Principales aplicaciones del carbón activado

CAPITULO III. PRINCIPALES APLICACIONES DEL CARBÓN ACTIVADO
3.1
Principales aplicaciones del carbón activado
Las características del carbón activado le permiten tener un gran número
de aplicaciones en procesos de separación, tanto en la fase líquida como en la
fase gas. [15]
3.1.1 Procesos de separación en fase líquida
En fase líquida se utiliza tanto el carbón activado en polvo como el
granular y, en casos muy particulares, también el pelletizado.
Entre las principales aplicaciones están la remoción de:
•
Impurezas que causan color, olor y sabor en:
-
Agua
potable
(ejemplo:
potabilizadoras,
refresqueras,
purificadores caseros, municipios).
-
Otros líquidos de procesos alimenticios (ejemplo: jugos, vinos,
vinagres, destilados).
•
Líquidos de procesos químicos (ejemplo: solventes, fármacos).
Compuestos orgánicos tóxicos y metales ligados a moléculas orgánicas
en aguas residuales de origen municipal o industrial.
•
Precursores de color que pueden no tener color original, pero que lo
causan en una etapa posterior del proceso o después de que el producto
se ha empacado o vendido (ejemplo: glucosa de maíz).
•
Contaminantes que interfieren en la cristalización o en el rendimiento de
la formación de cristales (ejemplo: industrias azucarera y química).
•
Compuestos que causan espuma, misma que afecta a los procesos
como la absorción, evaporación, agitación o aereación (ejemplo: el
tratamiento de la monoetanolamina o la dietanolamina que se utilizan
para desulfurizar gas natural y otros gases). [15]
•
Impurezas que causan turbidez o precursores de la misma (ejemplo:
tequila, ron, ginebra y otros destilados).
•
Compuestos no aceptables en materias primas o productos de alta
pureza (ejemplo: producción de ácido ascórbico utilizado en la
fabricación de vitamina C; refinación de insulina; remoción de pirógenos
de soluciones inyectables).
•
Trazas de iones metálicos, que se hacen reaccionar con un reactivo
orgánico para adsorberlos posteriormente.
•
Impurezas de líquidos mediante su extracción con trazas de un solvente
inmiscible y posteriormente adsorbiendo la solución solvente-impurezas
en carbón activado. Este método se utiliza cuando no es eficiente la
adsorción directa.
•
Cloro, cloraminas u ozono del agua, mismos que se eliminan por
reacción química en la superficie del carbón activado.
•
Orgánicas en soluciones de electroplateado. [15]
Otras aplicaciones que no consisten en la remoción de impurezas son:
•
La concentración de un material valioso contenido en una solución
diluida, por medio de adsorción, y con la posterior recuperación de dicho
material por elución (ejemplo: recuperación de oro y plata).
•
Como catalizador o base de un catalizador que se impregna sobre la
superficie del carbón. En éste último caso, el carbón activado aporta su
gran área superficial y su resistencia a la temperatura y a la presión
(ejemplo: producción de tricloroetileno y percloroetileno). [13]
Figura 6. Aplicación del carbón activado en procesos de separación en
fase líquida.
3.1.2 Procesos de separación en fase gas
Para el caso de separaciones en fase gas se utiliza el carbón activado
granular o el pellet.
Las principales aplicaciones pueden clasificarse de acuerdo con la
remoción de:
•
Olores:
-
En lugares de habitación y esparcimiento (ejemplo: campanas
para
cocina;
refrigeradores,
plantillas
sanitarios
para
y
zapatos;
basureros;
deodorizadores
sistemas
de
de
aire
acondicionado que se recicla en salones, lugares públicos y
casas habitación).
-
Generados en procesos industriales o plantas de tratamiento de
aguas residuales.
-
En bodegas o transportes (ejemplo: olores de pescado, carne o
lácteos).
•
Compuestos orgánicos tóxicos en aire que va a respirar el hombre de
manera inmediata (ejemplo: mascarillas para gases; boquillas de cigarro;
adsorbedores de ozono y vapores de gasolina en el interior de
automóviles, casas y oficinas.
•
Vapores de ácidos, álcalis u otros compuestos no adsorbibles en carbón
activado. Esto se logra impregnando el carbón con un compuesto
químico que reaccione con el contaminante que requiere adsorberse.
Por ejemplo: el carbón activado prácticamente no adsorbe sulfuro de
hidrógeno (H2S); sin embargo, si la superficie de carbón se impregna
con potasa, esta última reacciona con el H2S y, por lo tanto, lo elimina de
la corriente de gas que pasa a través de la cama de carbón. El carbón,
entonces, sólo aporta su gran área superficial, y la potasa retiene el H2S
(y en este caso en particular, lo convierte en azufre elemental). [15]
•
Contaminantes orgánicos en gases que se producen industrialmente y
que requieren purificarse (ejemplo: dióxido de carbono, hidrógeno,
acetileno, nitrógeno, oxígeno, metano, argón, aire comprimido).
•
Etileno generado por fruta y otros vegetales almacenados en bodegas,
mediante la adsorción en carbón activado impregnado con un aceite
oxidante. Con esta purificación, se evita una maduración prematura. [15]
•
Gases radioactivos (ejemplo: isótopos radioactivos de kriptón, xenón y
yodo). [14]
•
Vapores en las venteas de tanques atmosféricos que almacenan
productos orgánicos volátiles (ejemplo: tanques de gasolina de
automóviles, pipas, tanques de gasolineras e industrias. [15]
•
Compuestos orgánicos en aire o gases de escape (ejemplo: espreado
de
pintura;
desengrasado
de
metales
y
partes
automotrices;
recubrimiento de películas, cintas magnéticas, mallas y cintas adhesivas;
limpieza de partes electrónicas; procesos de impresión de circuitos
electrónicos; producción de fibras sintéticas). [14]
Figura 7. Aplicación del carbón activado en procesos de separación en fase gas.
3.2
Carbones activados especiales
La capacidad de retención de un carbón activado frente a contaminantes
muy diluidos en aire y que además tengan volúmenes moleculares bajos es
muy escasa.
Este sería el caso de sustancias como el sulfuro de hidrógeno,
amoniaco, los cuales se encuentran como mucho a concentraciones de
algunas ppb, o compuestos con extremado grado de toxicidad como el cloruro
de cianógeno, ácido cianhídrico, etc.
Preparar un filtro de carbón activo para eliminar completamente este tipo
de gases supone alterar profundamente la funcionalidad del carbón, y para ello
es necesario aprovechar las propiedades catalíticas del carbón ó depositar
reactivos sobre su superficie.
De esta forma, el carbón actuaría como adsorbente y además, como
soporte poroso para que se produzcan reacciones del gas tóxico con los
agentes químicos, inmovilizándolo o dando productos inocuos que se
desorben.
Una aplicación específica es la eliminación de olores en plantas
depuradoras de aguas residuales.
Los olores son causados por los gases liberados durante el proceso de
descomposición de la materia orgánica, y se debe fundamentalmente a la
presencia de sulfuro de hidrógeno, mercaptanos, amoniaco, aminas, etc. Aun
cuando todos ellos están presentes a muy bajas concentraciones, su bajo
umbral de detección requiere su eliminación completa, y para ello hay que
considerar la oxidación con aire.
El carbón activado proporciona una superficie catalítica para la oxidación
y además se puede impregnar con catalizadores de oxidación como óxidos
metálicos y metales nobles. [9]
Así, el sulfuro de hidrógeno podría oxidarse a azufre, los mercaptanos a
disulfuros, y cuando esta oxidación tiene lugar en la superficie del carbón el
mayor volumen molecular de los productos obtenidos significa un aumento en
la capacidad de retención.
La eliminación de compuestos con extremada toxicidad como el cloruro
de cianógeno y de ácido cianhídrico requiere la impregnación del carbón
activado con una alta proporción (hasta el 10%) de sales de Cu (II) y Cr (VI).
Lógicamente la deposición de sales metálicas en la superficie del carbón
provoca un descenso importante del volumen de micro poros que se manifiesta
en un descenso en el tiempo de agotamiento de la columna hacia la
cloropicrina, sustancia que se retiene en el carbón mediante adsorción física.
En cambio, la capacidad de retención del cloruro de cianógeno y el ácido
cianhídrico por el carbón sin impregnar es muy escasa, aumentando
extraordinariamente cuando se impregna.
Los resultados obtenidos permiten asociar una mayor retención de ácido
cianhídrico con un mayor contenido de Cu (II) y una mayor retención de cloruro
de cianógeno con un mayor contenido de Cr (VI), si bien se ha comprobado
que es imprescindible la presencia de cobre para la completa destrucción del
último. [9]
Tipos de carbones activados especiales
Existen dos tipos de carbones activados especiales:
A) EXTRA PUROS: Son carbones que se someten a procesos
específicos de purificación ya que, por su aplicación, no deben
desprender las sales y compuestos que tiene un carbón virgen para usos
estándar, como la potabilización de agua.
B) DE SUPERFICIE MODIFICADA: Son carbones que se destinan a la
retención de sustancias que no adsorbe un carbón activado estándar.
[10]
3.3
Eliminación de sustancias inorgánicas por reacción química y
catalítica en la superficie del carbón activado.
Como se mencionó en las secciones anteriores, aunque en la mayoría
de sus aplicaciones el carbón activado actúa como un adsorbente físico,
también ocurren reacciones de substancias inorgánicas en la superficie del
mismo. Algunas de estas reacciones han permitido aplicaciones de mucha
utilidad, como es la eliminación de cloro, que se describe en el siguiente
apartado. Esta reacción, junto con otras, como las que se llevan a cabo con
cloraminas, oxígeno, ozono, permanganato, peróxido de hidrógeno y cromato,
disminuyen la capacidad del carbón activado para adsorber moléculas
orgánicas.
Eliminación del ozono
La reacción de ozono con carbón activado, tanto en fase líquida como en
fase gas, cada vez encuentra más aplicaciones. En dicha reacción, el carbón
activado actúa como catalizador y el ozono se transforma en oxígeno. En el
caso de la fase líquida, el objetivo del carbón activado es el de eliminar el
ozono residual que queda después de la ozonización de agua, misma que se
realiza con fines de desinfección o de oxidación de ciertas moléculas. En fase
gas, el carbón activado se utiliza para eliminar ozono, que es dañino para la
salud cuando se encuentra en el aire que respira el hombre. [8]
Eliminación de cloro libre
Una de las principales aplicaciones del carbón activado es la decloración
o la eliminación de cloro libre del agua. Dicho compuesto no proviene de las
fuentes naturales de abastecimiento, tales como pozos, ríos o lagos. Tampoco
es contaminante, sino que es un reactivo químico que se le agrega al agua,
principalmente como desinfectante y en ocasiones para controlar olor y sabor,
y controlar el crecimiento biológico o eliminar amoniaco.
La decloración consiste en un mecanismo complicado que puede seguir
distintos caminos de reacción en los que el carbón activado puede intervenir
como reactivo o como catalizador.
El cloro libre puede adicionarse al agua en forma de cloro líquido,
solución de hipoclorito de sodio, o tabletas - gránulos - de hipoclorito de calcio.
En cualquiera de estos casos, el resultado es el mismo, quedando el cloro
disuelto en forma de ácido hipocloroso (HOCI), un ácido débil que tiende a
disociarse parcialmente.
HOCl ↔ H+ + OClLa distribución entre ácido hipocloroso e ión hipoclorito depende del pH y
de la concentración de estas especies. A ambas formas moleculares se las
define como cloro libre. Las dos son fuentes oxidantes que al ser adicionados
al agua empiezan por reaccionar de manera casi inmediata con impurezas
orgánicas e inorgánicas y susceptibles de oxidarse. El cloro que reacciona en
esta etapa deja de ser libre y pasa a ser combinado. El restante requiere de
algún tiempo que puede ir de unos cuantos segundos a varias decenas de
minutos, según su concentración, para ejercer un efecto biocida en los
microorganismos. Se cree que la toxicidad del cloro libre radica en la reacción
de éste con el sistema enzimático de las células. [8]
El cloro que interviene en esta etapa de desinfección, también se
combina y deja de ser libre. Una vez terminada esta etapa, es necesario
eliminar el cloro libre residual, no sólo porque es tóxico para el ser humano,
sino porque imparte un mal olor y sabor al agua, interfiere con procesos
industriales, daña a la mayoría de las resinas de intercambio iónico utilizadas
en los suavizadores y en los desmineralizadores, y afecta a las membranas de
ósmosis inversa.
Aunque se han desarrollados varios procesos para disminuir los niveles
de cloro libre en agua, la decloración en un lecho fijo de carbón activo granular
ha sido el más rentable, y por lo tanto el más común. Se trata de un tanque
cilíndrico vertical con una cama de carbón activado granular por la que se hace
circular el agua. Cuando el carbón se expone al cloro libre, se llevan a cabo
reacciones en las que el ácido HOCI o el OCl- se reducen a ión cloruro. Dicha
reducción es el resultado de distintos caminos de reacción posibles.
En dos de los más comunes, el carbón activado granular actúa como
agente reductor, de acuerdo con las siguientes reacciones:
HOCI + C* → C*O + H+ + CI2HOCl + C* → C*O2+ 2H+ + 2Cl-
(I)
(II)
Donde C* representa al carbón activo. C*O y C*O2 son óxidos
superficiales, que poco a poco van ocupando espacios, que al quedar
bloqueados, ya no participan en la reacción algunos de estos óxidos se liberan
hacia la solución como CO y CO2. Esto vuelve a dejar espacios disponibles que
por lo tanto aumentan la capacidad del carbón activado granular para esta
reacción de reducción. En cuanto al cloruro, también se acumula en la
superficie del carbón durante los primeros momentos de operación. Al seguir
llegando HOCl o OCl- a la superficie del carbón, la reacción se hace un poco
más lenta, y entonces se empieza a liberar el cloruro. Esta disminución de
velocidad se debe al envenenamiento del carbón con los óxidos superficiales.
Dicho envenenamiento continúa de manera gradual, mientras disminuye la
capacidad, tanto de adsorción como de decloración del carbón activado. [8]
En las reacciones anteriormente expuestas, puede intervenir el OCl-, en
lugar del HOCl, con la diferencia de que no se produce H+. Puede observarse
que el carbón activo reacciona y por lo tanto desaparece. Si no hubiera
acumulación de óxidos superficiales, la reacción continuaría hasta la
desaparición completa del carbón.
Otro camino de reacción, en el que el carbón actúa solamente como
catalizador, es el siguiente:
3HOCl
HClO3 + 2H+ + Cl-
(I)
Este se favorece cuando un importante porcentaje de la superficie del
carbón activado granular ya está saturada. Por otro lado, existen muchas otras
posibles reacciones, algunas de las cuales se llevan a cabo entre el cloro libre
y los óxidos superficiales que estaban presentes en el carbón desde antes de
su aplicación. Cada una de ellas puede formar otros grupos más complejos,
con la subsecuente liberación de H+ y Cl-. Un ejemplo de éstas es:
C*OH + OCl- → C*OO- + H+ + Cl-
(II)
Con todo lo anterior se observa que la decloración es una operación
compleja, en la que el carbón activado granular actúa como quimiadsorbente.
Se han desarrollado varias expresiones matemáticas que intentan describir la
decloración en lechos de carbón, pero ninguna de ellas ha sido suficientemente
precisa.
Hay que aclarar que al mismo tiempo que el carbón activado granular
actúa como declorador, adsorbe la materia orgánica presente en el agua. Por lo
tanto, a mayor contaminación orgánica, disminuye su tiempo de vida como
declorador, y viceversa. También hay que mencionar que aún cuando el carbón
siga eliminando todo el cloro libre, puede ya no estar reteniendo materia
orgánica. Es decir, termina antes su capacidad de adsorción física -de
moléculas orgánicas- que su capacidad de declorar. Muchas empresas
potabilizadoras cuya agua
contiene algunos contaminantes orgánicos,
erróneamente deciden cambiar el carbón en el momento que encuentran trazas
de cloro libre en el efluente del declorador. [8]
Eliminación de cloraminas
El cloro libre reacciona con amoniaco en agua para formar la
monocloramina (NH2Cl). Este compuesto tiene propiedades biocidas, actúa
más lentamente que el cloro libre, pero tiene la ventaja de ser más
persistentes. La cloramina también puede producirse sin intención, al clorar
agua de abastecimientos que contienen impurezas nitrogenadas. Su presencia
en agua potable es causa de olor y se considera un problema en muchas
industrias. [8]
CCA + NH2Cl + H2O → NH3 + H+ + Cl- + CCAO
(I)
En donde CCA es el carbón activado granular y CCAO es un óxido
superficial. Después de que han reaccionado alrededor de 0,52g de NH2Cl por
g de carbón, ocurre la siguiente reacción paralela:
CCA O + 2NH2Cl + → CCA + 2H+ + 2Cl- + H2O N2
(II)
Aproximadamente un 50% de NH2Cl desaparece de acuerdo con la reacción (I)
y otro 50% de acuerdo con la reacción (II). En la reacción global el carbón
activado participa como catalizador. [8]