y cuando sea duro –como es el caso del el de concha de coco y el fabricante lo haya sometido a un proceso de rodado en el que se eliminan las puntas.

Además de los pellets cilíndricos, se fabrican otras con diversas formas, como la de panal de abejas para acondicionamiento de aire, o la de estatuillas y figuras decorativas para eliminar olores de cigarros en casas y oficinas, también existen en forma esférica. 

Imágen No. 5 Carbón Activado Pelletizado

 

   Bibliografìa: 

Vargas, C. (2010) Propiedades físicas del carbón activado. Recuperado de: https://es.scribd.com/document/276882112/Propiedades-Físicas-Del-Carbon-Activado.

Anònimo. (s.f) Manual del carbón activo. Universidad de Sevilla. Recuperado de: http://www.elaguapotable.com/Manual%20del%20carb%C3%B3n%20activo.pdf.

Jose G. Carriazo, Martha J. Saavedra, Manuel F. Molina (2010) Propiedades adsortivas de un carbón activado y determinación de la ecuación de Langmuir empleando materiales de bajo costo. 
Educ. quím., 21(3), 224-229, 2010. © Universidad Nacional Autónoma de México, ISSN 0187-893-X Publicado en línea el 3 de mayo de 2010, ISSNE 1870-8404