Investigación de carbón activado a partir de cáscaras de coco como el adsorbente más rentable en filtros de agua potable.

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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
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Suria Mohd Samdin
Hooi Peng Lim
Politeknik Ibrahim Sultan, Johor
POLITEKNIK KOTA KINABALU
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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 |
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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
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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.
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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.
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