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Carbón activado

Carbón activado

El carbón activado , también llamado carbón vegetal activado , es una forma de carbón que se usa comúnmente para filtrar contaminantes del agua y el aire, entre muchos otros usos. Se procesa ( activa ) para tener poros pequeños y de bajo volumen que aumentan en gran medida el área de superficie [1] [2] disponible para la adsorción o reacciones químicas [3] que pueden considerarse como una estructura de "esponja" microscópica ( la adsorción , que no debe confundirse con la absorción , es un proceso en el que los átomos o moléculas se adhieren a una superficie). La activación es análoga a hacer palomitas de maíz a partir de granos de maíz secos: las palomitas de maíz son livianas, esponjosas y sus granos tienen una alta relación área de superficie a volumen . Activado a veces se reemplaza por activo .

Debido a que es tan poroso a escala microscópica, un gramo de carbón activado tiene una superficie de más de 3000 metros cuadrados (32 000 pies cuadrados), [1] [2] [4] según se determina por adsorción de gas. [1] [2] [5] Para el carbón vegetal, la cifra equivalente antes de la activación es de aproximadamente 2 a 5 metros cuadrados (22 a 54 pies cuadrados). [6] [7] Se puede obtener un nivel de activación útil únicamente a partir de una superficie elevada. Un tratamiento químico posterior a menudo mejora las propiedades de adsorción.

El carbón activado se deriva generalmente de productos de desecho como las cáscaras de coco; los desechos de las fábricas de papel se han estudiado como una fuente. [8] Estas fuentes a granel se convierten en carbón vegetal antes de ser activadas. Cuando se deriva del carbón , [1] [2] se lo denomina carbón activado . El coque activado se deriva del coque .

Usos

El carbón activado se utiliza en el almacenamiento de metano e hidrógeno , [1] [2] purificación del aire , [9] desionización capacitiva, adsorción oscilante supercapacitiva, recuperación de disolventes, descafeinización , purificación de oro , extracción de metales , purificación de agua , medicina , tratamiento de aguas residuales , filtros de aire en respiradores , filtros en aire comprimido, blanqueamiento dental, producción de cloruro de hidrógeno , electrónica comestible, [10] y muchas otras aplicaciones.

Industrial

Una de las principales aplicaciones industriales es el uso de carbón activado en el acabado de metales para la purificación de soluciones de galvanoplastia. Por ejemplo, es la principal técnica de purificación para eliminar impurezas orgánicas de soluciones de niquelado brillante. Se añaden diversos productos químicos orgánicos a las soluciones de galvanoplastia para mejorar sus cualidades de depósito y para mejorar propiedades como el brillo, la suavidad, la ductilidad, etc. Debido al paso de corriente continua y las reacciones electrolíticas de oxidación anódica y reducción catódica, los aditivos orgánicos generan productos de descomposición no deseados en la solución. Su acumulación excesiva puede afectar negativamente a la calidad del enchapado y a las propiedades físicas del metal depositado. El tratamiento con carbón activado elimina dichas impurezas y restaura el rendimiento del enchapado al nivel deseado.

Médico

Carbón activado para uso médico

El carbón activado se utiliza para tratar intoxicaciones y sobredosis tras la ingestión oral . En muchos países se utilizan comprimidos o cápsulas de carbón activado como fármaco de venta libre para tratar la diarrea , la indigestión y la flatulencia . Sin embargo, el carbón activado no muestra ningún efecto sobre los gases intestinales y la diarrea, suele ser médicamente ineficaz si la intoxicación es consecuencia de la ingestión de agentes corrosivos, ácido bórico o productos derivados del petróleo, y es especialmente ineficaz contra las intoxicaciones por ácidos o bases fuertes , cianuro , hierro , litio , arsénico , metanol , etanol o etilenglicol . [11] El carbón activado no impedirá que el cuerpo humano absorba estos productos químicos. [12] Está en la Lista de medicamentos esenciales de la Organización Mundial de la Salud . [13]

La aplicación incorrecta (por ejemplo, en los pulmones ) produce aspiración pulmonar , que a veces puede ser mortal si no se inicia un tratamiento médico inmediato. [14]

Química analítica

El carbón activado, en combinación al 50% p/p con celita , se utiliza como fase estacionaria en la separación cromatográfica de baja presión de carbohidratos (mono-, di-, tri- sacáridos ) utilizando soluciones de etanol (5–50%) como fase móvil en protocolos analíticos o preparativos.

El carbón activado es útil para extraer los anticoagulantes orales directos (ACOD), como dabigatrán , apixabán , rivaroxabán y edoxabán de muestras de plasma sanguíneo. [15] Para este propósito, se ha preparado en "minicomprimidos", cada uno de los cuales contiene 5 mg de carbón activado para tratar muestras de 1 ml de ACOD. Dado que este carbón activado no tiene efecto sobre los factores de coagulación sanguínea, la heparina o la mayoría de los demás anticoagulantes [16], esto permite analizar una muestra de plasma para detectar anomalías que de otro modo se verían afectadas por los ACOD.

Ambiental

El carbón activado se utiliza habitualmente en sistemas de filtración de agua. En esta ilustración, el carbón activado se encuentra en el cuarto nivel (contado desde abajo).

La adsorción de carbón tiene numerosas aplicaciones en la eliminación de contaminantes de corrientes de aire o agua tanto en el campo como en procesos industriales como:

Durante la implementación temprana de la Ley de Agua Potable Segura de 1974 en los EE. UU., los funcionarios de la EPA desarrollaron una norma que proponía exigir que los sistemas de tratamiento de agua potable utilizaran carbón activado granular. Debido a su alto costo, la llamada norma GAC ​​encontró una fuerte oposición en todo el país por parte de la industria del suministro de agua, incluidas las empresas de agua más grandes de California. Por lo tanto, la agencia dejó de lado la norma. [20] La filtración con carbón activado es un método eficaz de tratamiento de agua debido a su naturaleza multifuncional. Hay tipos específicos de métodos y equipos de filtración con carbón activado que se indican, según los contaminantes involucrados. [19]

El carbón activado también se utiliza para medir la concentración de radón en el aire.

Los carbones activados derivados de residuos de biomasa también se utilizaron con éxito para eliminar la cafeína y el paracetamol del agua. [21]

Agrícola

El carbón activado (carbón vegetal) es una sustancia permitida que utilizan los agricultores orgánicos tanto en la producción ganadera como en la elaboración de vino. En la producción ganadera se utiliza como pesticida, aditivo para piensos, coadyuvante de elaboración, ingrediente no agrícola y desinfectante. [22] En la elaboración de vino orgánico, se permite el uso de carbón activado como agente de procesamiento para adsorber pigmentos de color marrón de concentrados de uva blanca. [23] A veces se utiliza como biocarbón .

Purificación de bebidas alcohólicas destiladas

Los filtros de carbón activado (filtros AC) se pueden utilizar para filtrar el vodka y el whisky de impurezas orgánicas que pueden afectar el color, el sabor y el olor. Si se pasa un vodka con impurezas orgánicas a través de un filtro de carbón activado a la velocidad de flujo adecuada, se obtendrá un vodka con un contenido de alcohol idéntico y una pureza orgánica significativamente mayor, a juzgar por el olor y el sabor. [24]

Almacenamiento de combustible

Se están realizando investigaciones para probar la capacidad de varios carbones activados para almacenar gas natural [1] [2] y gas hidrógeno . [1] [2] El material poroso actúa como una esponja para diferentes tipos de gases. El gas es atraído al material de carbono a través de las fuerzas de Van der Waals . Algunos carbones han podido alcanzar energías de enlace de 5-10 kJ por mol . [25] El gas puede luego desorberse cuando se somete a temperaturas más altas y quemarse para realizar trabajo o, en el caso del gas hidrógeno, extraerse para su uso en una celda de combustible de hidrógeno . El almacenamiento de gas en carbones activados es un método de almacenamiento de gas atractivo porque el gas se puede almacenar en un entorno de baja presión, baja masa y bajo volumen que sería mucho más factible que los voluminosos tanques de presión a bordo de los vehículos. El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha especificado ciertos objetivos [26] que se deben lograr en el área de investigación y desarrollo de materiales de carbono nanoporosos. Aún no se han cumplido todos los objetivos, pero numerosas instituciones, incluido el programa ALL-CRAFT, [1] [2] siguen realizando trabajos en este campo.

Purificación de gases

Los filtros con carbón activado se utilizan habitualmente en la purificación de aire comprimido y gases para eliminar vapores de aceite , olores y otros hidrocarburos del aire. Los diseños más comunes utilizan un principio de filtración de 1 o 2 etapas en el que el carbón activado se incorpora dentro del medio filtrante.

Los filtros de carbón activado se utilizan para retener los gases radiactivos dentro del aire aspirado del condensador de la turbina de un reactor nuclear de agua en ebullición. Los grandes lechos de carbón absorben estos gases y los retienen mientras se desintegran rápidamente en especies sólidas no radiactivas. Los sólidos quedan atrapados en las partículas de carbón mientras pasa el aire filtrado.

Purificación química

El carbón activado se utiliza comúnmente a escala de laboratorio para purificar soluciones de moléculas orgánicas que contienen impurezas orgánicas coloreadas no deseadas.

La filtración con carbón activado se utiliza en procesos farmacéuticos y químicos finos a gran escala con el mismo fin. El carbón se mezcla con la solución y luego se filtra o se inmoviliza en un filtro. [27] [28]

Limpieza con mercurio

El carbón activado, a menudo infundido con azufre [29] o yodo, se utiliza ampliamente para atrapar las emisiones de mercurio de las centrales eléctricas de carbón , los incineradores médicos y el gas natural en la boca del pozo. Sin embargo, a pesar de su eficacia, el carbón activado es caro de utilizar. [30]

Dado que a menudo no se recicla, el carbón activado cargado de mercurio presenta un dilema de eliminación. [31] Si el carbón activado contiene menos de 260 ppm de mercurio, las regulaciones federales de los Estados Unidos permiten estabilizarlo (por ejemplo, atraparlo en concreto) para su enterramiento en vertederos. [ cita requerida ] Sin embargo, los desechos que contienen más de 260 ppm se consideran dentro de la subcategoría de alto contenido de mercurio y su enterramiento en vertederos está prohibido (Reglamento de prohibición de enterramiento). [ cita requerida ] Este material ahora se está acumulando en almacenes y en minas abandonadas profundas a un ritmo estimado de 100 toneladas por año. [ cita requerida ]

El problema de la eliminación del carbón activado cargado de mercurio no es exclusivo de los Estados Unidos. En los Países Bajos, este mercurio se recupera en gran medida [ cita requerida ] y el carbón activado se elimina mediante incineración completa, lo que forma dióxido de carbono (CO 2 ).

Aditivo alimentario

El carbón activado de grado alimenticio se convirtió en una tendencia alimentaria en 2016, siendo utilizado como aditivo para impartir un sabor "ligeramente ahumado" y un color oscuro a productos como hot dogs, helados, bases de pizza y bagels. [32] A las personas que toman medicamentos, incluidas las píldoras anticonceptivas y los antidepresivos , [33] se les recomienda evitar los alimentos o bebidas novedosos que utilizan colorante de carbón activado, ya que puede hacer que el medicamento sea ineficaz. [34]

Filtración de humo

El carbón activado se utiliza en los filtros para fumar [35] como una forma de reducir el contenido de alquitrán y otros químicos presentes en el humo, que es resultado de la combustión, donde se ha descubierto que reduce los tóxicos del humo del tabaco, en particular los radicales libres. [35]

Estructura del carbón activado

La estructura del carbón activado ha sido objeto de debate durante mucho tiempo. En un libro publicado en 2006, [36] Harry Marsh y Francisco Rodríguez-Reinoso consideraron más de 15 modelos para la estructura, sin llegar a una conclusión definitiva sobre cuál era el correcto. Trabajos recientes que utilizan microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberración han sugerido que los carbones activados pueden tener una estructura relacionada con la de los fulerenos , con anillos de carbono pentagonales y heptagonales. [37] [38]

Producción

El carbón activado es carbón producido a partir de materiales de origen carbonoso como bambú, cáscara de coco, turba de sauce , madera , fibra de coco , lignito , carbón y brea de petróleo . Puede producirse (activarse) mediante uno de los siguientes procesos:

  1. Activación física : el material de origen se transforma en carbón activado mediante gases calientes. Luego se introduce aire para quemar los gases, creando una forma de carbón activado clasificada, tamizada y desempolvada. Esto generalmente se hace mediante uno o más de los siguientes procesos:
    • Carbonización : El material con contenido de carbono se piroliza a temperaturas en el rango de 600 a 900 °C, generalmente en una atmósfera inerte con gases como argón o nitrógeno.
    • Activación/oxidación : La materia prima o el material carbonizado se expone a atmósferas oxidantes (oxígeno o vapor) a temperaturas superiores a 250 °C, normalmente en el rango de temperatura de 600 a 1200 °C. La activación se realiza calentando la muestra durante 1 h en un horno de mufla a 450 °C en presencia de aire. [30]
  2. Activación química : el material de carbón se impregna con ciertos productos químicos. El producto químico suele ser un ácido , una base fuerte [1] [2] o una sal [39] ( ácido fosfórico al 25 %, hidróxido de potasio al 5 %, hidróxido de sodio al 5 %, carbonato de potasio al 5 %, [40] cloruro de calcio al 25 % y cloruro de zinc al 25 %). A continuación, el carbón se somete a altas temperaturas (250–600 °C). Se cree que la temperatura activa el carbón en esta etapa al obligar al material a abrirse y tener más poros microscópicos. Se prefiere la activación química a la activación física debido a las temperaturas más bajas, la mejor consistencia de la calidad y el menor tiempo necesario para activar el material. [41]

La empresa holandesa Norit NV , parte de Cabot Corporation , es el mayor productor de carbón activado del mundo. Haycarb , una empresa de Sri Lanka basada en cáscaras de coco, controla el 16% de la cuota de mercado mundial. [42]

Clasificación

Los carbones activados son productos complejos que son difíciles de clasificar en función de su comportamiento, características de la superficie y otros criterios fundamentales. Sin embargo, se realiza una clasificación amplia para fines generales en función de su tamaño, métodos de preparación y aplicaciones industriales.

Carbón activado en polvo (PAC)

Una micrografía de carbón activado (R 1) bajo iluminación de campo claro en un microscopio óptico . Observe la forma fractal de las partículas, que da una idea de su enorme área superficial. Cada partícula en esta imagen, a pesar de tener solo alrededor de 0,1 mm de ancho, puede tener un área superficial de varios centímetros cuadrados. La imagen completa cubre una región de aproximadamente 1,1 por 0,7 mm, y la versión de resolución completa tiene una escala de 6,236 píxeles/ μm .

Normalmente, los carbones activados (R 1) se fabrican en forma de partículas como polvos o gránulos finos de tamaño inferior a 1,0 mm con un diámetro medio entre 0,15 y 0,25 mm. Por lo tanto, presentan una gran relación superficie-volumen con una pequeña distancia de difusión. El carbón activado (R 1) se define como las partículas de carbón activado retenidas en un tamiz de 50 mallas (0,297 mm).

El material de carbón activado en polvo (PAC) es un material más fino. El PAC está compuesto de partículas de carbón trituradas o molidas, de las cuales el 95-100% pasará a través de un tamiz de malla designado . La ASTM clasifica las partículas que pasan a través de un tamiz de malla 80 (0,177 mm) y más pequeñas como PAC. No es común usar PAC en un recipiente dedicado, debido a la gran pérdida de carga que se produciría. En cambio, el PAC generalmente se agrega directamente a otras unidades de proceso, como tomas de agua cruda, cuencas de mezcla rápida, clarificadores y filtros de gravedad.

Carbón activado granular (CAG)

Una micrografía de carbón activado (GAC) bajo un microscopio electrónico de barrido.

El carbón activado granular (CAG) tiene un tamaño de partícula relativamente mayor en comparación con el carbón activado en polvo y, en consecuencia, presenta una superficie externa más pequeña. La difusión del adsorbato es, por lo tanto, un factor importante. Estos carbones son adecuados para la adsorción de gases y vapores, porque las sustancias gaseosas se difunden rápidamente. Los carbones granulados se utilizan para la filtración de aire y el tratamiento de agua , así como para la desodorización general y la separación de componentes en sistemas de flujo y en tanques de mezcla rápida. El CAG se puede obtener en forma granular o extruida. El CAG se designa por tamaños como 8×20, 20×40 u 8×30 para aplicaciones en fase líquida y 4×6, 4×8 o 4×10 para aplicaciones en fase vapor. Un carbón de 20×40 está hecho de partículas que pasarán a través de un tamiz de tamaño de malla estándar de EE. UU. N.° 20 (0,84 mm) (generalmente especificado como 85 % de paso) pero que serán retenidas en un tamiz de tamaño de malla estándar de EE. UU. N.° 40 (0,42 mm) (generalmente especificado como 95 % de retención). AWWA (1992) B604 utiliza el tamiz de malla 50 (0,297 mm) como el tamaño mínimo de GAC. Los carbones de fase acuosa más populares son los tamaños 12×40 y 8×30 porque tienen un buen equilibrio de tamaño, área de superficie y características de pérdida de carga .

Carbón activado extruido (EAC)

El carbón activado extruido (EAC) combina carbón activado en polvo con un aglutinante, que se fusionan y se extruyen en un bloque de carbón activado de forma cilíndrica con diámetros de 0,8 a 130 mm. Se utilizan principalmente para aplicaciones en fase gaseosa debido a su baja caída de presión, alta resistencia mecánica y bajo contenido de polvo. También se vende como filtro CTO (cloro, sabor, olor).

Carbón activado en perlas (BAC)

El carbón activado en perlas (BAC) se fabrica a partir de brea de petróleo y se suministra en diámetros de aproximadamente 0,35 a 0,80 mm. Al igual que el EAC, también se destaca por su baja caída de presión, alta resistencia mecánica y bajo contenido de polvo, pero con un tamaño de grano más pequeño. Su forma esférica lo hace preferido para aplicaciones de lecho fluidizado, como la filtración de agua.

Carbono impregnado

Carbones porosos que contienen varios tipos de impregnantes inorgánicos, como yodo y plata . También se han preparado cationes como aluminio, manganeso, zinc, hierro, litio y calcio para aplicaciones específicas en el control de la contaminación del aire, especialmente en museos y galerías. Debido a sus propiedades antimicrobianas y antisépticas, el carbón activado cargado con plata se utiliza como adsorbente para la purificación del agua doméstica. Se puede obtener agua potable a partir de agua natural tratando el agua natural con una mezcla de carbón activado e hidróxido de aluminio (Al(OH) 3 ), un agente floculante . Los carbones impregnados también se utilizan para la adsorción de sulfuro de hidrógeno (H2S ) y tioles . Se han informado tasas de adsorción de H2S de hasta el 50% en peso. [ cita requerida ]

Carbono recubierto de polímero

Tejido de carbón activado

Se trata de un proceso mediante el cual se puede recubrir un carbón poroso con un polímero biocompatible para obtener una capa lisa y permeable sin bloquear los poros. El carbón resultante es útil para la hemoperfusión . La hemoperfusión es una técnica de tratamiento en la que se hacen pasar grandes volúmenes de sangre del paciente sobre una sustancia adsorbente para eliminar sustancias tóxicas de la sangre.

Carbono tejido

Existe una tecnología para procesar fibra de rayón técnica en tela de carbón activado para filtrado de carbón . La capacidad de adsorción de la tela activada es mayor que la del carbón activado ( teoría BET ) área de superficie: 500–1500 m 2 /g, volumen de poro: 0,3–0,8 cm 3 /g) [ cita requerida ] . Gracias a las diferentes formas de material activado, se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones ( supercondensadores , absorbedores de olores, industria de defensa CBRN , etc.).

Propiedades

Un gramo de carbón activado puede tener una superficie de más de 500 m2 ( 5400 pies cuadrados), y es fácil alcanzar 3000 m2 ( 32 000 pies cuadrados). [2] [4] [5] Los aerogeles de carbón , aunque son más caros, tienen superficies aún mayores y se utilizan en aplicaciones especiales.

Bajo un microscopio electrónico , se revelan las estructuras de gran área superficial del carbón activado. Las partículas individuales son intensamente convolucionales y muestran varios tipos de porosidad ; puede haber muchas áreas donde las superficies planas de material similar al grafito corren paralelas entre sí, [2] separadas por solo unos pocos nanómetros aproximadamente. Estos microporos proporcionan condiciones excelentes para que se produzca la adsorción , ya que el material adsorbente puede interactuar con muchas superficies simultáneamente. Las pruebas del comportamiento de adsorción generalmente se realizan con gas nitrógeno a 77 K bajo alto vacío , pero en términos cotidianos, el carbón activado es perfectamente capaz de producir el equivalente, por adsorción de su entorno, de agua líquida a partir de vapor a 100 °C (212 °F) y una presión de 1/10 000 de una atmósfera .

James Dewar , el científico que dio nombre al Dewar ( frasco de vacío ), dedicó mucho tiempo a estudiar el carbón activado y publicó un artículo sobre su capacidad de adsorción con respecto a los gases. [43] En este artículo, descubrió que enfriar el carbón a temperaturas de nitrógeno líquido le permitía adsorber cantidades significativas de numerosos gases del aire, entre otros, que luego podían recolectarse simplemente dejando que el carbón se calentara nuevamente y que el carbón a base de coco era superior para el efecto. Utiliza el oxígeno como ejemplo, donde el carbón activado normalmente adsorbería la concentración atmosférica (21%) en condiciones estándar, pero liberaría más del 80% de oxígeno si el carbón se enfriaba primero a bajas temperaturas.

Físicamente, el carbón activado une los materiales mediante la fuerza de van der Waals [41] o la fuerza de dispersión de London .

El carbón activado no se adhiere bien a ciertos productos químicos, incluidos alcoholes , dioles , ácidos y bases fuertes , metales y la mayoría de los inorgánicos , como litio , sodio , hierro , plomo , arsénico , flúor y ácido bórico.

El carbón activado absorbe muy bien el yodo . La capacidad de yodo, mg/g ( prueba del método estándar ASTM D28) se puede utilizar como una indicación del área superficial total.

El monóxido de carbono no se absorbe bien con carbón activado. Esto debería ser motivo de especial preocupación para quienes utilizan el material en filtros para respiradores, campanas extractoras de humos u otros sistemas de control de gases, ya que el gas es indetectable para los sentidos humanos, tóxico para el metabolismo y neurotóxico.

Se pueden encontrar en línea listas sustanciales de los gases industriales y agrícolas comunes adsorbidos por carbón activado. [44]

El carbón activado se puede utilizar como sustrato para la aplicación de diversos productos químicos para mejorar la capacidad de adsorción de algunos compuestos inorgánicos (y orgánicos problemáticos) como el sulfuro de hidrógeno (H 2 S), el amoniaco (NH 3 ), el formaldehído (HCOH), el mercurio (Hg) y el yodo radiactivo -131 ( 131 I). Esta propiedad se conoce como quimisorción .

Índice de yodo

Muchos carbones adsorben preferentemente moléculas pequeñas. El índice de yodo es el parámetro más fundamental utilizado para caracterizar el rendimiento del carbón activado. Es una medida del nivel de actividad (un número más alto indica un mayor grado de activación [45] ) a menudo informado en mg/g (rango típico 500–1200 mg/g). Es una medida del contenido de microporos del carbón activado (0 a 20  Å , o hasta 2  nm ) por adsorción de yodo de la solución. [46] Es equivalente al área de superficie del carbón entre 900 y 1100 m 2 /g. Es la medida estándar para aplicaciones en fase líquida.

El índice de yodo se define como los miligramos de yodo adsorbidos por un gramo de carbón cuando la concentración de yodo en el filtrado residual es de 0,02 normal (es decir, 0,02 N). Básicamente, el índice de yodo es una medida del yodo adsorbido en los poros y, como tal, es una indicación del volumen de poro disponible en el carbón activado de interés. Normalmente, los carbones para tratamiento de agua tienen índices de yodo que van de 600 a 1100. Con frecuencia, este parámetro se utiliza para determinar el grado de agotamiento de un carbón en uso. Sin embargo, esta práctica debe considerarse con precaución, ya que las interacciones químicas con el adsorbato pueden afectar la absorción de yodo, dando resultados falsos. Por lo tanto, el uso del índice de yodo como medida del grado de agotamiento de un lecho de carbón solo puede recomendarse si se ha demostrado que está libre de interacciones químicas con adsorbatos y si se ha determinado una correlación experimental entre el índice de yodo y el grado de agotamiento para la aplicación particular.

Melaza

Algunos carbones son más aptos para adsorber moléculas grandes. El número de melaza o la eficiencia de la melaza es una medida del contenido de mesoporo del carbón activado (mayor de 20 Å o mayor de 2 nm ) por adsorción de melaza de la solución. Un alto número de melaza indica una alta adsorción de moléculas grandes (rango 95-600). El dp (rendimiento decolorante) del caramelo es similar al número de melaza. La eficiencia de la melaza se informa como un porcentaje (rango 40%-185%) y es paralela al número de melaza (600 = 185%, 425 = 85%). El número de melaza europeo (rango 525-110) está inversamente relacionado con el número de melaza norteamericano.

El índice de melaza es una medida del grado de decoloración de una solución de melaza estándar que se ha diluido y estandarizado frente a carbón activado estandarizado. Debido al tamaño de los cuerpos de color, el índice de melaza representa el volumen de poro potencial disponible para especies adsorbentes más grandes. Como todo el volumen de poro puede no estar disponible para la adsorción en una aplicación particular de aguas residuales, y como parte del adsorbato puede entrar en poros más pequeños, no es una buena medida del valor de un carbón activado particular para una aplicación específica. Con frecuencia, este parámetro es útil para evaluar una serie de carbones activos por sus tasas de adsorción. Dados dos carbones activos con volúmenes de poro similares para la adsorción, el que tenga el índice de melaza más alto generalmente tendrá poros de alimentación más grandes, lo que da como resultado una transferencia más eficiente del adsorbato al espacio de adsorción.

Tanino

Los taninos son una mezcla de moléculas de tamaño grande y mediano. Los carbones con una combinación de macroporos y mesoporos adsorben taninos. La capacidad de un carbon para adsorber taninos se expresa en concentraciones de partes por millón (rango 200 ppm–362 ppm).

Azul de metileno

Algunos carbonos tienen una estructura de mesoporo (20 Å a 50 Å, o 2 a 5 nm) que adsorbe moléculas de tamaño mediano, como el colorante azul de metileno . La adsorción de azul de metileno se informa en g/100 g (rango 11–28 g/100 g). [47]

Decloración

Algunos carbones se evalúan en función de la longitud de vida media de descloración , que mide la eficiencia de eliminación de cloro del carbón activado. La longitud de vida media de descloración es la profundidad del carbón necesaria para reducir la concentración de cloro en un 50 %. Una longitud de vida media menor indica un rendimiento superior. [48]

Densidad aparente

La densidad sólida o esquelética de los carbones activados oscilará normalmente entre 2000 y 2100 kg/m3 ( 125–130 lbs./pie cúbico). Sin embargo, una gran parte de una muestra de carbón activado consistirá en espacio de aire entre partículas y, por lo tanto, la densidad real o aparente será menor, normalmente de 400 a 500 kg/m3 ( 25–31 lbs./pie cúbico). [49]

Una mayor densidad proporciona una mayor actividad de volumen y normalmente indica que el carbón activado es de mejor calidad. La norma ASTM D 2854-09 (2014) se utiliza para determinar la densidad aparente del carbón activado.

Número de dureza/abrasión

Es una medida de la resistencia del carbón activado a la atrición. Es un indicador importante de que el carbón activado mantiene su integridad física y soporta fuerzas de fricción. Existen grandes diferencias en la dureza de los carbones activados, dependiendo de la materia prima y los niveles de actividad (porosidad).

Contenido de cenizas

La ceniza reduce la actividad general del carbón activado y reduce la eficiencia de la reactivación. La cantidad depende exclusivamente de la materia prima base utilizada para producir el carbón activado (por ejemplo, coco, madera, carbón, etc.). Los óxidos metálicos (Fe2O3 ) pueden filtrarse del carbón activado y provocar decoloración. El contenido de cenizas solubles en agua o en ácido es más significativo que el contenido total de cenizas. El contenido de cenizas solubles puede ser muy importante para los acuaristas, ya que el óxido férrico puede promover el crecimiento de algas. Se debe utilizar un carbón con un bajo contenido de cenizas solubles para acuarios marinos, de peces de agua dulce y de arrecife para evitar el envenenamiento por metales pesados ​​y el crecimiento excesivo de plantas o algas. Se utiliza la prueba ASTM (método estándar D2866) para determinar el contenido de cenizas del carbón activado.

Actividad del tetracloruro de carbono

Medición de la porosidad de un carbón activado mediante la adsorción de vapor de tetracloruro de carbono saturado .

Distribución del tamaño de partículas

Cuanto más fino sea el tamaño de partícula de un carbón activado, mejor será el acceso a la superficie y más rápida será la velocidad de la cinética de adsorción. En los sistemas en fase vapor, esto debe tenerse en cuenta en relación con la caída de presión, que afectará el costo de la energía. Una consideración cuidadosa de la distribución del tamaño de partícula puede brindar importantes beneficios operativos. Sin embargo, en el caso de utilizar carbón activado para la adsorción de minerales como el oro, el tamaño de partícula debe estar en el rango de 3,35 a 1,4 milímetros (0,132 a 0,055 pulgadas). El carbón activado con un tamaño de partícula inferior a 1 mm no sería adecuado para la elución (la extracción de minerales de un carbón activado).

Modificación de propiedades y reactividad.

Las características ácido-base, de oxidación-reducción y de adsorción específica dependen en gran medida de la composición de los grupos funcionales de la superficie. [50]

La superficie del carbón activado convencional es reactiva, capaz de oxidarse por el oxígeno atmosférico y el plasma de oxígeno [51] [52] [53] [ 54 ] [55] [56] [57] [58] vapor, [59] [60] [61] y también dióxido de carbono [55] y ozono . [62] [63] [64]

La oxidación en la fase líquida es causada por una amplia gama de reactivos (HNO 3 , H 2 O 2 , KMnO 4 ). [65] [66] [67]

A través de la formación de una gran cantidad de grupos básicos y ácidos en la superficie del carbono oxidado, la sorción y otras propiedades pueden diferir significativamente de las formas no modificadas. [50]

El carbón activado puede nitrogenarse mediante productos naturales o polímeros [68] [69] o mediante el procesamiento del carbón con reactivos nitrogenantes . [70] [71] [72]

El carbón activado puede interactuar con el cloro , [73] [74] bromo [75] y flúor . [76]

La superficie del carbón activado, al igual que otros materiales de carbón, se puede fluoralquilar mediante tratamiento con peróxido de (per)fluoropoliéter [77] en fase líquida, o con una amplia gama de sustancias fluoroorgánicas mediante el método CVD. [78] Estos materiales combinan alta hidrofobicidad y estabilidad química con conductividad eléctrica y térmica y se pueden utilizar como material de electrodo para supercondensadores. [79]

Los grupos funcionales de ácido sulfónico se pueden unir al carbón activado para formar "carbones estrella" que se pueden utilizar para catalizar selectivamente la esterificación de ácidos grasos. [80] La formación de dichos carbones activados a partir de precursores halogenados proporciona un catalizador más eficaz, que se cree que es el resultado de que los halógenos restantes mejoran la estabilidad. [ 81] Se ha informado sobre la síntesis de carbón activado con sitios superácidos injertados químicamente –CF2SO3H . [ 82 ]

Algunas de las propiedades químicas del carbón activado se han atribuido a la presencia del doble enlace superficial del carbón activo . [64] [83]

La teoría de adsorción de Polyani es un método popular para analizar la adsorción de diversas sustancias orgánicas a su superficie.

Ejemplos de adsorción

Catálisis heterogénea

La forma más común de quimisorción en la industria ocurre cuando un catalizador sólido interactúa con una materia prima gaseosa, el reactivo o reactivos. La adsorción del reactivo o reactivos a la superficie del catalizador crea un enlace químico que altera la densidad electrónica alrededor de la molécula del reactivo y le permite experimentar reacciones que normalmente no estarían disponibles para él.

Reactivación y regeneración

La planta de reactivación más grande del mundo se encuentra en Feluy , Bélgica.
Centro de reactivación de carbón activado en Roeselare , Bélgica.

La reactivación o regeneración de carbones activados implica restaurar la capacidad de adsorción del carbón activado saturado mediante la desorbición de contaminantes adsorbidos en la superficie del carbón activado.

Reactivación térmica

La técnica de regeneración más común empleada en los procesos industriales es la reactivación térmica. [84] El proceso de regeneración térmica generalmente sigue tres pasos: [85]

La etapa de tratamiento térmico aprovecha la naturaleza exotérmica de la adsorción y da como resultado la desorción, el agrietamiento parcial y la polimerización de los compuestos orgánicos adsorbidos. El paso final tiene como objetivo eliminar los residuos orgánicos carbonizados formados en la estructura porosa en la etapa anterior y volver a exponer la estructura de carbono porosa regenerando sus características superficiales originales. Después del tratamiento, la columna de adsorción se puede reutilizar. Por ciclo de adsorción-regeneración térmica, se quema entre el 5 y el 15 % en peso del lecho de carbono, lo que da como resultado una pérdida de capacidad de adsorción. [86] La regeneración térmica es un proceso de alta energía debido a las altas temperaturas requeridas, lo que lo convierte en un proceso costoso tanto desde el punto de vista energético como comercial. [85] Las plantas que dependen de la regeneración térmica del carbón activado deben tener un tamaño determinado antes de que sea económicamente viable tener instalaciones de regeneración en el sitio. Como resultado, es común que los sitios de tratamiento de desechos más pequeños envíen sus núcleos de carbón activado a instalaciones especializadas para su regeneración. [87]

Otras técnicas de regeneración

Las preocupaciones actuales sobre el alto costo/consumo de energía de la regeneración térmica del carbón activado han alentado la investigación de métodos alternativos de regeneración para reducir el impacto ambiental de tales procesos. Aunque varias de las técnicas de regeneración citadas han permanecido en áreas de investigación puramente académica, algunas alternativas a los sistemas de regeneración térmica se han empleado en la industria. Los métodos alternativos de regeneración actuales son:

Véase también

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