¿Para qué sirve el carbón activado?

Carbón activado ¿para qué sirve?

El carbón activado tiene propiedades purificantes para diferentes aplicaciones y es uno de los purificadores más utilizados por el humano, desde el uso de laboratorios, en casa y nivel industrial. Vamos a empezar por conocer este increíble material.

¿Cómo funciona el carbón activado?

El carbón activado es un material muy poroso que su principal aplicación es retener a su superficie compuestos orgánicos.

Se fabrica a partir de materiales orgánicos altos en carbono que se carbonizan a altas temperaturas. Este material orgánico, pasa por un proceso de carbonización a alta temperatura (entre 600 y 900 °C o 1100 y 1650 °F).

El resultado de esta carbonización a alta temperatura es la activación, obtenemos un carbón más poroso que el carbón típico que conocemos para cocinar alimentos. Así que el término “carbón activado” podría también llamarse “carbón poroso”.

Al pasar por el proceso de carbonizado, su molécula de carbono queda con una ligadura libre, con avidez por completarse y unirse a otra molécula de carbono, es la razón por la cual un carbón puede adherir a su superficie compuestos orgánicos.

Por otro lado; al activarse o crearle más poroso, se aumenta esa superficie y así su capacidad natural para absorber estas sustancias. Es por eso que es un buen purificante de contaminantes.

Tipos de carbón activado de acuerdo a las materias primas.

En el mundo varios materiales con los que se fabrica el carbón activado: maderas de distintos arboles, cáscaras duras como la de coco, nuez, huesos de frutos y carbón mineral.
Estos materiales son elegidos para fabricar carbón activado por su abundancia en nuestro planeta, y de los materiales naturales más abundantes y ricos en carbono son los siguientes tres:

1. Carbón activado de concha de coco:

Es el material más duro de los tres, por los que produce un carbón con micro poros, esto lo hace más adecuado para potabilizar agua, ya que retiene compuestos orgánicos más pequeños. Además de aplicaciones para tratamiento de aire. En esta misma clasificación pueden incluirse los carbones activados fabricados a partir de otras cáscaras o huesos de frutos duros.

Precios de carbón activado de coco:

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2. Carbón activado de madera:

Las maderas más utilizadas son el encino y el pino, es un material más blando de los tres, su activación típicamente es por un método químico no térmico, por lo que hace poros más grandes, macroporos y adsorbe compuestos orgánicos de color o más grandes. Su aplicación es la decoloración de líquidos y aceites. Típicamente se aplica en polvo.

3. Carbón activado mineral:

De huyas bituminosas o ligníticas, este carbón lo crea la naturaleza durante cientos de años, ser activa de manera térmica. por su alineación grafítica es más irregular, por lo que una secciones del mismo carbón pueden ser más blandas que otras, así que al activarse genera una gama de poros desde micro hasta macro poros. Lo que hace a este carbón muy versátil desde potabilización de agua hasta tratamientos terciarios de aguas residuales.

Precios de carbón activado mineral:

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Características y propiedades del carbón activado.

1. Formas y tamaño de los poros de un carbón activado.

Después de conocer los principales materiales con los que se fabrica el carbón activado debemos conocer su dureza y características generar un tamaño de poro.

En la estructura del carbón pueden tener diversas formas, el término “poro”, que implica una abertura cilíndrica.

Por otro lado la curva de la estructura de los poros describe las distancias mínimas entre las paredes de esos poros, normalmente expresadas en función de la superficie total o del volumen total de los poros de diversos “diámetros”.

En los siguientes figuras se muestran algunas curvas de la estructura de los poros y las formas aproximadas de los mismos. Obsérvese que la forma media de los poros representados se deriva de una suma de poros de varios tamaños y formas. Por lo tanto, no hay probabilidad de que los poros del carbón activado tenga la misma forma, pero el carbón activado granular en general se comportará como si toda su superficie tuviera los poros de esa forma.

Diametro de poro del carbón activado

2. Grado de activación (número de yodo).

Respecto al grado de activación, un método para medir el grado de activación del carbón, es medir a nivel laboratorio su área de superficie. La prueba más utilizada para esta medición, es el “número de yodo”. El yodo es un compuesto que el carbón adsorbe en una sola capa y la solución de yodo que se adhiere al carbón, indica la cantidad de área de superficie que este puede tener. A mayor cantidad de yodo adsorbido mayor es su superficie activa.

3. Área superficial especifica BET.

Otro parámetro utilizado para medir la calidad del carbón activado es el área superficial BET, mide la adsorción utilizando la isoterma BET. Esto permite medir la superficie de los poros más finos y la textura interior del grano.

La superficie especifica se ha utilizado con frecuencia para la caracterización de los diferentes cuerpos sólidos porosos, en el año 1941, un científico llamado Smith, W. R., Thornhill y sus colaboradores presentaron resultados de los fenómenos de adsorción de nitrógeno (77 K) y yodo en solución acuosa en el carbón activado. Sin embargo, sucede que tales características de la superficie tienen una capacidad física limitada.

Esto puede atribuirse a que la superficie interna y externa de los materiales macro y mesoporosos, puede contener poros de dimensiones mucho mayores que las de las moléculas adsorbidas. Por lo tanto, las áreas superficiales especificas no tienen un significado físico práctico para los sistemas de adsorción. Sin embargo, todavía puede ser utilizado como parámetro físico-químico no convencional.

4. Densidad del carbón activado.

Las distintas materias primas con las que se fabrica el carbón activado tienen diferentes densidades.

La densidad sólida en la mayoría de los carbones activados oscilará entre 2.0 – 2.1 g/cc. Esta densidad será significativamente menor que la densidad sólida, debido a la presencia de poros dentro de las partículas, y espacio vacío entre las partículas.

Dado que los carbones activados granulares se utilizan en los adsorbedores de volumen fijo, los valores de densidad aparente pueden utilizarse para calcular la actividad de volumen, lo que puede ayudar a determinar la capacidad de trabajo.

Ejemplo:

Por ejemplo, supongamos que el carbón A adsorbe yodo para producir un número de yodo normalizado de 1100 mg/g., y que tiene un densidad aparente. de 0.4 g/cc. El carbón B tiene un número de yodo de 950 mg/g y un densidad aparente de 0.5 g/cc. Multiplicando la densidad aparente por el valor de actividad en base al peso, el carbón A tiene una capacidad de yodo en volumen de 440 mg/cc, mientras que el carbón B tiene un valor de 475 mg/cc.

Por lo tanto, el carbón activado B, que tiene una actividad menor, podría en realidad hacer más trabajo y por lo tanto tener una vida útil más larga que el carbón A de igual volumen. Si el precio del carbón B permitiera llenar un determinado adsorbente con el mayor peso requerido, podría ser, por lo tanto, el más económico de estos adsorbentes sobre la base del costo neto.

La densidad típica de un carbón activado de concha de coco es 0.4 a 0.6 g/cm3
Para los carbones de madera la densidad oscila entre 0.2 a 0.4 g/cm3
Los carbones activados minerales la densidad oscila entre 0.3 a 0.5 g/cm3

5. Tamaño o número de malla.

Como una generalidad el carbón activado es más eficiente entre más pequeña sea la partícula de carbón. Es decir que un carbón activado activado en polvo purifica más rápido y eficiente que un grano más grande, esto debido a la cinética, una variación mínima en el tamaño de las partículas puede tener un impacto significativo en el rendimiento para la atrapar contaminantes de los fluidos.

Típicamente los carbones activados se manejan por un rango de partículas que pasan por una malla y son retenidas en otra. Este rango de partículas cubrirá el 85-95% del producto total.

Los rangos de tamaño de los tamices o mallas más comunes para tratamiento de aire y gases son: 4×6, 4×8, 4×10, 6×16 y 14×30. Son más grandes que los tamaños de los filtros de agua, para evitar caídas de presión de los gases. Los carbones activados granulares en fase líquida son normalmente algo más pequeños, siendo comunes los de 8×30, 12×40 y 20×50.

Las descripciones detalladas de los tamices o número de malla, se encuentran en las fichas técnicas de cada carbón. Los carbones en polvo ya no tienen un rango, sino sólo un numero de malla por el que pasa el 100% de las partículas. por ejemplo carbón menor a la malla 100, o menor a la malla < 325.

Aquí dejamos una tabla con las granulometrías convertidas a milímetros y pulgadas:

TABLA:

En la práctica, los tamaños de las partículas se seleccionan para producir un equilibrio razonable entre los beneficios de un flujo rápido de adsorción y la eliminación efectiva de los contaminantes, en relación con la resistencia por caídas de presión y los costos de energía por bombeo.

6. Coeficiente de uniformidad.

Es una relación calculada dividiendo la malla a través de la cual pasa el 60% (en peso) de una muestra representativa del material filtrante por la malla a través de la cual solo pasa el 10% (en peso) de la malla.

7. La dureza del carbón activado.

La dureza y la resistencia a la abrasión es una prueba física hecha en laboratorio.

Dentro de los diseños de adsorción y rangos de operación comunes, todos los carbones activados granulares comerciales pueden soportar su propio peso y la presión inducida por el flujo de fluidos (agua, aceites, jugos..).

Así pues, en los sistemas en los que los carbones activados granulares se utilizarán una vez o se manipulan con muy poca frecuencia, las características de dureza pueden ser de poca importancia, por ejemplo en un cartucho cerrado o aplicaciones de tratamiento de aire. Por el contrario, si el carbón activado tiene un uso de mayor movimiento como pasa en una aplicación industrial de tratamiento de agua, en donde puede estar sujeto a cambios de temperatura, cambios en las presiones de los fluidos, golpes de ariete o retrolavados, por lo que recibe una vibración excesiva, la dureza puede llegar a ser muy importante.

En los sistemas de recuperación de disolventes que utilizan ciclos de vapor para la regeneración, los carbones se pueden fracturar fácilmente y elevar la caída de presión lo suficiente como para requerir que el adsorbente se vuelva a tamizar o cribar y se reponga, o se sustituya.

En la prueba de dureza, se realiza bajo los estándares de la ASTM para los carbones activados granulares, y no tiene relación con las escalas de dureza utilizadas para los plásticos, los metales o los minerales. Un carbón activado, de una dureza de 98, es más duro que uno de 80.

8. Contenido de cenizas.

Las cenizas son las partículas no carbonizables de un elemento, son sales y minerales no combustibles.

La cantidad de cenizas es parte de la materia prima del carbón, la ceniza generalmente varía entre el 2 y el 20 por ciento del peso de los carbones activados granulares. Una parte de la ceniza total puede ser soluble en agua, una mayor cantidad es soluble en ácido, y el resto más profundamente en la estructura del carbón es insoluble.

La ceniza de los carbones de madera y concha de coco tiende a ser rica en minerales alcalinos, mientras que la del carbón mineral puede contener óxidos de aluminio, sílice y hierro.

Las cenizas no suelen ser perjudiciales para el proceso de adsorción, y las pruebas de actividad estándar informan de la eficiencia de los carbones activados granulares, incluido el peso de la cenizas. Sin embargo, en ciertos carbones activados puede se mu alta, la ceniza puede bloquear parte o toda la estructura de microporos para la eliminación de compuestos orgánicos a niveles ultra bajos. Del mismo modo, si la ceniza se aporta al carbón por una impregnación previa, o a cualquier otro adulterante, el rendimiento puede verse seriamente comprometido.

En los pocos casos en que la cantidad de ceniza soluble no es deseable, se pueden producir carbones prelavados con agua o ácidos, o utilizar ciertas materias primas que pueden minimizar el nivel total de ceniza.

9. El pH en los carbones activados.

La prueba del extracto acuoso se utiliza para reportar el pH. Los carbones activados suelen estar cerca de la neutralidad, pero los carbones vegetales como cáscara de coco, nuez y de madera son más alcalinos. La mayoría de los carbones activados granulares (GAC) varían entre el pH 6-10, pero los ácidos o álcalis agregados pueden ampliar aún más este rango.

En la purificación de agua y soluciones acuosas, el pH del GAC virgen fuera de especificación hacia arriba o bajo, se puede ir normalizando con el paso del fluido. Si es que no afecta al producto final.

La mayoría de los orgánicos se absorben mejor de una solución ligeramente ácida, pH 5-7. Sin embargo, como dijimos el pH inicial del CAG no influirá mucho tiempo en el pH de la solución tratada.

¿Para qué sirve el carbón activado del agua?

Eliminar contaminantes orgánicos en el agua.

Los contaminantes orgánicos del agua pueden den el sabor y el olor al agua, como lo son los detergentes, plaguicidas, algunas grasas y aceites, toxinas, químicos orgánicos, compuestos originados por la descomposición de vegetales y plantas, o por los desechos de animales.

Eliminar cloro del agua.

Esta es la aplicación que el carbón activado hace con mayor facilidad en el agua. La destrucción del cloro es por un proceso de reducción, porque el carbón activado es un reductor de cualquier oxidante (cloro, ozono, peróxido de hidrógeno…) Excepto el dióxido de cloro.
En donde el cloro al hacer contacto con el carbón este genera una reacción de reducción y convierte al cloro en ácido clorhídrico a muy bajas concentraciones (no dañinas al ser humano).

¿Qué NO purifica el carbón activado del agua?

No elimina compuestos inorgánicos como: el arsénico, alumno, calcio, fierro, flúor, plomo, mercurio, fosfatos, sodio… Algunos también llamados metales pesados.

Tampoco elimina microorganismos como los virus y bacterias. Por lo que es necesario utilizar otro tipo de tratamiento para eliminarlos. Lo que puede pasar es que al retener materia orgánica un carbón activado, pudiera tener alguna contaminación bacteriana, lo que convertiría en una cama fértil para la proliferación de bacterias. En eso casos en necesario cambiar de cartuchos con cierta frecuencia o en aplicaciones industriales es necesario un protocolo de sanitización programada.

Carbón activado impregnado con plata para evitar el crecimiento de bacterias.

Hay un proceso en la fabricación del carbón activado en la que se le puede impregnar plata con un método químico. La plata es un agente bacteriostático, es decir que evita que se desarrollen bacterias en el lugar donde hay plata, pero no confundir con un agente bactericida, ya que no mata a la bacteria, sólo evita que se queden y desarrollen en el lugar.

Como vimos la cama de carbón tarde o temprano, puede contaminarse con bacterias que provienen de un punto no desinfectado. Las bacterias se reproducen, y convierten la cama de carbón en un foco de contaminación.

Con el propósito de inhibir el desarrollo bacteriano, se impregna la superficie del carbón con plata metálica.

Este método puede encarecer al carbón activado, ya que la plata tiene un valor alto en el mercado, normalmente se impregna al carbón activado con plata para aplicaciones domésticas o de poco volumen de carbón, por ejemplo en los cartuchos. Para uso industrial no es común.

¿Qué purifica el carbón activado del aire y gases?

En el tratamiento de aire y gases el carbón activado realiza prácticamente la misma función que en el de fluidos líquidos, elimina compuestos orgánicos del gas que atraviesa por las partículas de carbón.

Como vimos en el apartado de tamaño de partícula o número de malla, para los carbones utilizados en el tratamiento de fluidos gaseosos, son carbones más grandes que permitan una proporción aceptable entre rendimiento y baja caída de presión. Por lo que se utilizan granulometrías más grandes que en los fluidos líquidos, ejemplos: 6×4, 4×10, 14×30 o en pellet de 2, 3 y 4 milímetros.

Aplicaciones para olores y compuestos orgánicos, vapores de mercurio, vapores de amoniaco y aminas de bajo peso molecular.

Carbón activado impregnado.

Neutraliza gases como el etileno, desulfuración de gas natural o biogás H2S, digestores anaeróbicos (AD), vapores ácidos de vertederos o plantas de tratamiento de aguas residuales municipales.

Una gran superficie del carbón activado granular puede convertirse en un sustrato eficaz para dispensar otros materiales en forma gradual o por reacción química.

Los impregnantes pueden ser catalizadores, o pueden ser productos químicos reactivos añadidos para mejorar la adsorción, la selectividad o la capacidad de ciertos adsorbentes.

¿Para qué tipo de aplicaciones se utilizan los carbones impregnados?

Los carbones activados impregnados típicamente se utilizan en el tratamiento de aire y gases, debido a que estos fluidos no arrastran al impregnante, en el agua se desprendieron en los primeros litros del fluido.

Ejemplos de estos, impregnamos con álcalis para ayudar en eliminar de forma rápida el sulfuro de hidrógeno y otros gases ácidos, algunos con capacidad para eliminar amoníaco y las aminas más ligeros, y otros con una mayor capacidad de reducción del vapor de mercurio.

Cabe señalar que los carbones impregnados suelen retener el 75% o más de la capacidad de adsorción física que un carbón activado estándar, por lo que suelen utilizarse para aumentar la adsorción física y la quimisorción combinadas.

El carbón activado con plata, es hasta ahora es al única impregnación para uso de carbón en agua, ya que se liga al carbón por una reacción con mayor fuerza utilizando plata metálica. El desprendimiento si llega a suceder pero de forma muy paulatina y sin causar efectos dañinos en el cuerpo humano.

Reactivación de un carbón utilizado.

Como explicamos al principio, la activación del carbón de matera térmica se lleva a cabo en hornos de alta temperatura, en condiciones ligeramente oxidantes para ser reutilizados. Sólo se pueden reactivar los carbones activados granulares, los polvos tiene un manejo más complejo para poder ser reactivado.

Como su nombre indica, la reactivación se refiere pasar por el mismo proceso para volatilizar y oxidar los compuestos orgánicos retenidos. El término reactivación podría también llamarse regeneración, se refiere a la vaporización u otros métodos para restablecer total o parcialmente la capacidad de adsorción del CAG.

La reactivación puede hacer cambios importantes en la estructura de los poros (no siempre), debido a la estructura del carbón puede tener cambios por oxidación en su uso o por depósitos materiales inorgánicos muy pesados. En pocos casos, los carbones activados reactivados funcionan mejor que un carbón virgen, prácticamente se puede obtener un rendimiento similar o un poco inferior a la que tenía hasta antes de su uso por primera vez.

¿Qué cambia en el carbón activado una vez que se reactivó?

Una variable que se puede ver afectada es el peso y volumen de un carbón ya reactivado, debido a que pierde parte se la masa de compuestos orgánicos retenidos, y humedad, entre un 20% y 30% del contenido a reactivar. Por lo que será necesario reponer esta cantidad, en caso de que sea necesario contar con el mismo volumen inicial.

La reactivación en la que un carbón activado granular será regenerado y devuelto al mismo uso, es más frecuente y más seguro que cuando se destina para una aplicación diferente. Y es más rentable cuando se realiza para varias toneladas. Dadas las posibles variaciones de los carbones reactivados, los fabricantes deben especificar siempre si se ofrece un carbón activado virgen o reactivado.

El carbón activado para intoxicaciones de animales o personas.

Una aplicación muy interesante es la utilizada en la medicina y terapias de desintoxicación.

Por décadas se ha utilizado el carbón activado de origen vegetal para adsorber en el tracto digestivo venenos o compuestos orgánicos dañinos al ser humano. Pero lo interesante de este proceso no es sólo por lo que realiza en el sistema digestivo, sino lo que hace en el intestino para purificar la sangre que ya absorbió este toxico y que circula por el cuerpo.

¿Qué tipo de carbón es el recomendable para intoxicaciones?

El carbón activado en polvo menor a la malla 200 es el recomendado para esta aplicación, incluyo si podemos usar un carbón <325 actuará más rápido.

El carbón activado se ha utilizado ampliamente en el tratamiento de pacientes intoxicados. Hay muchas referencias al respecto. En México ya está en el cuadro básico de medicamentos. El carbón activado sigue siendo necesario en pacientes en coma y, por estas razones, a estos pacientes es administrada por sonda nasogástrica.

Cuando se trata a pacientes con intoxicación aguda, el objetivo es administrar carbón activado en polvo, la cantidad y frecuencia debe permitir que se forme una corriente continua de carbón en todo el tracto intestinal. En el intestino, el carbón activado atraerá los compuestos orgánicos que circulan en la sangre. Estos compuestos pasarán a través de la membrana desde la sangre hasta el carbón.

Para intoxicaciones leves y problemas digestivos, como indigestión, flatulencia e hinchazón, se debe agregar una pequeña cantidad de carbón en una cápsula o tableta.

Aunque no existe una investigación seria que demuestre efectividad, debido a que el carbón vegetal puede adsorber microorganismos, arrastrarlos y expulsarlos del intestino, podría también ser aptos para infecciones bacterianas o virales pero con baja eficiencia.

Conclusiones. ¿Cuándo usar el carbón activado?

Actualmente muchos usuarios de carbón activado considerarán aplicaciones que son únicas hasta cierto punto y muchas más que pueden descubrirse. En los últimos años hemos visto que en la industria de la cosmética ha habido aplicaciones y descubrimientos interesantes para el cuidado de dientes, cabello, piel.

Además de usado en la industria alimenticia como condimento para aportar algunas características a los alimentos. Este elemento natural es muy versátil, tanto que estamos rodeados de productos que lo utilizan sin percatarnos de ello.

Fuente

www.carbotecnia.info