See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/287106977 Investigación de carbón activado a partir de cáscaras de coco como un adsorbente más rentable en filtros de agua potable. Articulo · Diciembre 2013 DOI: 10.11113/jt.v77.6656 CITATIONS READS 0 730 3 authors, including: Suria Mohd Samdin Hooi Peng Lim Politeknik Ibrahim Sultan, Johor POLITEKNIK KOTA KINABALU 1 PUBLICATION 0 CITATIONS 14 PUBLICATIONS 11 CITATIONS SEE PROFILE Algunos autores de este articulo también están trabajando en : SMART QUICK BREED INCUBATOR View project entrepreneurship among engineering students and lecturers View project All content following this page was uploaded by Hooi Peng Lim on 19 September 2018. The user has requested enhancement of the downloaded file. SEE PROFILE Jurnal Teknologi Impresión Recibido 27 Abril 2015 Recibido y revisado 15 Junio 2015 Aceptado 25 November 2015 Investigación de carbón activado a partir de cáscaras de coco como un adsorbente más rentable en filtros de agua potable Suria Mohd Samdin*, Lim Hooi Peng, Maryati Marzuki Departamento de Ingeniería Mecánica, Politeknik Ibrahim Sultan, KM 10 Jalan Kong Kong, 81700 Pasir Gudang, Johor, Malaysia. Graphical abstract Abstract *Corresponding author: [email protected] 6.6 pH value 6.4 6.2 6 5.8 5.6 5.4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Level of filtering La utilización de carbón activado para la eliminación de contaminantes orgánico del agua potable se practica comúnmente en aplicaciones de “point-of-use” (PUO) en Malasia. Las preocupaciones y demandas de salud pública sobre la pureza del agua con la meta declarada en los Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM) de mejorar el acceso al agua potable a la mitad de las personas antes del 2015 ha llevado a la necesidad de una conversión factible y soluciones sostenibles. Este estudio investigó la eficiencia del carbón activado de las cáscaras de coco como el material absorbente más rentable potencialmente en el filtro de agua potable debido a su naturaleza de microporos mayores, bajo costo y abundantemente disposición sobre otros subproductos agrícolas. La activación del carbón de cáscara de coco se realizó primero por carbonización en la atmósfera en exposición de nitrógeno (N2) seguido del calentamiento con los agentes de activación durante un período de retención específico. La prueba de pH y las pruebas dinámicas del agua filtrada se realizaron utilizando el protocolo establecido por ANSI / NSF Standard 53 (Efectos de salud del sistema de tratamiento de agua). Se indicó que el valor de pH aumentaba proporcionalmente al nivel de filtrado, que alcanzó un valor constante de 6.41 después de ocho veces de filtrado. Además, el carbón activado ha eliminado el metil tercbutil éter (MTBE) a un nivel no detectable, que es menos de 1 parte por mil millones (ppb). El nivel no detectable ha reducido suficientemente los problemas de olor y sabor. Por lo tanto, el carbón activado de las cáscaras de coco tiene un potencial considerable como material absorbente rentable en un filtro de agua potable. Palabras llave: cáscaras de coco; Carbón activado; filtro de agua potable © 2015 Penerbit UTM Press. Todos los derechos reservados. 1.0 Introducción Hay varios materiales naturales utilizados como material base para producir carbonos activados. Hasta la fecha, la utilización de carbón activado a base de desechos agrícolas como adsorbente para eliminar contaminantes orgánicos es una alternativa, sabiendo que los desechos agrícolas son de bajo costo y abundantemente disponibles. Los materiales más comunes utilizados en la purificación del agua son carbón, madera y cáscaras de coco. La cáscara de coco parece ser el recurso renovable más favorable entre los otros desechos agrícolas con millones de acres de plantaciones por año en países tropicales [1-2]. Aparentemente, las cáscaras de coco se eliminan después de extraer su contenido interno. Estos desechos pueden reciclarse en carbonos activados útiles que pueden usarse para tratar el agua potable comercialmente, así como para mantener limpio el ecosistema [1]. El carbón activado es un grupo de adsorbentes carbonosos con una vasta forma cristalina y crecimiento extensional de las estructuras internas de los poros. El carbón activado se activa a través de un proceso controlado atentamente en un ambiente gaseoso atmosférico y de alta temperatura para desarrollar estructuras de carbono notablemente porosas con una gran área de superficie, lo que permite que el carbono adsorba una variedad de compuestos, así como elimina grandes cantidades de impurezas en una pequeña región confinada. Tres formas de carbón activado comúnmente conocidas son carbón activado granular, carbón activado en polvo y carbón activado granulado. El carbón activado granular consiste en partículas de forma irregular con un rango de tamaños de malla de 3 a 70. La forma de polvo es predominantemente de menos de 70 mallas de carbono. 77:22 (2015) 13-17 | www.jurnalteknologi.utm.my | eISSN 2180–3722 | 14 Suria, Lim Hooi Peng & Maryati / Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:22 (2015) 13-17 Por otro lado, el carbón activado granulado consiste en forma cilíndrica y extruida con 3 a 20 mallas de diámetros. Los carbonos activados de cáscara de coco granular optimizados (CSAC) utilizados en este estudio tienen una malla de aproximadamente 10 a 20 para eliminar los contaminantes orgánicos ácidos en el agua de la tubería directa mediante el proceso de adsorción. La adsorción se conoce como el proceso donde las moléculas de fluido de concentración superficial son absorbidas por fuerzas físicas o químicas. Tres pasos básicos de adsorción comienzan con la adsorción de sustancias al exterior de la superficie de carbono y luego se mueven hacia los poros de carbono, seguido de la adsorción de sustancias en la pared interior de los carbonos. El material base y el proceso de activación se encontraron como las principales variables que afectan la distribución de tamaños de poro para permitir la difusión en los poros [1,4]. Se han realizado varios estudios para investigar la eficiencia de adsorción de los carbonos activados con cáscara de coco como eliminación de contaminantes orgánicos. Estos estudios también propusieron que existe una relación lineal significativa entre las dimensiones del filtro de carbón activado y los valores de pH del agua potable [2]. Por lo tanto, el presente estudio tiene como objetivo presentar una investigación sobre el espesor óptimo requerido para que el filtro de carbón activado de cáscara de coco absorba los residuos ácidos que contiene el agua de la tubería directa. La mayoría de los materiales carbonosos se adhieren a su propio grado de porosidad y se pueden distinguir por sus diámetros de poro. En general, los carbonos activados se clasifican en macroporos (por encima de 0,4 de diámetro de malla), mesoporos (0,4 a 10 de diámetro de malla) y microporos (por debajo de 10 de diámetro de malla). La exposición de los microporos de predominio de los carbones activados con cáscara de coco se puede definir por su grado de quemado. Los carbonos activados se han utilizado ampliamente como el medio de reducción del metil terc-butil éter (MTBE) que está presente en muchos suministros de agua clorada. El uso principal de MTBE es como el aditivo de gasolina para oxigenar la descarga de escape y mejorar la combustión. Los derrames y fugas de los tanques de almacenamiento de gasolina se consideran un tratamiento potencial para los suministros de agua potable en el suelo, ya que MTBE se mueve rápidamente a través del suelo, simplemente se disuelve en agua y tarda más tiempo en resolverse que algunos otros productos químicos. Típicamente, el agua con concentraciones significativas de MTBE estaba indicada para saborear y oler a trementina. Sin embargo, los carbones activados a base de desechos agrícolas pueden absorber y reducir los sabores y olores a través del proceso de tratamiento del agua. Por lo tanto, los objetivos principales del presente estudio son investigar la eficiencia de los carbonos activados con cáscara de coco como posible absorbente para eliminar contaminantes orgánicos, e indicar el nivel óptimo de filtración de los carbonos activados con cáscara de coco para lograr un valor de pH de consumo constante y seguro , así como el potencial de los carbones activados de cáscara de coco para reducir la concentración de MTBE a niveles no detectables. 2.0 Experimento 2.1 Activación precursora La resistencia al flujo y la velocidad de adsorción en un filtro de agua se ven parcialmente afectadas por la distribución del tamaño de partícula del carbón activado granular. Por lo tanto, la preparación de las cáscaras de coco comenzó con la molienda, la pulverización y el cribado de la cantidad conocida de muestra (500 gramos) para producir gránulos de malla 10 x 20 que se han encontrado ser suficientes para un proceso de activación adicional [5 - 8]. Se utilizaron tamaños de partículas que son más gruesos que la malla probada, para disminuir el número de microporosidad [9-10]. El procesamiento adicional de las cáscaras de coco granulares se llevó a cabo mediante calentamiento por carbonización a 170 ° C durante 2 horas, que empleó gases de nitrógeno (N2) como atmósfera inerte para formar la carbonización del coco. La carbonización resultante se activó luego en presencia de un catalizador a 275 ° C durante otras 2 horas en horno de reflujo para formar carbonos activados. La Tabla 1 muestra el método de activación y el catalizador utilizado para la preparación de carbonos activados a partir de cáscaras de coco granulares. Tabla 1: Método de activación y catalizador utilizado para la preparación de carbonos activados. Método de activación Carbonización en una atmosfera inerte, N2 Catalizador Activación Química Ácido Fósforico (H3PO4) --- Temperatura Tiempo 170 C 2 hours 275 C 2 hours La formación de microporos tuvo lugar gradualmente cuando los gránulos de las cáscaras de coco reaccionaron con el catalizador. El ácido fosfórico (H3PO4) actuó como el agente activador para formar estructuras porosas de los carbonos activados a través de la deshidratación y degradación de los precursores crudos. Finalmente, los carbonos activados se enfriaron y limpiaron con agua destilada para eliminar impurezas y productos químicos. 2.2 Determinación del grado de combustión El grado de combustión del carbón activado, (wt%) fue calculado a través de la ecuación (1) como sigue: = Wi – Wf x 100 Wi (1) donde Wi es la masa inicial de la muestra de cáscaras de coco(g) y Wf es la masa de la muestra después de la activación (g). El objetivo de indicar el grado de combustión del carbón activado es definir la formación de carbón activado microporoso cuando la extensión de la combustión es inferior al 50% en peso. Dubinin y Zaverina propusieron que se formara un carbón activo macroporoso cuando el grado de combustión es mayor que 75 15 Suria, Lim Hooi Peng & Maryati / Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:22 (2015) 13-17 wt% en peso y la muestra tiene una estructura porosa mixta cuando el grado de quemado está entre 50 wt% en peso y 75 wt% en peso [3]. La investigación posterior de las estructuras de poros en carbón activado confirmó que la linealidad del tamaño de los poros asciende al grado de quemado [4]. 2.3 Experimentos por lotes de capacidad de absorción de carbono activado La indicación del valor de pH para el agua filtrada se realizó para indicar la capacidad de absorción de los carbonos activados con cáscara de coco al filtrar el agua de la tubería con estos carbonos activados para un espesor fijo de hasta diez veces de filtración. Las pruebas dinámicas se llevaron a cabo utilizando el filtro de agua con un espesor optimizado indicado mediante pruebas de pH de acuerdo con el Estándar 53 ANSI / NSF para identificar la concentración de MTBE de los carbones activados con cáscara de coco. El MTBE es el aditivo de combustible oxigenado más común presente en el agua de la tubería durante todo el proceso de filtración principal. Además, el carbón activado comercial derivado del carbón se utilizó como referencia en comparación con la absorción de MTBE. A pesar de que el tratamiento del agua potable se adhiere a los estándares aprobados, los contenidos residuales de hierro, manganeso y aluminio son considerablemente altos, causando precipitaciones en el sistema de distribución de agua doméstica y permanecen estancados en el sistema de distribución. Estos residuos podrían no haber sido eliminados por la velocidad de autolimpieza y haber causado oxidación en la tubería. En el presente estudio, se midió que el valor de pH del agua de tubería directa sin usar el sistema de filtración por carbón activado con cáscara de coco era una solución ácida a pH 5,5. La Figura 1 ilustra los valores de pH del agua filtrada por carbonos activados para hasta diez niveles de filtración cuyo grosor fijo de cada nivel de filtración se midió a 4 mm. Se indicó que el valor de pH aumentaba proporcionalmente al nivel de filtrado que había alcanzado un valor constante de 6.41 después de ocho veces de filtrado con un espesor mínimo para el filtro de 32 mm 3.0 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Grado de combustión del carbón activado de cáscara de coco La masa total de los carbonos activados después de someterse al proceso de activación química se indicó como 362 gramos. La ecuación (2) mostró el valor del grado de combustión de los carbonos activados a 27,6% en peso, que es inferior al 50% en peso. Por lo tanto, las estructuras porosas formadas se identifican como microsporas. = 500 – 362 x 100 (2) 500 = 27.6 wt% La capacidad de absorción de los carbones activados con cáscara de coco depende principalmente de la existencia de microporos. Los microporos exhiben una dimensión molecular de 0.6 nm a 1.6 nm donde la adsorción en estos poros moleculares se lleva a cabo al llenar el volumen [5]. La capacidad de absorción de estos poros es mayor que la de los macroporos debido a que las paredes de los poros sobresalen de manera adversa. La absorción se inicia por condensación capilar. 3.2 Valor de pH del agua filtrada de la tubería mediante carbonos activados La dosificación de cloro y flúor como desinfectantes en el tratamiento del agua se especifica en la Norma Nacional para la Calidad del Agua Potable (NSDWQ) y es estrictamente monitoreada por el Ministerio de Salud (MS) en Malasia. La cantidad de cloro y flúor utilizada para la desinfección es suficiente para destruir los microorganismos, pero está en un nivel seguro para beber. 3.3 Eliminación de MTBE por los Carbones Activados El metil terc-butil éter (MTBE) es el aditivo de combustible oxigenado más común presente en el agua subterránea durante todo el proceso de filtración principal. El agua subterránea siempre está contaminada por derrames de gasolina y se considera una amenaza potencialmente grave para los suministros de agua potable. Por lo tanto, se realizó un estudio comparativo para indicar la eficiencia de la utilización de los carbonos activados con cáscara de coco como absorbente potencial en el filtro de agua potable al tomar los carbonos comerciales activados con carbón como referencia. El consumo anual de agua potable con un nivel de MTBE de aproximadamente 20 a 40 partes por mil millones (ppb) es aceptable y no posee daños para el cuerpo humano según el Aviso de agua potable de la EPA publicado en 2012 [6]. En este estudio, se midió el nivel MTBE de muestreos probados utilizando pruebas dinámicas en el laboratorio de Syarikat Air Johor (SAJ) a volúmenes de lecho de intervalo de hasta 5 m3. La Tabla 2 muestra la concentración de efluente MTBE (ppb) de la muestra sin filtración; muestra filtrada utilizando carbón comercial y carbón activado con cáscara de coco respectivamente. Las tendencias de estos muestreos correspondieron con las concentraciones de efluentes de MTBE (ppb) en la Figura 2. 16 Suria, Lim Hooi Peng & Maryati / Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:22 (2015) 13-17 Tabla 2: Concentraciones de efluentes de MTBE (ppb) de carbonos activados Concentraciones de efluentes de MTBE (ppb) Volumen de cama (m3) 1 2 3 4 5 Sin filtro 12.8 13.5 13.9 14.3 15.2 Cáscaras de coco 0.56 0.6 0.61 0.68 0.69 Carbón comerciall 2.5 2.8 3 4.2 5.02 Se estableció que la muestra filtrada por carbonos activados con cáscara de coco exhibía la concentración más baja de MTBE a 0,69 ppb después de tratar 5m3 de agua, lo que indica su mayor capacidad como absorbente como se muestra en la Figura 2. Los resultados experimentales de este estudio han demostrado la capacidad potencial de las cáscaras de coco para producir los carbonos activados optimizados con microsporas bien desarrolladas mediante un método de activación química con la adición de ácido fosfórico (H3PO4) como catalizador. Se estableció que las cáscaras de coco que fueron carbonizadas en una condición definida con exposición a atmósfera inerte de N2 a 170 ° C seguido de activación a 275 ° C con catalizador han creado gránulos con estructuras microporosas. Estos microporos se indicaron calculando el grado de quemado de estos carbonos activados. En la determinación del valor de pH para el agua filtrada por estos carbonos activados, a medida que aumenta el nivel de filtración, el valor de pH de los muestreos probados aumenta y alcanza un valor constante en 6.41 después de ocho veces de filtración. Este valor de pH constante indica que el espesor mínimo requerido para el filtro de agua de carbón activado con cáscara de coco es de 32 mm. Sin embargo, el agua filtrada por los carbones activados con cáscara de coco mostró la concentración más baja de efluente de MTBE en comparación con los carbones activados por carbón comercial típicos y el agua sin filtración a 0,69 ppb después de que se trató 5 m3 de agua. Los resultados indicaron que los carbonos activados por la cáscara de coco han logrado consistentemente una alta capacidad de absorción para eliminar el efluente de la concentración de MTBE en un nivel de no detección que es inferior a 1 ppb. Por lo tanto, el carbón activado de las cáscaras de coco tiene un potencial considerable como material absorbente rentable en el agua potable. Reconocimiento Sin embargo, se observó una gran diferencia para el agua sin filtración donde se registró que la concentración de MTBE tenía la lectura más alta a 12.8 ppb después de tratar 1m3 de agua y ascendió a 15.2 ppb después de tratar 5m3 de agua. Esto está relacionado con la contaminación del agua subterránea en áreas de tráfico denso donde se tomó la muestra. Se observó que los carbones activados a base de carbón comercial reducían el MTBE a aproximadamente 5 ppb después de tratar 5m3 de agua. Todos los muestreos se informaron sin sabor y sin umbral de olor, las concentraciones de MTBE [2] eliminadas por estos absorbentes cumplieron con el estándar actual de NSF para la eliminación de MTBE. Los carbonos activados de la cáscara de coco poseían lecturas sustancialmente constantes para la concentración de MTBE, mientras que se observó que las lecturas para el carbón activado a base de carbón comercial aumentaron proporcionalmente de 2.5 ppb a 5.02 ppb. Esto confirmó que los carbonos activados con cáscara de coco contienen predominio de microsporas de alta porosidad para absorber el MTBE altamente soluble. 4.0 CONCLUSION Los autores agradecen a Mohd Nur Asraf Mohd Khir, Abdul Qayyum Hamzah, Muhammad Faiszuddin Ishak y Nur Insyirah Rafee por la contribución de la realización de los experimentos. Referencias: [1] [3] [4] [5] [6] [7] P. Shankar. 2008. Coconut Shell Based Activated Carbon with No Green House Gas Emission, in Water Conditioning & S. F. G. S. C. &. P. R. Pollard. 1992. Lowcost Adsorbents for Waste and Wastewater Treatment. A Review Science Environment. 116: 31-52. S. F. G. S. C. &. P. R. Pollard. 1992. Lowcost Adsorbents for Waste and Wastewater Treatment. A Review Science Environment. 116: 31-52. R. &. K. R. W. Taylor. 1994. Removing Lead in Drinking Water with Activated Carbon. Environmental Progress. 13(1): 6570. A. Aygun, K. S. Yenisoy and I. Duman. 2003. 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