Carbón activado o carbón activo es un término genérico que describe una familia de adsorbentes carbonáceos altamente cristalinos y una porosidad interna altamente desarrollada.
Existe una amplia variedad de productos de carbón activado que muestran diferentes características, dependiendo del material de partida y la técnica de activación usada en su producción.[1]
Es un material que se caracteriza por poseer una cantidad muy grande de microporos (poros menores a 2 nanómetro de radio). A causa de su alta microporosidad, un solo gramo de carbón activado puede poseer una superficie de 500 m² o más.
El carbón activado se utiliza en la extracción de metales (v. gr. oro), la purificación de agua potable (tanto para la potabilización a nivel público como doméstico), en medicina veterinaria y medicina humana para casos de intoxicación, en el tratamiento de aguas residuales, clarificación de jarabe de azúcar, purificación de glicerina, en máscaras antigás, en filtros de purificación y en controladores de emisiones de automóviles, entre otros muchos usos.
Producción
Generalmente se produce por dos métodos diferentes:
- Activación química: una sustancia deshidratante, que puede ser un ácido, se mezcla con la materia prima y se somete a un tratamiento a temperaturas moderadas. Esta técnica puede ser problemática porque, por ejemplo, al usar como agente deshidratante cloruro de zinc los residuos del zinc pueden permanecer en el producto final, aún después de lavado.
- Activación física o del vapor: el material carbonizado se trata con una mezcla de gases de combustión y vapor de agua a una alta temperatura para que se active.
Como material de partida se usan varios materiales carbonosos, como cáscaras de nuez, madera, coco.
Características
Una micrografía de carbón activado.
El carbón activado puede tener un área superficial mayor de 500 m²/g, siendo fácilmente alcanzables valores de 1000 m²/g. Algunos carbones activados pueden alcanzar valores superiores a los 2500 m²/g. A modo de comparación, una cancha de tenis tiene cerca de 260 m².
Bajo un microscopio electrónico, la estructura del carbón activado se muestra con una gran cantidad de recovecos y de grietas. A niveles más bajos se encuentran zonas donde hay pequeñas superficies planas tipo grafito, separadas solamente por algunos nanómetros, formando microporos. Estos microporos proporcionan las condiciones para que tenga lugar el proceso de adsorción. La evaluación de la adsorción se hace generalmente mediante nitrógeno gaseoso a 77 K en condiciones de alto vacío.
El carbón activo saturado se puede regenerar mediante la aplicación de calor. Los aerogeles de carbón, que son más costosos, tienen superficies efectivas muy altas y encuentran uso similar al carbón activado en aplicaciones especiales.
Sus principales características son:
Área superficial
Es la extensión de la superficie de los poros desarrollada dentro de la matriz del carbón activado. Se mide usando nitrógeno (N2). Es el indicador primario del nivel de actividad, asumiendo que a mayor área superficial, mayor número de puntos de adsorción disponibles.
Radios porales
La determinación de la distribución de los tamaños de los poros es una forma extremadamente útil de conocer el comportamiento del material. La IUPAC define la distribución de radios porales de la siguiente forma:
- Microporos r < 2 nm
- Mesoporos r ≈ 2-50 nm
- Macroporos r > 50 nm
Los macroporos son la vía de entrada al carbón activado, los mesoporos realizan el transporte, y los microporos la adsorción.
Tamaño de las partículas
Cuanto más fino es el tamaño de las partículas de un determinado carbón activado, mejor es el acceso al área superficial y más rápida es la tasa de cinética de adsorción. En sistemas de fase vapor, esto se debe considerar junto con la caída de presión, que afecta los costos energéticos.
Una elección cuidadosa del tamaño de las partículas puede proveer significativos beneficios operativos.
Proceso de obtención del carbón activado
El proceso del carbón activado se basa en producir un carbón a partir de materiales como: cortezas de almendras, cáscara de coco, turba, petróleo, brea y polímeros, nueces, palmeras u otras maderas, y carbón mineral.
Este proceso se puede dividir en dos tipos:
- Activación física (térmica). Se lleva a cabo en dos etapas, la carbonización que elimina elementos como hidrógeno y oxígeno para dar lugar a una estructura porosa rudimentaria y la etapa de gasificación del carbonizado que se expone a una atmósfera oxidante que elimina los productos volátiles y átomos de carbono, aumentando el volumen de poros y la superficie específica. Esto se hace en distintos hornos a temperaturas cercanas a 1000℃.
- Activación química. El material se impregna con un agente químico que puede ser ácido fosfórico o hidróxido de potasio y se calienta en un horno a 500-700℃. Los agentes químicos reducen la formación de material volátil y alquitranes, aumentando el rendimiento del carbón. El resultante se lava para la eliminación de ácido.
El tipo de material con el que se produce el carbón activado afecta el tamaño de los poros y las características de regeneración del carbón activado. Los dos tipos de clasificación son: carbón activado en polvo, con diámetro menor o igual a 0.25mm y el carbón granular, con diámetro superior a los 0.25mm.
Los tamaños de los poros van desde los más pequeños, llamados microporos (hasta 2.0 nm), hasta los mesoporos (de 2.0 a 50 nm) y macroporos (mayores de 50 nm).
Reactivación térmica
Centro para la reactivación de carbón activado en Roeselare, Bélgica.
El carbón activado saturado se puede reactivar térmicamente a través de un proceso a altas temperaturas (hasta 900 ºC), por ejemplo en hornos rotatorios o en hornos multietapa. Gracias a los modernos y eficientes tratamientos de gases, el carbón activado saturado, procedente de diferentes aplicaciones, puede ser reciclado.
El conjunto del proceso de reactivación comprende los siguientes pasos:
- Secado del material hasta ± 105 ° C.
- Evaporación de los compuestos volátiles adsorbidos hasta ± 300 ° C.
- Los compuestos no volátiles adsorbidos en el seno del carbón activo son descompuestos hasta carbono amorfo en la atmósfera del horno a través de un proceso de pirólisis con temperaturas de hasta ± 600 ° C.
- Finalmente, el carbón en forma amorfa es gasificado mediante la inyección de vapor a alta presión y temperatura (por encima de 800 ºC).
Durante la reacción del carbón amorfo con vapor a alta temperatura hasta monóxido de carbono (CO) y, posteriormente, dióxido de carbono (CO2), se forman los microporos que dotarán al carbón activo de una gran superficie específica.
Mediante el uso racional de los recursos naturales, la reactivación del carbón activo reduce las emisiones de CO2 a la atmósfera en un 80%.
Aplicaciones
Uso médico
El carbón activado es utilizado como agente adsorbente para tratar envenenamientos y sobredosis por ingestión oral. Previene la absorción de la sustancia tóxica en el estómago. La dosificación típica para un adulto es de 2 g/kg dentro de la primera hora de la intoxicación, con un tope máximo de 100 gramos totales. Las dosis pediátricas son 12-25 g (1 gramo/kg). Para fármacos con circulación enterohepática como carbamazepina, digoxina, morfina, entre otros, se sugiere administrar carbón activado en múltiples dosis (0,5 g/kg cada 4 horas por 24 a 48 horas).
En lo posible combinar con algún jugo o líquido con sabor para evitar el mal sabor del carbón activado y así el paciente no lo vomite. El uso incorrecto de este producto puede producir broncoaspiración (ingreso a los pulmones) y puede dar lugar a un desenlace fatal si no es controlado. Para el uso fuera del hospital, se presenta en comprimidos de 1 g, o en tubos o botellas plásticas, comúnmente de 12,5 ó 25 g, premezclado con agua. Tiene nombres comerciales como InstaChar, SuperChar, Actidose y Liqui-Socarra, pero por lo general se le llama simplemente carbón activado.
Filtros para aire, gas comprimido y purificar el agua.
Los filtros con carbón activado se utilizan generalmente en la purificación de aire, agua y gases, para quitar vapores de aceite, sabores, olores y otros hidrocarburos del aire y de gases comprimidos.
Los diseños más comunes utilizan filtros de una o de dos etapas, donde el carbón activado se introduce como medio filtrante. Un ejemplo puede ser el filtro que llevan los cigarrillos. También tiene uso para purificación del agua de lluvias en zonas donde esta es usada para usos domésticos.
Para su aplicación en tratamiento de agua se requiere 1 a 3 pies cúbicos de carbón activado para tratar 1 millón de litros de agua, siempre y cuando, la concentración de cloro libre sea igual o menor a 1 ppm (parte por millón).
Existen filtros de carbón activado a los que se les agrega plata para que no se desarrollen bacterias en él, de acuerdo a las propiedades antivirales y antibacteriales de la plata coloidal. Los filtros con partículas más pequeñas de carbón activado tienen generalmente una mejor tasa de adsorción.
Por otro lado, la acidez y temperatura del agua a filtrar influyen en el comportamiento del filtro de carbón activado. A mayor acidez y menor temperatura del agua, el desempeño de los filtros de carbón activado mejora. El asbesto no puede ser eliminado del agua a través de un filtro de carbón activado.
Un filtro de carbón activado debe ser reemplazado entre cada 2.800 y 3.750 litros de agua filtrada, lo cual es solo un referente pues la capacidad de filtración y vida del filtro dependerán de la calidad del agua que se filtra. El tamaño del poro del carbón activado y el tamaño de las partículas a filtrar también influyen en la vida y capacidad de filtración del filtro de carbón activado.
Por lo que la única forma de saber si un filtro de carbón activado ha dejado de funcionar es hacer un análisis del agua resultante del filtro, pues ni el sabor u olor pueden ser un referente certero. Una vez que se ha saturado un filtro de carbón activado, el agua que pase por él, resultará más contaminada que si no se filtrara.
Los filtros de carbón activado que son colocados al final del grifo tienen un desempeño inferior respecto a los que son colocados debajo del lavabo o tarja debido al poco volumen de carbón activado que contienen. Asimismo se recomienda reemplazar los filtros de carbón activado a una tasa del doble de lo que recomiendan los fabricantes. Los filtros que "avisan" el momento de cambiar el filtro son inexactos y la saturación y consecuente contaminación del agua puede ocurrir mucho antes de que avise.
Usos ambientales
Las propiedades de adsorción del carbón activado son muy útiles en la eliminación de contaminantes del aire como de flujos de agua implicados en procesos industriales:
- Limpieza de vertidos
- Recuperación de aguas superficiales y subterráneas
- Tratamiento de agua potable
- Purificación de aire
- Recogida de compuestos volátiles procedentes de procesos industriales como pintura, limpieza en seco, repostaje de combustible...
- Depuración de agua no destinada al consumo humano
- Purificación de aminoácidos
- Purificación de ingredientes y productos alimentarios
- Separación y purificación de gases como biogás, dióxido de carbono, hidrógeno, gas de síntesis
- Protección personal y colectiva (e.j. máscaras de gas )
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