417 ASPECTOS INDUSTRIALES DE LA PRODUCCIÓN DE

Aspectos Industriales de la Producción de Carbón Activado y sus Aplicaciones en la Mitigación Ambiental
Congreso Iberoamericano de Metalurgia y Materiales, Habana, Cuba, Octubre 8 de 2006
Os
ASPECTOS INDUSTRIALES DE LA PRODUCCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO Y SUS APLICACIONES EN LA
MITIGACIÓN AMBIENTAL
Aramís Fernández Rodríguez, Casto Rafael Castillo Eguis, Rubén Aja Muñiz, Idalberto García Fernández, Moisés Huertemendía Marín
Laboratorio de medio Ambiente. Centro de Investigaciones para la Industria Minero Metalúrgica. Carretera Varona #
12028, km 1½, Capdevila, Boyeros, Ciudad de La Habana, Cuba
(Recibido 8 de Oct.2006)
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RESUMEN
En la actualidad, el carbón activado es un producto muy cotizado en el mercado mundial por sus innumerables aplicaciones
dentro del campo de la medicina, la industria biofarmacéutica y el medio ambiente. Su producción es controlada por países
altamente desarrollados como Holanda, Reino Unido, Japón, Alemania y los Estados Unidos.
El presente trabajo aborda sus formas de obtención, materias primas utilizadas, tecnologías disponibles, mercados y aplicaciones en el campo de la descontaminación ambiental de residuales líquidos y gaseosos y en la protección a la salud humana.
Otros aspectos explican las perspectivas futuras de nuestro país en este campo, dada la presencia de una planta industrial
cubana de carbón activado ubicada en el municipio de Baracoa, provincia de Guantánamo, con capacidad de producción de
500 toneladas/año y con posibilidades de producir diversos tipos de carbones activos lo que, sin lugar a dudas, constituye
un producción comercial de primera línea.
Palabras claves: Carbón Activado, Producción, Aplicaciones, Medio Ambiente
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1. Introducción
El carbón activado, en sus diferentes formas, juega un papel importante en muchas industrias. La mayoría de los carbones
activados industriales son producidos a partir de materiales carbonáceos que se obtienen de la naturaleza, tales como la
turba y la madera, mediante procesos térmicos. En general, los carbones activos se obtienen como un residuo sólido, después de eliminar los componentes volátiles de un material carbonáceo.
Generalmente la estructura de los materiales carbonaceos de partida es solo ligeramente porosa. Una vez aplicado un procedimiento adecuado de activación, se obtiene un producto que se denomina carbón activado, lo que denota un material con
una estructura de poros interna accesible y bien desarrollada.
De acuerdo con el procedimiento de activación empleado, se obtiene un material con un área superficial interna que puede
oscilar entre 500 y 1500 m2/g, lo cual lo convierte en un adsorbente por excelencia, utilizado en innumerables procesos
tecnológicos que abarcan diferentes industrias tales como la alimenticia, la biofarmacéutica y la metalúrgica.
En el campo de la industria metalúrgica en particular, la cuestión de la sostenibilidad ambiental de diversos procesos, así
como las cada vez más exigentes normas que regulan las buenas prácticas de producción, demandan soluciones a problemas
con los que ha convivido durante mucho tiempo y que ya no son tolerables. Diversas industrias producen gases tóxicos
(NH3 y H2S) que afectan a su vez las propias instalaciones de dicha industria, incluso a otras ajenas a ellas mismas. Adicionalmente, en algunos casos el medio ambiente cercano a estas fábricas se deteriora como consecuencia de las emanaciones
de estos productos, provocando inclusive situaciones de gran deterioro ambiental que afectan a los seres humanos. En nuestro país, se está tratando de controlar estas emisiones, pues se han detectado afectaciones en centrales telefónicas, centros de
cómputo, salas de control, etc.
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La tendencia mundial a la eliminación de todo tipo de residuales tóxicos incluye, dentro de los gases más comunes y nocivos, al NH3 y al H2S. Diversas mejoras tecnológicas han sido realizadas a los procesos que generan estos gases, pero al no
ser suficientes, se ha tenido que recurrir al tratamiento de estos como residuales. El carbón activado ha probado ser un adsorbente por excelencia, fácil de manipular y de gran efectividad, y su empleo para el tratamiento de gases es ampliamente
conocido y de una gran actualidad.
2. Materias primas utilizadas.
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: los carbones minerales, el cascarón del coco y las maderas. De estas, el
cascarón del 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 (Bansal, Donnet, Stoeckly, 1988; Marín, Granadillo, Correa, 1988). 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.
La selección de la materia, que se utilizará para la obtención del producto final, dependerá de un grupo de factores
que deben ser tenidos en cuenta, como son:
⇒ Disponibilidad y costo de la materia prima.
⇒ Tecnología disponible.
⇒ Demanda en el mercado de un determinado tipo de carbón activado.
En relación con las materias primas más ampliamente utilizadas (cascarón del coco, carbón mineral y madera) podemos observar en la tabla No. 1 como varia el contenido de carbono en estos materiales (Roskill, 1992; Marín, Granadillo,
Correa, 1998).
Tabla 1: Contenido de carbono no volátil en las materias primas utilizadas para la producción de carbón activado
Materia prima
Madera blanda
Madera dura
Cascarón de coco
Lignito
Carbón bituminoso
Antracita
Contenido aproximado de carbono, %
40
40
40
60
75
90
En la tabla anterior puede observarse que el mayor contenido de carbono se encuentra en los diferentes carbones minerales,
lo que unido a las grandes reservas de los mismos existentes en los países industrializados, así como que la estructura de
poros que poseen, permite que sean de los más adecuados para la producción de un carbón activado destinado al tratamiento
de agua (el mercado de más fácil crecimiento en la actualidad). Esto ha determinado que dichos carbones sean los más utilizados por los principales productores de esos países. Sin embargo, en países en vías de desarrollo, la corteza del coco y los
residuos forestales son las materias primas más ampliamente utilizadas. En países como Filipinas, Sri Lanka y Malasia se
observa un desarrollo creciente de la producción de carbón activado ya que cuentan con una poderosa industria relacionada
con productos del coco.
Además de las materias primas antes mencionadas, también han sido utilizadas otras, como son:
¾ Bagazo de caña.
¾ Meollo de caña
¾ Semillas de frijoles.
¾ Desechos de maíz.
¾ Residuos del petróleo.
¾ Alquitrán.
¾ Resinas.
¾ Asfalto.
¾ Algas marinas.
¾ Huesos.
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¾
¾
¾
¾
¾
Cáscara de arroz.
Lignina.
Cachaza.
Turba.
Paja de caña.
3.Procesos de obtención.
El Carbón Activado puede ser obtenido por dos vías fundamentales (Rodríguez-Reinoso, 1994):
a) Activación Física (gasificación parcial).
b) Activación Química (deshidratación con ácidos y bases).
Ambos procesos requieren del uso de energía y de temperaturas elevadas, siendo menores en el caso de la activación química (400 - 800°C).
El método de Activación Física se efectúa en dos etapas: en la primera de ellas, denominada carbonización o pirólisis, se
obtiene el carbonizado por descomposición térmica de la materia prima. Este constituye un producto de estructura porosa
poco desarrollada, que presenta propiedades adsortivas muy limitadas. En la segunda etapa, denominada activación, el
carbón es sometido a la acción de gases activantes, tales como vapor de agua, dióxido de carbono, aire, etc. Este proceso se
efectúa a temperaturas que varían desde 800 hasta 1000°C y como resultado del mismo se obtiene un producto de estructura
porosa muy desarrollada, con un área superficial que puede llegar hasta los 2000 m2/g, con elevadas propiedades de adsorción, que constituyen la base de su amplia y variada aplicación industrial (Huertemendía, Coloma, Sepúlveda-E., Rodríguez-R., 1997; Fernández, Castillo, Aja, Rey, García, Huertemendía, de las Pozas, 2005)
Cuando se emplea la Activación Química, se desarrolla un proceso de carbonización como resultado de la adición de sustancias químicas que restrinjan la formación de alquitranes. De esta forma, puede obtenerse un producto con las propiedades
de un buen carbón activado en una sola operación. Sin embargo, deben ser empleados en grandes cantidades agentes de
activación tales como el cloruro de zinc, ácido fosfórico, e hidróxido de potasio, los que deben ser eliminados mediante
lavados. La influencia de las condiciones de obtención en las características superficiales de carbones activos obtenidos por
activación química de cascarón de coco con ácido fosfórico han sido estudiadas en Cuba (Huertemendía, 2002)
4. Tecnologías disponibles.
En el mundo se localizan numerosas indicaciones, reportes y patentes sobre variantes tecnológicas de equipos (hornos rotatorios, de tornillo, etc.) y procesos específicos de pirólisis y activación para la producción de carbones activos (CA) (Rodríguez-Reinoso, 1994).
En Cuba se cuenta con importantes resultados investigativos sobre el empleo de los hornos rotatorios, de tornillo y de lecho
fluidizado, cuya incorporación a la industria ha cobrado auge en los últimos años por sus ventajas económicas y condiciones de trabajo. Los mismos han sido desarrollados en el marco de un programa nacional científico técnico de la academia de
ciencias (Fernández, García, Castillo, Robau, Rey, Aja, Castellanos, Baquero, Inocencio, Fernández, 1993)
Prácticamente, todas las grandes compañías del mundo reportan incrementos de la capacidad de producción y vínculos con
grupos innovadores o de desarrollo de tecnologías en los momentos actuales. Se localizan tendencias nuevas sobre los servicios técnicos para la producción de carbón activado vinculando las materias primas y los usos deseados.
China, el cual ha sido uno de los últimos países en incorporarse al grupo de los pocos que controlan el mercado mundial,
reportó en Febrero de 1997, que la NANTONG YONG TONG Activated Carbon Company LTD en colaboración con el
NANTONG Municipal Communication Bureau and Shangai Fudan University ha desarrollado recientemente un Sistema
continuo de producción de carbón activado con una capacidad de producción 16 veces mayor que la del sistema semicontinuo actual y ha alcanzado índices de calidad del producto final igual o superior a los índices que se están comercializando
a escala mundial (Marín, Granadillo, Correa, 1988).
La Kerala State Industrial Development Corporation (KSIDC) de la India reportó en 1995 que en colaboración con las
firmas Gulfar Engineering & Contracting of Muscat & Carbon Consult GMBH de Alemania (Indo German Carbons) desarrollaron una nueva tecnología de producción de carbón activado a partir de cascarones de coco con aplicaciones muy diversas en la purificación de aire y la purificación de líquidos (Marín, Granadillo, Correa, 1988).
No existen publicados precios actualizados de los carbones activos en el mercado mundial. El hecho de que exista un amplio rango de carbones activados, así como de que la concentración de la producción se encuentre en manos de unos pocos
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productores y de que muchos carbones activos sean producidos para satisfacer especificaciones individuales de los clientes,
implica que sea muy poca la información divulgada al respecto, y que los precios actuales sean difíciles de estimar.
En las tabla 2 se muestran los valores promedios en USD/t de los envíos de carbones activos de acuerdo con su tipo realizados por los Estados Unidos de Norteamérica entre los años 1981 y 1990 (Roskill, 1992).
Año
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
Tabla 2: Precio de embarque de carbones activos según su tipo en USD/t
Granular
Polvo
1648
1253
1770
1068
1910
1306
1861
1171
2123
958
2228
946
2145
1013
2178
1048
2029
1072
2367
1119
Total
1447
1416
1605
1509
1569
1625
1568
1621
1688
1784
En la tabla 3 se muestran estos mismos precios para los carbones activos de acuerdo al uso a que están destinados, entre los
años 1974 t 1980
Año
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
Tabla 3: Precio de embarque de carbones activos según su empleo en USD/t
Decoloración
Purificación de
Adsorción de
Total
aguas
gases
610,6
443,5
928,2
593,6
No reportado
653,1
1240,6
No reportado
912,3
651,7
1402,7
876,9
884,5
646,5
1285,2
863,0
981,4
616,5
1626,0
858,1
1063,5
844,6
1720,2
1031,6
1240,8
858,4
1970,4
1240,4
Como se observa, el valor promedio de los embarques de carbón activado granular (CAG) aumentó en un 4 % durante esos
años y, por el contrario, los embarques del carbón activado en polvo (CAP) disminuyeron en un 1,3 %. Estas tendencias
reflejan un creciente interés por el uso del CAG, tanto en fase gaseosa como en fase líquida, incluido el tratamiento de
aguas.
En los gráficos 1 y 2 se muestran las tendencias del mercado italiano hasta el año 2000 en lo relativo a cantidades importadas y consumidas y a los precios de importación y al detalle (en liras italianas/kg). El consumo y las importaciones tienden
al crecimiento. En cuanto a los precios, la tendencia es a la estabilidad, con un crecimiento ligero, tanto en lo referente a
los de importación como en los referidos a compras al detalle, a partir del año 1990 (Monte-Ele, 2003).
Figura 1. Importaciones y consumos en el mercado italiano
en el período 1980-2000
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Aunque los precios de importación y al detalle que se exponen corresponden a valores que oscilan entre los 1000-2000 USD
por tonelada, en la actualidad se han desarrollado tecnologías de alto valor agregado entre las que podemos citar: obtención
de carbones activados impregnados para la adsorción de sulfhídrico, mercurio y sustancias radioactivas, cuyos precios sobrepasan los 8000-10000 USD por tonelada, sin mencionar los carbones destinados a la protección de la salud humana en la
rama farmacéutica, cuyos valores, como el caso de los utilizados en la purificación de la sangre (procesos de hemofiltración), oscilan entre los 400-500 USD por filtros de 300 gramos de carbón (corresponden a la firma GAMBRO, de Alemania).
Figura 2. Precios en el mercado italiano en el período 1980-2000.
El carbón activado granular (CAG) es más costoso en términos generales que el carbón activado en polvo (CAP) debido,
entre otras cosas, a que el procesamiento del primero para lograr obtener un área superficial más elevada y poros más pequeños resulta más complejo. En lo concerniente al uso, los carbones activados empleados en fase líquida, tales como la
decoloración de azúcar, tienen poros más grandes, una menor área superficial y requieren un menor consumo de energía en
su procesamiento.
Una ventaja adicional de los CAG es que pueden ser regenerados varias veces lo cual disminuye la inversión inicial en su
uso a largo plazo. Una vez desechado, la cantidad de material a incinerar o enterrar es menor.
Algunos carbones para uso muy específicos como los relacionados con la industria farmacéutica y procesos inmunológicos
para la eliminación de reactivos y productos de desecho, pueden alcanzar precios muy elevados en dependencia de las especificaciones de los mismos. En la tabla 4 se muestran algunos ejemplos:
Tabla 4: Precios de algunos carbones de aplicaciones farmacéuticas
Carbón activado
Cantidad (kg)
Precio (USD)
Lavado con agua y ácido clorhídrico
0,500
56,30
Sin tratar, en polvo (100-400 mesh)
0,500
32,20
Sin tratar, granular (4-8 mesh)
0,500
17,60
En Cuba, la tecnología instalada se corresponde con la de horno rotatorio con una capacidad nominal de 500Ton/año, y su
desarrollo por especialistas cubanos es totalmente autóctono. En la actualidad, su producción abarca diferentes tipos de
carbones activados tales como:
Purificación de bebidas y licores
Tratamiento de agua
Declorinación
Adsorción de gases
Con lo anteriormente expuesto, el nivel de importaciones por este concepto se ha reducido de forma considerable.
5. Aplicaciones.
Los CA, por ser adsorbentes versátiles, tienen un uso muy generalizado en los países desarrollados. En general, el crecimiento futuro del uso del CA estará muy influenciado por las cada vez más exigentes legislaciones de protección del medio
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ambiente, en particular para controlar la contaminación del agua y del aire. En la tabla No 5, se resumen algunos de los
usos del carbón activado (Marín, Granadillo, Correa, 1988).
Tabla 5: Usos del carbón activado
PESO %
Producción Mundial
100
85
Adsorción en fase líquida
Decoloración de azúcar
20
Tratamiento de agua potable
25
Tratamiento de aguas albañales
10
Tratamiento de aguas contaminadas
30
15
Adsorción en fase gaseosa
Tratamiento de gases industriales
5
Purificación de aire
7
Otros usos
3
TOTAL
100
INCREMENTO ANUAL
8.01
8.04
1.05
5.5
8.5
3.0
5.8
8.5
5.5
2.0
En la tabla 6 se muestran las propiedades de algunos carbones producidos por Atochem America para adsorción de contaminantes en fase líquida y gaseosa (Roskill, 1992).
Tabla 6: Propiedades típicas de carbones activados Cecarbon
Fase líquida
Tamaño de partícula (malla nominal)
8 x30
Área superficial total (m2/g)
950-1050
Número de yodo (mg/g)
955
Abrasión (%)
80
Fase gaseosa
Tamaño de partícula (malla nominal)
4*6
Área superficial total (m2/g)
1050-1150
Número de yodo (mg/g)
1050
Adsorción de tetracloruro de carbono (%)
65
12 x 40
1000-1100
1050
80
6*16
950-1050
1050
60
6. Perspectivas Futuras.
En general, el crecimiento futuro del uso del carbón activado (CA) estará muy influenciado por las cada vez más exigentes
legislaciones de protección del medio ambiente, y con el empleo de este producto para controlar la contaminación del agua
y del aire, por lo que el auge de la industria y la diversidad de procesos existentes y en desarrollo requieren cada vez más
especificidad y especialización. El CA, adsorbente por excelencia, tiene un amplio espectro de acción, siendo el objetivo de
investigadores y productores la creación de nuevos productos de acción selectiva a la vez que se trata de esclarecer los
mecanismos que rigen el proceso de adsorción de las sustancias de interés en los mismos.
La especificidad en la adsorción de CA está en dependencia de diferentes factores como son los vinculados a su proceso de
obtención, la impregnación con agentes químicos, la modificación de grupos superficiales, las condiciones de aplicación,
etc. Dentro de los CA más interesantes y de mayor precio en el mercado mundial se encuentran los impregnados con agentes químicos capaces de catalizar ó modificar la adsorción. A este grupo pertenecen los CA para la protección ambiental y
personal, adsorción de gases industriales, descontaminación de desechos radioactivos gaseosos y líquidos, caretas antigases
etc.
No menos importantes son los productos con propiedades superficiales modificadas, los cuales ejercen su acción específica
basada en la polaridad, o grado de ionización de la sustancia de interés. Estos carbones son ampliamente aplicados en la
retención de productos orgánicos y de origen Biotecnológico incluyendo algunos microorganismos como los virus.
7. Conclusiones
El desarrollo de carbones activos para diferentes aplicaciones es un tema de vital importancia a nivel mundial y, por tanto,
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de interés primordial para el laboratorio de Medio Ambiente del CIPIMM; también lo es la investigación de las particularidades de los fenómenos físico-químico que rigen los mecanismos, tanto de obtención como de la aplicación de los mismos.
En Cuba existen condiciones para la producción de carbón activado a nivel industrial. De acuerdo con ello, la producción en
Cuba de este material, de altos precios y demanda creciente en el ámbito mundial, deberá estar enfocada, como estrategia
fundamental, hacia el sector del mercado, tanto nacional como internacional, vinculado con la protección del medio ambiente.
8. Referencias
[1]. BANSAL, R. C., DONNET, J-B., STOECKLI, F. Capítulo 1 Active Carbon, Marcel Dekker, New York, 1988.
[2]. FERNÁNDEZ, R. A., GARCÍA, F. I., CASTILLO, E. R., ROBAU, S. A., REY, M. C., AJA, M. R., CASTELLANOS, C. M., BAQUERO, R. R., INOCENCIO, G. J., FERNÁNDEZ, G. G., Estudio y programa sobre la aplicación extensiva de carbón activado
en pruebas de electroforesis en la red nacional de salud pública e instituciones científicas, VIII Forum Nacional Ciencia y Técnica,
La Habana, Cuba, 1993.
[3]. FERNÁNDEZ, R. A., CASTILLO, E. R., AJA, M. R., REY, M. C., GARCÍA, F. I., HUERTEMENDÍA, M. M., Obtención Carbones
Activados Microporosos para la Purificación de Gases, 1a Convención Cubana de Ciencias de la Tierra, I Congreso Cubano de Minería, La Habana, Cuba, 2005
[4]. HUERTEMENDÍA, M. M., Activated carbons from coconut shell by chemical activation. A first approach to a quantitative relation
between textural parameters and preparation conditions, Afinidad LIX, 498, 119-126, 2002.
[5]. HUERTEMENDÍA, M. M., COLOMA, P. F., SEPÚLVEDA-E., A., RODRÍGUEZ-R., F., Cobalt catalysts supported on activated
carbons with different surface properties Extended Abstracts and Program V I, 23rd Biennal Conference on Carbon, Penn State University, United States , 276-277, 1997.
[6]. MARÍN, J. A., GRANADILLO, LL. L., CARRO, J. C., Estado actual y tendencias de la industria del carbón activado, Biomundi
Consultoría, Cuba, 1998.
[7]. MONT-ELE, Planta de carbonización de biomasa leñosa y activación del carbón vegetal para la producción de carbón activo,
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[8]. RODRÍGUEZ-R., F., Physical Activation: Basis and Technology, Ciencia y Tecnología del Carbón Activado, Universidad de Alicante, 1994.
[9]. ROSKILL, The economics of activated carbons, Fourth Edition, 1992
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