Carbón Activado Granular

El carbón activado de Global Water Technologies Group está compuesta por carbón poroso que se produce artificialmente de manera que exhiba un elevado grado de porosidad y una alta superficie interna. Estas características, junto con la naturaleza química de los átomos de carbono que lo conforman, le dan la propiedad de atraer y atrapar de manera preferencial ciertas moléculas del fluido que rodea al carbón.

Color: negro
Densidad: 33 libras por pie cúbico
Tamaño: 0,55 a 75,00 milímetros
Aprobada por ANSI/NSF 61
Normativa B100-01 de AWWA

A esta propiedad se le llama adsorción; al sólido se le denomina “adsorbente” y a la molécula atrapada, “adsorbato”. La unión entre el carbón y el adsorbato se lleva a cabo por medio de fuerzas de London, que son una de las clases de fuerzas de van der Waals. Éstas son relativamente débiles y, por lo tanto, reversibles.

El carbón activado, es un compuesto covalente y, por lo tanto, muestra preferencia por moléculas covalentes; es deicir, por moleculas que tienden a ser no iónicas y poco polares. Tal es el caso de la mayoría de los compuestos orgánicos. Por lo tanto, el carbón activado se considera un adsorbente casi universal de moléculas orgánicas.

Debido a lo anterior una de las principales aplicaciones del carbón activado es la purificación de líquidos y gases contaminados con alguna molécula orgánica.

EL MISTERIO DEL CARBON ACTIVIDADO

Desde tiempos remotos los egipcios descubrieron que el carbón de madera podía utilizarse para purificar otros Productos e incluso usarse con fines medicinales. En la actualidad, el cabón activado es utilizado para remover color, olor y sabor de una infinidad de productos, por lo cual lo podemos encontrar en aplicaciones tan sencillas como peceras o filtros de refrigerador, hasta complejos sistemas industriales como modernas plantas de tratamiento de aguas residuales o delicados sistemas de elaboración de antibióticos.

¿Qué es lo que hace al CARBÓN ACTIVADO Un material tan versátil?

Es conveniente analizar primero el proceso de adsorción, para así comprender mejor como es que el carbón activado realiza su función. La adsorción es un proceso por el cual los átomos en la superficie de un sólido, atraen y retienen moléculas de otros compuestos. Estas fuerzas de atracción son conocidas como " fuerzas de Van Der Waals". Por lo tanto al ser un fenómeno que ocurre en la superficie mientras mayor área superficial disponible tenga un sólido, mejor adsorbente podrá ser.

El carbón activado es un producto que posee una estructura cristalina reticular similar a la del grafito; es extremadamente poroso y puede llegar a desarrollar áreas superficiales del orden de 1,500 metros cuadrados ó más, por gramo de carbón.

Todos los átomos de carbon en la superficie de un cristal son capaces de atraer moléculas de compuestos que causan color, olor o sabor indeseables; la diferencia con un carbón activado consiste en la cantidad de átomos en la superficie disponibles para realizar la adsorción. En otras palabras, la activación de cualquier carbón consiste en " multiplicar" el área superficial creando una estructura porosa. Es importante mencionar que el área superficial del carbón activado es interna. Para darnos una idea más clara de la magnitud de la misma, imaginemos un gramo de carbón en trozo el cual moleremos muy fino para incrementar su superficie, como resultado obtendremos un área aproximada de 3 a 4 metros cuadrados, en cambio, al activar el carbón logramos multiplicar de 200 300 veces este valor.

Por todo ello, cuando se desea remover Una impureza orgánica que causa color, olor o sabor indeseable, normalmente la adsorción con carbón activado suele ser la técnica más económica y sencilla.

El carbón activado, materias primas y aplicaciones.

Desde el punto de vista de la composición química, el CA es carbón prácticamente puro, al igual que lo es el diamante, el grafito, el negro de humo, y los diversos carbones minerales, o de leña.

Todos ellos poseen la propiedad de adsorber, que consiste en un fenómeno fisicoquímico en el que un sólido, llamado adsorbente, atrapa en sus paredes a cierto tipo de moléculas, llamadas adsorbatos, y que están contenidas en un líquido o un gas.

La diferencia fundamental entre uno y otro tipo de carbón radica en la estructura, o arreglo de sus átomos. En el caso del CA, éstos se encuentran combinados en forma de placas grafíticas, que pueden representarse de acuerdo a la figura .

Las placas están separadas y tienen distintas orientaciones, por lo que existen espacios entre ellas, a los que se denominan poros, que brindanal CA su principal característica: una gran área superficial, y por lo tanto, una alta capacidad adsorbente.El área de la mayoría de los carbones activados comerciales está entre 500 y 1,500 m2/g.

Tipos de poros dentro de una partícula de carbón

El CA tiene una gran variedad de tamaños de poros los cuales pueden clasificarse de acuerdo a su función, en poros de adsorción y poros de transporte.

Los primeros consisten en espacios entre placas grafíticas con una separación de entre una y cinco veces el diámetro de la molécula que va a retenerse. En éstos, ambas placas de carbón están lo suficientemente cerca como para ejercer atracción sobre el adsorbato y retenerlo con mayor fuerza.

Los poros mayores que los de adsorción son de transporte, y tienen un rango muy amplio de tamaños, que van hasta el de las grietas que están en el límite detectable por la vista, y que corresponde a 0.1 mm. En esta clase de poros, solo una placa ejerce atracción sobre el adsorbato y entonces lo hace con una fuerza menor, o incluso insuficiente para retenerlo. Actúan como caminos de difusión por los que circula la molécula hacia los poros de adsorción en los que hay una atracción mayor. Por lo tanto, aunque tienen poca influencia en la capacidad del CA, afectan la cinética o velocidad con la que se lleva a cabo la adsorción.

Otra clasificación de los poros, es la de la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemists), que se basa en el diámetro de los mismos, de acuerdo a lo siguiente:

microporos : menores a 2 nm mesoporos : entre 2 y 50 nm macroporos : mayores a 50 nm (típicamente 200 a 2000 nm)

Los microporos tienen un tamaño adecuado para retener moléculas pequeñas, que aproximadamente corresponden a compuestos más volátiles que el agua, tales como olores, sabores y muchos solventes.

Los macroporos atrapan moléculas grandes, tales como las que son coloridas o las sustancias húmicas -ácidos húmicos y fúlvicos- que se generan al descomponerse la materia orgánica. Los mesoporos son los apropiados para moléculas intermedias entre las anteriores.

Por lo tanto, la capacidad de un CA para retener una sustancia determinada, no solo está dada por su área superficial, sino por la proporción de poros cuyo tamaño es el adecuado: una a cinco veces el diámetro de la molécula de dicha sustancia.

Métodos de fabricación, materias primas y sus efectos en las características del carbón activado.

El proceso de activación

El CA puede fabricarse a partir de todo tipo de material carbonoso, o bien, a partir de cualquier carbón mineral no grafítico. Sin embargo, cada materia prima brindará características y calidades distintas al producto. En cuanto al proceso de activación, existen dos tecnologías básicas: activación térmica y por deshidratación química.

A) Activación térmica:

Cuando se parte de un material orgánico (madera,cáscara de coco, sangre u otro), el proceso se inicia con su carbonización, la cuál debe realizarse a una baja temperatura en la que no se favorezca la grafitación. Si se parte de carbón mineral, es obvio que no se requiere la carbonización, ya que la naturaleza se encargó de realizarla.Sin embargo, en el caso de los carbones minerales suele ser necesario un lavado previo, para extraer contaminantes como azufre y metales pesados, que típicamente se encuentran en los yacimientos.

El carbón resultante se somete a temperaturas cercanas a los 1000oC, en una atmósfera inerte o reductora, usualmente saturada con vapor de agua. En estas condiciones, y a lo largo de un cierto tiempo, algunos átomos de carbón reaccionan y se gasifican en forma de CO2, y otros se recombinan y condensan en forma de las mencionadas placas grafíticas.

El CA sale del horno al rojo vivo, por lo que debe enfriarse antes de entrar en contacto con el aire a temperatura ambiente. De lo contrario, una parte de éste desaparecería como CO2, y el producto resultaría con una cantidad muy grande de óxidos superficiales, que podrían afectarlo negativamente. Para lograr este enfriamiento, puede recibirse el carbón en agua, o en un equipo sellado con enfriamiento indirecto.

Lo anterior constituye la etapa básica del proceso. El resto consisteen operaciones de molido y cribado para brindar al producto el rango buscado de tamaños de partícula.

B) Activación por deshidratación química:

Este método solo puede aplicarse a ciertos materiales orgánicos, relativamente blandos y que están formados por moléculas de celulosa, como es el caso de la madera. La primera etapa consiste en deshidratar la materia prima mediante la acción de un químico, tal como ácido fosfórico, cloruro de zinc o carbonato de potasio. Posteriormente, se carboniza el material deshidratado a baja temperatura (500 a 600oC),obteniéndose automáticamente la estructura porosa.El producto resultante se lava con el objeto de dejarlo tan libre como sea posible del químico utilizado, así como para recuperar y reutilizar este último. El grado de activación también puede variarse en este tipo de proceso, de acuerdo a la cantidad del químico deshidratante utilizado.

Cuando puede activarse una misma materia prima, tanto térmicamente como por deshidratación química, el CA producido por la segunda tecnología adquiere poros cuyo tamaño es un poco mayor.

Principales materias primas y sus efectos en las características del producto

Aunque, como se ha mencionado, el CA puede fabricarse a partir de un sinnúmero de materiales carbonosos, solamente se utilizan unos cuantos a nivel comercial, debido a su disponibilidad, bajo costo y a que los productos obtenidos a partir de ellos, tienen las propiedades que cubren toda la gama de aplicaciones que el CA puede tener.

En la siguiente tabla se muestran las principales materias primas y tecnologías de activación utilizados en la producción de CAs, así como la dureza y el radio medio de poro de los productos obtenidos.

MATERIA PRIMA ACTIVACIÓN DUREZA O RESIST. A LA ABRASIÓN RADIO MEDIO DE PORO madera de pino deshidratación química* 30-50 10-2,000 nm carbón mineral lignítico térmica** 40-60 3.3 nm carbón mineral bituminoso térmica** 70-80 1.4 nm concha de coco térmica** 90-99 0.8 nm

PURIFICACIÓN EN FASE LIQUIDA

La adsorción con carbón en FASE LIQUIDA es útil para remover compuestos orgánicos que causan color, olor y sabor indeseables. Esta técnica es en la mayoría de los casos, la opción más sencilla y económica comparada con otras técnicas, por ejemplo: destilación cristalización, etc.

Aunque la mayor parte de los compuestos que adsorbe el carbón activado son de naturaleza orgánica, existen algunas importantes excepciones inorgánicas.

La adsorción en la FASE LIQUIDA es resultado de dos fenómenos:

a) Adsorción Física: debida a las fuerzas de Van Der Waals.

b) Adsorción Química: debida a la formación de enlaces químicos

Es importante mencionar que la adsorción en FASE LIQUIDA es el resultado de un equilibrio entre la adsorción y desorción, en consecuencia, es un fenómeno complejo que puede verse influenciado por muchas variables.

LA ECUACION DE FREUNDLINCH Existe una ecuación empírica que ha demostrado ser útil para predecir el comportamiento del carbón activado en la mayoría de las aplicaciones en fase líquida:

Ecuación de Freundlich. (A temperatura constante) X= Cantidad de impureza adsorbida. M= Dosis de carbón. C= Concentración residual de la Impureza. K,n= Constantes.

Si graficamos en papel logarítmico esta ecuación obtendremos una recta.

Esta gráfica es conocida como Isoterma de Freundlich y es de mucha utilidad al evaluar el comportamiento de un carbón activado para determinada aplicación, y encontrar la dosis adecuada.

Resulta interesante recalcar que si se graficaran para una determinada aplicación los datos de dosis del carbón vs. el porcentaje de impureza removida, se obtendría una gráfica similar a ésta:

Donde se pueden observar que existe un rango en el cual el carbón activado es eficiente, pero llega el momento en que aunque se agregue más carbón, la ganancia En remoción es cada vez menor.

Un carbón activado normalmente adsorbe entre un 10% y un 60% de su peso en impurezas. Desafortunadamente en FASE LIQUIDA es común que la impureza a remover sea en realidad una mezcla de compuestos, y rara vez se conoce su composición exacta.

Por esto, la realización de las Isotermas tiene una gran importancia. Cabe aclarar que por lo mismo, la Isoterma será sólo aplicable a las condiciones bajo las cuales se realizó, y al cambiar cualquiera de ellas, la Isoterma puede cambiar significativamente.

Resulta obvio que para que un compuesto sea adsorbido por el carbón activado sus moléculas deben penetrar los poros del mismo, en consecuencia, los poros del carbón deben tener un diámetro mayor que el de las moléculas de la Impureza.

Se ha visto que en FASE LIQUIDA la mayoría de las impurezas son moléculas medianas y grandes que a su vez requieren de carbones con una gran cantidad de poros medios.

Al ser la adsorción un proceso en equilibrio, cualquier impureza que tenga Afinidad con el producto en el que está presente, dificultará la adsorción. Por ejemplo: un contaminante altamente soluble en el medio que se encuentra será más difícil de adsorber que uno de solubilidad media o baja.

Dentro del proceso de adsorción uno de los pasos normalmente más críticos es la difusión de las impurezas a remover hacia la superficie externa del carbón, por está razón cualquier variable que afecte la difusividad, puede también tener un efecto sobre la adsorción.

CARBON GRANULAR.

Como se ha mencionado, la única diferencia entre un carbón granular y uno pulverizado es el tamaño de la partícula.

De lo que se deriva que, el tiempo requerido para obtener el mismo resultado es mucho mayor con carbón granular, mismo que se utiliza siempre en una columna empacada a través de la cual fluye el líquido. Este tipo de operación es Sobre todo recomendable en procesos continuos con una calidad estable De el licor a purificar y grandes flujos. Tiene la ventaja de que el carbón se puede regenerar y en consecuencia los consumos son menores; sin embargo la inversión Requerida es alta y no siempre se justifica.

La operación en columna tiene el mismo principio que el doble contacto a contracorriente, es más, en realidad podría considerarse un contacto de etapas múltiples. Entre el licor de entrada y el de salida existente un gradiente de concentración de impurezas y el carbón de la entrada se va agotado más rápidamente que el de salida.

Al principio de la operación existe un punto dentro de la columna en cual la concentración de impureza es igual a la de la salida. Esta zona se conoce como zona de transferencia de masa (ZTM). El resto del carbón se mantiene virgen. Conforme transcurre la operación parte del carbón se va agotando y la zona de transferencia de masa se va desplazando Hacia salida. Finalmente llega un momento En el que la Z.T.M. alcanza la salida. Un instante después, la concentración de impurezas del licor de salida empezará a Aumentar y se considera que la columna Está agotada. El tiempo que tarde en suceder lo anterior depende de varios factores:

a) Flujo de licor (a mayor flujo más Grande es la Z.T.M.)

b)Tamaño de partícula de carbón; el carbón más pequeño da una longitud de Z.T.M más pequeña, sin embargo, la caída de presión será mayor.

c) Temperatura; debido a la disminución De la viscosidad, un aumento en la Temperatura normalmente disminuye La altura de la ZTM.

d) Características del carbón utilizado (tamaño de poros) y del producto que se está purificando (coeficiente de difusividad).

Es importante recalcar que la capacidad de un Carbón Granular es la misma que la de uno Pulverizado, por lo tanto, la forma de determinar la facilidad de adsorber una determinada impureza es moliendo el carbón y corriendo en laboratorio Isotermas de Freundlich.

Para obtener los parámetros de diseño de una columna ( diámetro, altura de carbón, flujo.etc.) es necesario efectuar pruebas piloto.Una forma sencilla de realizar estas pruebas es usando varias columnas en serie de 3 ½ "ó 4" de diámetro.

A manera de guía general, podemos decir que la relación de altura de carbón entre el diámetro de las columnas oscila entre 2 a 1; y 5 a 1 y el flujo medido como el número de volúmenes de cama de licor que pasan por el carbón en una hora ( V.C.H) oscila entre:

Decoloración 0.2- 0.6 Deodorización 1.0-2.0 Tratamiento 1.0- 4.0 Existen dos variantes de sistema para carbón granular:  columna.

MEDIOS FILTRANTES DE USO COMÚN

 

KDF 85 22.68 Kg. $384.00 USD. +IVA $4,184.40 Mx. + IVA.	Resina para suavizador equivalente DOW o R&H $39.00 USD. + IVA $429.00 Mx. + IVA.	Carbón activado granular pie cúbico $29.70 USD. + IVA $326.00 Mx. + IVA.	BIRM 44 CF 19.95 Kg. $43.30 USD. + IVA $475.20 Mx. + IVA.

 

Calcita Saco de 50 Kg $14.85 USD. + IVA $163.35 Mx. + IVA.	Filter Ag Saco de 25 Libras $11.00 USD. + IVA $121.00 Mx. + IVA.	MTM (para Hierro) 22.68 Kg $53.40 USD. + IVA $597.00 Mx. + IVA.	Corosex Saco 100 libras $90.00 USD. + IVA $990.00 Mx. + IVA.

Precios y mas Materiales Filtrantes

Temas relacionados:

Preguntas Frecuentes sobre el carbón activado

El carbón activado en el tratamiento de agua

El carbón activo como adsorbente

Utilización de los carbones activos

Procesos en las plantas de tratamiento

Adsorbedores de carbón activado granular

Casos de aplicación y diseño

Notas:

Precios expresados en pesos mexicanos.
Precios mas I.V.A.
Sujetos a cambio sin previo aviso.

Para un mayor detalle consulte la sección de Purificadoras y embotelladoras de agua.