El carbón activado , también llamado carbón activado , es una forma de carbón comúnmente utilizada para filtrar contaminantes del agua y el aire, entre muchos otros usos. Se procesa ( activa ) para que tenga 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 microscópica de "esponja". ( La adsorción , no confundir con absorción , es un proceso donde 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 superficie-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 lo determinado por adsorción de gas. [1] [2] [5] Para el carbón vegetal, la cifra equivalente antes de la activación es de unos 2 a 5 metros cuadrados. [6] [7] Un nivel de activación útil puede obtenerse únicamente a partir de una superficie elevada. Un tratamiento químico adicional a menudo mejora las propiedades de adsorción.
El carbón activado suele derivarse de productos de desecho como la cáscara de coco; Se han estudiado como fuente los residuos de las fábricas de papel. [8] Estas fuentes a granel se convierten en carbón antes de ser activadas. Cuando se deriva del carbón [1] [2] se le conoce como carbón activado . El coque activado se deriva del coque .
El carbón activado se utiliza en el almacenamiento de metano e hidrógeno , [1] [2] purificación de aire , [9] desionización capacitiva, adsorción oscilante supercapacitiva, recuperación de disolventes, descafeinado , purificación de oro , extracción de metales , purificación de agua , medicina , tratamiento de aguas residuales , filtros de aire. en respiradores , filtros de aire comprimido, blanqueamiento dental, producción de cloruro de hidrógeno , electrónica comestible, [10] y muchas otras aplicaciones.
Una aplicación industrial importante implica 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 agrega una variedad de químicos orgánicos a las soluciones de enchapado para mejorar sus cualidades de depósito y mejorar propiedades como brillo, suavidad, ductilidad, etc. Debido al paso de corriente directa y reacciones electrolíticas de oxidación anódica y reducción catódica, los aditivos orgánicos generan productos de descomposición no deseados. en solución. Su acumulación excesiva puede afectar negativamente la calidad del revestimiento y las propiedades físicas del metal depositado. El tratamiento con carbón activado elimina dichas impurezas y restaura el rendimiento del revestimiento al nivel deseado.
El carbón activado se utiliza para tratar intoxicaciones y sobredosis tras la ingestión oral . Las tabletas o cápsulas de carbón activado se utilizan en muchos países como medicamento de venta libre para tratar la diarrea , la indigestión y las flatulencias . Sin embargo, el carbón activado no muestra ningún efecto sobre los gases intestinales y la diarrea, normalmente es médicamente ineficaz si el envenenamiento se debe a la ingestión de agentes corrosivos, ácido bórico o productos derivados del petróleo, y es particularmente ineficaz contra el envenenamiento por ácidos o bases fuertes , cianuro , hierro , litio. , arsénico , metanol , etanol o etilenglicol . [11] El carbón activado no impedirá que estos químicos sean absorbidos por el cuerpo humano. [12] Está en la Lista de Medicamentos Esenciales de la Organización Mundial de la Salud . [13]
La aplicación incorrecta (p. ej. en los pulmones ) provoca aspiración pulmonar , que en ocasiones puede ser mortal si no se inicia un tratamiento médico inmediato. [14]
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-, trisacáridos ) utilizando soluciones de etanol (5-50%) como fase móvil en protocolos analíticos o preparativos.
El carbón activado es útil para extraer anticoagulantes orales directos (ACOD) como dabigatrán , apixabán , rivaroxabán y edoxabán de muestras de plasma sanguíneo. [15] Para ello se han elaborado "minitabletas", cada una de las cuales contiene 5 mg de carbón activado para tratar muestras de 1 ml de DOAC. Dado que este carbón activado no tiene ningún efecto sobre los factores de coagulación sanguínea, la heparina o la mayoría de los otros anticoagulantes [16], esto permite analizar una muestra de plasma para detectar anomalías que de otro modo serían afectadas por los ACOD.
La adsorción de carbono tiene numerosas aplicaciones en la eliminación de contaminantes del aire o corrientes de agua tanto en el campo como en procesos industriales como:
Durante la implementación inicial 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 regla 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 regla. [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 están indicados, dependiendo de los contaminantes involucrados. [19]
El carbón activado también se utiliza para medir la concentración de radón en el aire.
El carbón activado (carbón vegetal) es una sustancia permitida utilizada por los agricultores orgánicos tanto en la producción ganadera como en la elaboración de vino. En la producción ganadera se utiliza como pesticida, aditivo alimentario para animales, coadyuvante de procesamiento, ingrediente no agrícola y desinfectante. [21] 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. [22] A veces se utiliza como biocarbón .
Los filtros de carbón activado (filtros de CA) se pueden utilizar para filtrar vodka y whisky de impurezas orgánicas que pueden afectar el color, el sabor y el olor. Pasar un vodka orgánicamente impuro a través de un filtro de carbón activado con el caudal adecuado dará como resultado un vodka con un contenido de alcohol idéntico y una pureza orgánica significativamente mayor, a juzgar por el olor y el sabor. [23]
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 hacia el material de carbono mediante fuerzas de Van der Waals . Algunos carbonos han podido alcanzar energías de enlace de 5 a 10 kJ por mol . [24] 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 pila de combustible de hidrógeno . El almacenamiento de gas en carbones activados es un método atractivo de almacenamiento de gas porque el gas se puede almacenar en un entorno de baja presión, baja masa y bajo volumen, lo 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 [25] que deben alcanzarse 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] continúan trabajando en este campo.
Los filtros con carbón activado se utilizan generalmente en la purificación de aire comprimido y gases para eliminar los vapores de aceite , el olor y otros hidrocarburos del aire. Los diseños más comunes utilizan un principio de filtración de 1 o 2 etapas en el que se incrusta carbón activado dentro del medio filtrante.
Los filtros de carbón activado se utilizan para retener gases radiactivos dentro del aire aspirado del condensador de turbina de un reactor nuclear de agua en ebullición. Los grandes lechos de carbón absorben estos gases y los retienen mientras se descomponen rápidamente en especies sólidas no radiactivas. Los sólidos quedan atrapados en las partículas de carbón, mientras el aire filtrado las atraviesa.
El carbón activado se usa comúnmente a escala de laboratorio para purificar soluciones de moléculas orgánicas que contienen impurezas orgánicas coloreadas no deseadas.
La filtración sobre carbón activado se utiliza en procesos farmacéuticos y de química fina a gran escala con el mismo propósito. El carbón se mezcla con la solución y luego se filtra o se inmoviliza en un filtro. [26] [27]
El carbón activado, a menudo mezclado con azufre [28] o yodo, se utiliza ampliamente para atrapar las emisiones de mercurio de las centrales eléctricas alimentadas con carbón , los incineradores médicos y el gas natural en la boca del pozo. Sin embargo, a pesar de su eficacia, el uso del carbón activado es caro. [29]
Dado que a menudo no se recicla, el carbón activado cargado de mercurio presenta un dilema de eliminación. [30] Si el carbón activado contiene menos de 260 ppm de mercurio, las regulaciones federales de los Estados Unidos permiten que se estabilice (por ejemplo, atrapado en concreto) para su vertido. [ cita necesaria ] Sin embargo, los desechos que contienen más de 260 ppm se consideran en la subcategoría con alto contenido de mercurio y está prohibido depositarlos en vertederos (Regla de prohibición de tierras). [ cita necesaria ] Este material ahora se acumula en almacenes y en minas abandonadas profundas a un ritmo estimado de 100 toneladas por año. [ cita necesaria ]
El problema de la eliminación del carbón activado cargado de mercurio no es exclusivo de Estados Unidos. En los Países Bajos, este mercurio se recupera en gran medida [ cita necesaria ] y el carbón activado se elimina mediante combustión completa, formando dióxido de carbono (CO 2 ).
El carbón activado de calidad alimentaria se convirtió en una tendencia alimentaria en 2016 y se utilizó como aditivo para impartir un sabor "ligeramente ahumado" y un color oscuro a productos como salchichas, helados, bases de pizza y bagels. [31] Se recomienda a las personas que toman medicamentos, incluidas píldoras anticonceptivas y antidepresivos , [32] que eviten alimentos o bebidas novedosos que utilicen colorantes de carbón activado, ya que pueden hacer que el medicamento sea ineficaz. [33]
El carbón activado se utiliza en filtros para fumar [34] como una forma de reducir el contenido de alquitrán y otras sustancias químicas presentes en el humo, que es el resultado de la combustión, donde se ha descubierto que reduce los tóxicos del humo del tabaco, en particular los radicales libres. . [34] Existen numerosas marcas en Europa, como Purize, así como en la India, como "PEER Next" [35], que ofrecen estos productos a los consumidores que buscan filtros con aplicación de carbón activado.
La estructura del carbón activado ha sido durante mucho tiempo un tema de debate. 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 aberraciones han sugerido que los carbones activados pueden tener una estructura relacionada con la de los fullerenos , con anillos de carbono pentagonales y heptagonales. [37] [38]
El carbón activado es carbón producido a partir de materiales carbonáceos 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:
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]
Los carbones activados son productos complejos que son difíciles de clasificar en función de su comportamiento, características superficiales y otros criterios fundamentales. Sin embargo, se realiza una clasificación amplia para fines generales según su tamaño, métodos de preparación y aplicaciones industriales.
Normalmente, los carbones activados (R 1) se elaboran en forma de partículas como polvos o gránulos finos de menos de 1,0 mm de tamaño con un diámetro promedio entre 0,15 y 0,25 mm. Por 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 malla 50 (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 entre el 95% y el 100% pasarán 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 utilizar PAC en un recipiente exclusivo, 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, depósitos de mezcla rápida, clarificadores y filtros de gravedad.
El carbón activado granular (GAC) tiene un tamaño de partícula relativamente mayor en comparación con el carbón activado en polvo y, en consecuencia, presenta una superficie externa más pequeña. Por tanto, la difusión del adsorbato es 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 depósitos de mezcla rápida. El GAC se puede obtener en forma granular o extruida. El GAC 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. No. 20 (0,84 mm) (generalmente especificado como 85 % de paso), pero serán retenidos en un tamiz de tamaño de malla estándar de EE. UU. No. 40 (0,42 mm). ) (generalmente especificado como 95% retenido). AWWA (1992) B604 utiliza el tamiz de malla 50 (0,297 mm) como tamaño mínimo de GAC. Los carbones de fase acuosa más populares son los tamaños 12×40 y 8×30 porque tienen un buen equilibrio entre tamaño, área superficial y características de pérdida de carga .
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).
El carbón activado en perlas (BAC) está fabricado 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 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.
Carbones porosos que contienen varios tipos de impregnaciones inorgánicas 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 de plata se utiliza como adsorbente para la purificación del agua doméstica. El agua potable se puede obtener a partir de agua natural tratándola 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 (H 2 S) y tioles . Se han informado tasas de adsorción de H2S de hasta el 50% en peso. [ cita necesaria ]
Este es un proceso mediante el cual un carbón poroso puede recubrirse con un polímero biocompatible para brindar una capa suave 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 pasan grandes volúmenes de sangre del paciente sobre una sustancia adsorbente para eliminar sustancias tóxicas de la sangre.
Existe una tecnología para procesar la fibra de rayón técnico y convertirla en tela de carbón activado para filtrar el carbón . La capacidad de adsorción de la tela activada es mayor que la del carbón activado ( teoría BET ), área de superficie: 500 a 1500 m 2 /g, volumen de poros: 0,3 a 0,8 cm 3 /g) [ cita necesaria ] . Gracias a las diferentes formas de material activado, se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones ( supercondensadores , [absorbentes de olores [1], industria de defensa QBRN, etc.).
Un gramo de carbón activado puede tener una superficie superior a 500 m 2 (5400 pies cuadrados), siendo fácilmente alcanzables 3000 m 2 (32 000 pies cuadrados). [2] [4] [5] Los aerogeles de carbono , aunque son más caros, tienen áreas superficiales aún mayores y se utilizan en aplicaciones especiales.
Bajo un microscopio electrónico se revelan las estructuras de gran superficie del carbón activado. Las partículas individuales están intensamente enrolladas 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 sólo unos pocos nanómetros aproximadamente. Estos microporos proporcionan excelentes condiciones para que se produzca la adsorción , ya que el material adsorbente puede interactuar con muchas superficies simultáneamente. Las pruebas de comportamiento de adsorción generalmente se realizan con nitrógeno gaseoso a 77 K en alto vacío , pero en términos cotidianos el carbón activado es perfectamente capaz de producir el equivalente, por adsorción de su entorno, agua líquida a partir de vapor a 100 °C (212 °F). y una presión de 1/10.000 de atmósfera .
James Dewar , el científico que da nombre al Dewar ( matraz de vacío ), dedicó mucho tiempo a estudiar el carbón activado y publicó un artículo sobre su capacidad de adsorción de gases. [43] En este artículo, descubrió que enfriar el carbono a temperaturas de nitrógeno líquido le permitía adsorber cantidades significativas de numerosos gases del aire, entre otros, que luego podían recuperarse simplemente permitiendo que el carbono se calentara nuevamente y que el carbono a base de coco fue superior por el efecto. Utiliza el oxígeno como ejemplo, en el que el carbón activado normalmente adsorbería la concentración atmosférica (21%) en condiciones estándar, pero liberaría más del 80% de oxígeno si el carbón se enfriara primero a bajas temperaturas.
Físicamente, el carbón activado une materiales mediante la fuerza de van der Waals [41] o la fuerza de dispersión de London .
El carbón activado no se une bien a ciertas sustancias químicas, incluidos alcoholes , dioles , ácidos y bases fuertes , metales y la mayoría de los compuestos 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 indicación del área de superficie total.
El carbón activado no absorbe bien el monóxido de carbono. Esto debería ser de particular preocupación para quienes usan el material en filtros para respiradores, campanas extractoras u otros sistemas de control de gas porque 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 el 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 amoníaco (NH 3 ), el formaldehído (HCOH) y el mercurio . (Hg) y yodo radiactivo-131 ( 131 I). Esta propiedad se conoce como quimisorción .
Muchos carbonos adsorben preferentemente moléculas pequeñas. El número 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] ) que a menudo se informa 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 ) mediante adsorción de yodo de la solución. Equivale a una superficie de carbono 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 carbono cuando la concentración de yodo en el filtrado residual es de 0,02 normal (es decir, 0,02 N). Básicamente, el número de yodo es una medida del yodo adsorbido en los poros y, como tal, es una indicación del volumen de poros disponible en el carbón activado de interés. Normalmente, los carbones para tratamiento de agua tienen números de yodo que oscilan entre 600 y 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 carbono sólo puede recomendarse si se ha demostrado que está libre de interacciones químicas con adsorbatos y si se ha establecido una correlación experimental entre el índice de yodo y el grado de agotamiento. determinado para la aplicación particular.
Algunos carbonos son más aptos para adsorber moléculas grandes. El número de melaza o la eficiencia de la melaza es una medida del contenido de mesoporos del carbón activado (mayor de 20 Å o mayor de 2 nm ) mediante adsorción de melaza de la solución. Un número alto de melaza indica una alta adsorción de moléculas grandes (rango 95-600). El dp del caramelo (rendimiento decolorante) es similar al número de melaza. La eficiencia de la melaza se informa como 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 norteamericana.
El número de melaza es una medida del grado de decoloración de una solución estándar de melaza que ha sido diluida y estandarizada frente a carbón activado estandarizado. Debido al tamaño de los cuerpos de color, el número de melaza representa el volumen de poro potencial disponible para especies adsorbentes más grandes. Como todo el volumen de poros 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 poros similares para la adsorción, el que tiene el mayor número de melaza generalmente tendrá poros alimentadores más grandes, lo que resultará en una transferencia más eficiente de adsorbato al espacio de adsorción.
Los taninos son una mezcla de moléculas de tamaño grande y mediano. Los carbones con una combinación de macroporos y mesoporos adsorben los taninos. La capacidad de un carbón para adsorber taninos se expresa en partes por millón de concentración (rango 200 ppm-362 ppm).
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 tinte azul de metileno . La adsorción de azul de metileno se informa en g/100 g (rango 11 a 28 g/100 g). [46]
Algunos carbones se evalúan en función de la vida media de decloración , que mide la eficiencia de eliminación de cloro del carbón activado. La longitud del valor medio de decloración es la profundidad del carbón necesaria para reducir la concentración de cloro en un 50%. Una longitud inferior a la mitad del valor indica un rendimiento superior. [47]
La densidad sólida o esquelética de los carbones activados normalmente oscilará entre 2000 y 2100 kg/m 3 (125 a 130 libras/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, típicamente de 400 a 500 kg/m 3 (25 a 31 libras/pie cúbico). [48]
Una mayor densidad proporciona un mayor volumen de actividad y normalmente indica carbón activado de mejor calidad. Para determinar la densidad aparente del carbón activado se utiliza ASTM D 2854 -09 (2014).
Es una medida de la resistencia al desgaste del carbón activado. Es un indicador importante del carbón activado para mantener su integridad física y soportar fuerzas de fricción. Existen grandes diferencias en la dureza de los carbones activados, dependiendo de la materia prima y del nivel de actividad (porosidad).
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 (p. ej. coco, madera, carbón, etc.). Los óxidos metálicos (Fe 2 O 3 ) pueden lixiviarse del carbón activado y provocar decoloración. El contenido de cenizas ácidas/solubles en agua 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 carbón con un bajo contenido de cenizas solubles en tanques marinos, de agua dulce y de arrecife para evitar el envenenamiento por metales pesados y el crecimiento excesivo de plantas y algas. Se utiliza ASTM (prueba del método estándar D2866) para determinar el contenido de cenizas del carbón activado.
Medición de la porosidad de un carbón activado mediante la adsorción de vapor de tetracloruro de carbono saturado .
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 de vapor, esto debe tenerse en cuenta frente a la caída de presión, lo que afectará al coste de energía. Una consideración cuidadosa de la distribución del tamaño de las partículas puede proporcionar 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 mineral de un carbón activado).
Las características ácido-base, de oxidación-reducción y de adsorción específicas dependen en gran medida de la composición de los grupos funcionales de la superficie. [49]
La superficie del carbón activado convencional es reactiva, capaz de oxidarse por el oxígeno atmosférico y el plasma de oxígeno [50] [51 ] [52] [53] [54] [55] [56] [57] vapor, [58] [59] [60] y también dióxido de carbono [54] y ozono . [61] [62] [63]
La oxidación en fase líquida es causada por una amplia gama de reactivos (HNO 3 , H 2 O 2 , KMnO 4 ). [64] [65] [66]
Mediante 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. [49]
El carbón activado puede ser nitrogenado mediante productos naturales o polímeros [67] [68] o procesamiento del carbón con reactivos nitrogenantes . [69] [70] [71]
El carbón activado puede interactuar con cloro , [72] [73] bromo [74] y flúor . [75]
La superficie del carbón activado, al igual que otros materiales de carbón, se puede fluoralquilar mediante tratamiento con peróxido de (per)fluoropoliéter [76] en fase líquida, o con una amplia gama de sustancias fluoroorgánicas mediante el método CVD. [77] Dichos materiales combinan alta hidrofobicidad y estabilidad química con conductividad eléctrica y térmica y pueden usarse como material de electrodo para supercondensadores. [78]
Los grupos funcionales de ácido sulfónico se pueden unir al carbón activado para dar "estrellas" que pueden usarse para catalizar selectivamente la esterificación de ácidos grasos. [79] La formación de dichos carbones activados a partir de precursores halogenados proporciona un catalizador más eficaz, lo que se cree que es el resultado de que los halógenos restantes mejoran la estabilidad. [80] Se informa sobre la síntesis de carbón activado con sitios superácidos injertados químicamente –CF 2 SO 3 H. [81]
Algunas de las propiedades químicas del carbón activado se han atribuido a la presencia del doble enlace del carbón tensioactivo . [63] [82]
La teoría de la adsorción de Polyani es un método popular para analizar la adsorción de diversas sustancias orgánicas en su superficie.
La forma de quimisorción más común en la industria ocurre cuando un catalizador sólido interactúa con una materia prima gaseosa, los reactivos. La adsorción de los reactivos a la superficie del catalizador crea un enlace químico, alterando la densidad de electrones alrededor de la molécula del reactivo y permitiéndole experimentar reacciones que normalmente no estarían disponibles para ella.
La reactivación o regeneración de carbones activados implica restaurar la capacidad de adsorción del carbón activado saturado desorbiendo los contaminantes adsorbidos en la superficie del carbón activado.
La técnica de regeneración más común empleada en procesos industriales es la reactivación térmica. [83] El proceso de regeneración térmica generalmente sigue tres pasos: [84]
La etapa de tratamiento térmico utiliza la naturaleza exotérmica de la adsorción y da como resultado la desorción, el craqueo 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 un 5 y un 15% en peso del lecho de carbono, lo que provoca una pérdida de capacidad de adsorción. [85] La regeneración térmica es un proceso de alta energía debido a las altas temperaturas requeridas, lo que lo convierte en un proceso costoso desde el punto de vista energético y comercial. [84] Las plantas que dependen de la regeneración térmica de carbón activado deben tener un tamaño determinado antes de que sea económicamente viable tener instalaciones de regeneración en el lugar. Como resultado, es común que los sitios de tratamiento de residuos más pequeños envíen sus núcleos de carbón activado a instalaciones especializadas para su regeneración. [86]
Las preocupaciones actuales por el alto costo energético y de costo de la regeneración térmica del carbón activado han alentado la investigación de métodos de regeneración alternativos para reducir el impacto ambiental de tales procesos. Aunque varias de las técnicas de regeneración citadas siguen siendo áreas de investigación puramente académica, en la industria se han empleado algunas alternativas a los sistemas de regeneración térmica. Los métodos de regeneración alternativos actuales son:
