Adsorción por carbón activado

Las aplicaciones de importancia son la remoción de color, sabor y olor en aguas potables u otras sustancias orgánicas o inorgánicas que puedan estar contenidas en la misma; pero también se lo utiliza en la industria, en la purificación de aire y gases, etc.

Los carbones activados pueden ser empleados en diversas formas: en polvo, granulado o actualmente también en forma fibrosa. Los carbones activados en polvo (CAP) generalmente tienen un diámetro de partícula del orden de 44 micrómetros, lo cual le otorga una rápida adsorción, pero son dificultosos en su manejo en lechos fijos, generan mayores pérdidas de carga y son difíciles de regenerar. Por su parte, en su forma granulada (CAG), los diámetros de partículas son de 0,6 a 4 mm, son duros, resistentes a la abrasión, relativamente más densos, generan menor pérdida de carga, y pueden ser regenerados mediante uso de vapor. Las fibras de carbón activado (CAF) son materiales caros para un tratamiento de agua, pero tienen la ventaja de ser moldeados fácilmente a la forma de la matriz de adsorción y producen muy baja pérdida de carga.

Los carbones activados incluyen una amplia variedad de materiales amorfos procesados. En realidad, no son amorfos, sino que tienen una estructura micro cristalina. Estos compuestos tienen una altísima porosidad y superficie específica. Su producción involucra dos etapas: la primera, la carbonización de material carbonáceo crudo a temperaturas debajo de 800°C en una atmósfera inerte y luego la activación del producto carbonizado. Así, todos los materiales carbonáceos pueden ser convertidos en carbón activado, aunque las propiedades finales del mismo serán diferentes dependiendo de la naturaleza del material crudo utilizado, la naturaleza del agente activador, las condiciones de carbonización y el proceso de activación del mismo.

Durante el proceso de carbonización, la mayoría de los elementos no carbonáceos como oxígeno, hidrógeno y nitrógeno son eliminados como especies volátiles gaseosas por la descomposición pirolítica del material crudo. Los átomos de carbono elemental se agrupan en pilas de hojas aromáticas planas entrecruzadas de una manera aleatoria. Estas hojas aromáticas están dispuestas de manera irregular, dejando libres intersticios. Estos en definitiva son poros, que convierten al carbón activado en un gran adsorbente. El resultado de la activación del carbón (altas temperaturas en atmósferas óxicas y con CO2) es un material con una superficie interna muy elevada, que en algunos casos puede llegar a 2500 m2/g.

La composición elemental típica de un carbón activado es de 88% C, 0,5% H, 0,5% N, 1,0% S y 6-7% O.

Adsorción

Este fenómeno surge como resultado de fuerzas moleculares insaturadas y no balanceadas que están presentes en toda superficie de un sólido. De esta manera, cuando una superficie sólida es puesta en contacto con un líquido o gas, existe una interacción entre las fuerzas de campo de la superficie y las del líquido o gas. La superficie sólida tiende a satisfacer esas fuerzas residuales atrayendo y reteniendo en su superficie las moléculas, átomos o iones del gas o líquido.

Dependiendo dela naturaleza de las fuerzas involucradas, la adsorción puede ser de dos tipos: física o química. En el caso de la adsorción física, el adsorbato es ligado a la superficie por fuerzas relativamente débiles como las de Van der Waals, las cuales son similares a las fuerzas moleculares de cohesión que están involucradas en la condensación de vapores sobre líquidos. La adsorción química, del otro lado, involucra intercambio de electrones entre las moléculas del adsorbato y la superficie del adsorbente resultando en una reacción química. El lazo formado entre adsorbato y adsorbente es mucho más fuerte que en la adsorción física.

La información de adsorción puede ser representada por varias ecuaciones isotérmicas, las más importantes: Langmuir, Freundlich, Brunauer-Emmett-Teller (BET) y las de Dubinin. Las dos primeras isotermas aplican tanto para la adsorción física como la química.

La adsorción en carbón activado tiene amplias aplicaciones en industrias como la farmacéutica o alimenticia.

Adsorción en carbón activado

La superficie del carbón tiene una característica única. Tiene una estructura porosa la cual determina su capacidad de adsorción, tiene una estructura química que influencia su interacción con adsorbatos polares o no polares, tiene sitios activos en su estructura, etc. De esta manera, el carbón activado es un excelente y versátil adsorbente.

Las aplicaciones de importancia son la remoción de color, sabor y olor en aguas potables u otras sustancias orgánicas o inorgánicas que puedan estar contenidas en la misma; pero también se lo utiliza en la industria, en la purificación de aire y gases, etc.

Los carbones activados pueden ser empleados en diversas formas: en polvo, granulado o actualmente también en forma fibrosa. Los carbones activados en polvo (CAP) generalmente tienen un diámetro de partícula del orden de 44 micrómetros, lo cual le otorga una rápida adsorción, pero son dificultosos en su manejo en lechos fijos, generan mayores pérdidas de carga y son difíciles de regenerar. Por su parte, en su forma granulada (CAG), los diámetros de partículas son de 0,6 a 4 mm, son duros, resistentes a la abrasión, relativamente más densos, generan menor pérdida de carga, y pueden ser regenerados mediante uso de vapor. Las fibras de carbón activado (CAF) son materiales caros para un tratamiento de agua, pero tienen la ventaja de ser moldeados fácilmente a la forma de la matriz de adsorción y producen muy baja pérdida de carga.

Los factores que afectan el equilibrio de adsorción pueden enumerarse en continuación. Entre los factores principales que afectan la forma de la isoterma de adsorción se incluyen:

  • Naturaleza del adsorbato.
  • Superficie total del adsorbente.
  • Características químicas de la superficie adsorbente.
  • pH
  • Temperatura
  • Competencia de adsorbatos.
  • Reversibilidad de la adsorción.

Utilización del carbón activado en el ámbito del agua potable:

El empleo de carbón activado en polvo (CAP) generalmente se lleva a cabo en las plantas de tratamiento de agua en forma permanente o para enfrentar emergencias de corta duración en la planta o problemas estacionales eventuales, con los siguientes objetivos:

  • Mejorar la eficiencia de la remoción de materia orgánica en los procesos convencionales.
  • Actuar como coadyuvante de la coagulación.
  • Eliminar sabores y olores.

Si bien la aplicación del CAP se basa en los mismos principios de adsorción que el carbón activado granular (CAG), no se utiliza como medio filtrante, sino que se adiciona en polvo en forma directa al agua en diferentes puntos durante el proceso de tratamiento. En muchos establecimientos es común su utilización para mitigar efectos de algas en el agua. Sin embargo, la principal aplicación del CAP en plantas de tratamiento de agua ha sido la remoción de olores y sabores. Las dosis empleadas pueden ir desde unos pocos miligramos por litro hasta valores superiores a los 100 mg/L, sin embargo, el rango típico habitual se ubica por debajo de 25 mg/l.

En cambio, en las columnas de carbón activado granular (CAG), la adsorción se produce en una franja de relleno generalmente denominada zona de transferencia de masa. El carbón activado ubicado detrás de la zona de transferencia de masa está completamente saturado, mientras que la cantidad de adsorbato retenida por unidad de masa de carbón activado corresponde a la expresada por la isoterma de adsorción para la concentración de entrada a la columna. Por el contrario, el carbón ubicado más allá de la zona de transferencia de masa, no ha sido expuesto aún a la concentración de adsorbato de entrada, resultando nula tanto la concentración del agua tratada como la cantidad adsorbida sobre el carbón activado. Dentro de la zona de saturación, el grado de saturación del lecho varía desde 0% hasta 100%

El carbón activado granular se puede utilizar en filtros abiertos de flujo descendente operados a gravedad, o bien en sistemas cerrados que funcionan con presiones superiores a la atmosférica. Los sistemas de carbón activado granular pueden ser del tipo de lecho fijo o expandido. Por su parte, el flujo de agua a tratar puede tener sentido ascendente o descendente, aunque en el tratamiento de agua el modo más habitual de operación es el de flujo descendente.

Cuando el sistema de tratamiento pertenece a plantas pequeñas en general se emplea una etapa única; en este caso, el carbón activado se debe renovar cuando la zona de transferencia de masa comienza a “salir” de la columna, lo cual se refleja en la calidad del efluente. Al llegar este momento, normalmente sólo una fracción del carbón activado contenido en la unidad ha llegado a alcanzar la condición de equilibrio (saturación) con la concentración de la alimentación. Cuanto mayor es la fracción de carbón saturado en el momento de la renovación, mayor habrá sido el aprovechamiento del adsorbente y por lo tanto más económica resultará la operación de la unidad. Pero también a fin de incrementar la capacidad de tratamiento, se pueden disponer columnas en serie de modo que la zona de transferencia de masa que sale de la primera unidad quede completamente comprendida entre las unidades ubicadas aguas abajo.

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