La historia del carbón activado
El carbón es un sólido que atrapa moléculas orgánicas. Al hacerlo: purifica líquidos y gases, actúa como antídoto contra intoxicaciones y mejora las tierras de cultivo. En este artículo daremos una revisión cronológica de la historia del carbón activado.
En 1881, Heinrich Kayser llamó «adsorción» al proceso físico por el que algunos sólidos retienen cierto tipo de moléculas [3,4,5,8,9]. Desde esta perspectiva, el carbón es un adsorbente.
Mientras más poroso es un carbón, mayor es su área superficial y mayor es su capacidad de adsorción. Fue apenas en 1900 y en 1901 que Raphael von Ostrejko patentó los primeros métodos para producir carbón con mayor área superficial [2,7]. Al proceso de incrementar dicha área, le llamó “activación”. Posteriormente, de ahí se derivó el nombre del producto, y por esta razón, a von Ostrejko se le considera el padre del carbón activado [2].
La enorme utilidad industrial y médica del carbón, potencializada al activarlo, tuvo como consecuencia que su uso se incrementara exponencialmente. En el siglo XX, la adsorción en carbón activado llegó a ser el segundo método más aplicado por el ser humano para purificar fluidos (solamente antecedido por la filtración, que retiene sólidos).
De lo anterior, la historia del carbón activado nombrado como tal es de poco más de un siglo. No obstante, el uso del carbón como compuesto purificante, curativo y mejorador de tierras de cultivo, es, sin duda, mucho más antiguo de lo que antropólogos e historiadores han constatado.
El carbón, antes de que se produjera “activado”
El Homo sapiens apareció en la Tierra hace unos 100,000 años. Durante su larga etapa de cazador-recolector, fue un gran investigador. Hay evidencias de que su cerebro llegó a ser de un mayor tamaño que el nuestro y que, por lo tanto, contenía mayor masa encefálica [1]. No es improbable que haya descubierto las evidentes propiedades purificantes del carbón.
De acuerdo con el libro “The Quest for Pure Water” (Baker, 1949), la purificación de agua ya se utilizaba en el año 2000 a.C. [2].
El documento más antiguo que hace referencia al uso de carbón vegetal para curar males intestinales y eliminar malos olores de heridas putrefactas es un papiro egipcio de alrededor del 1550 a.C. que se encontró en Tebas, Grecia [3,4,5,6,8,9].
Estudios de los vestigios de barcos mercantes fenicios han llevado a conocer el hecho de que almacenaban el agua potable en barriles de madera carbonizados en su cara interna. Los fenicios fueron los grandes comerciantes de la antigüedad, y navegaron por todo el Mediterráneo hasta cerca del año 500 a.C. [3,4,5,6,8,9].
El almacenamiento de agua en barriles carbonizados se extendió hasta los viajes transocéanicos del siglo 18. Con la carbonización, disminuían o evitaban el aporte de aromas de la madera al agua, y mantenían su potabilidad [4]. Actualmente se sigue carbonizando el interior de las barricas de madera para envejecimiento de bebidas alcohólicas; mientras más severo es el carbonizado, la bebida extrae una menor cantidad de aromas.
Los griegos también utilizaron carbón de madera para tratar agua con el objeto de reducir olores indeseables y para prevenir enfermedades provocadas por esta [4]. Escritos sánscritos de origen hindú que se remontan al 450 a.C. describen el uso de arena y carbón vegetal para purificar agua potable [8,9].
Desde tiempos de Hipócrates (460 – 370 a.C.), pasando por los del investigador y escritor Plinio el Viejo (23 –79 d.C.) y hasta los de Claudio Galeno (129 a 201/216 d.C.), se aplicaban carbones de origen vegetal y animal para tratar diversas enfermedades [8,9]. Galeno, en particular, utilizó carbón como método terapéutico de diversas enfermedades [8].
La terra preta es un suelo oscuro y particularmente fértil, que se encuentra en la cuenca del Amazonas. Tiene un alto contenido de carbono que forma parte de sólidos carbonosos. Estudios recientes han descubierto que su origen es antropogénico y que data de hace unos 2000 años. Los pobladores de dicha región aprendieron que, al quemar vegetación de manera parcial y mezclar el carbón resultante con la tierra, mejoraban los cultivos [11].
Durante varios siglos, no hay registros sobre aplicaciones del carbón. Es hasta finales del siglo XVIII, en que médicos, químicos y otros científicos empezaron a experimentar con esta materia en aplicaciones médicas y de purificación agua, aire y otros fluidos. Probaron carbones hechos de sangre, madera y animales en la purificación de líquidos. En 1773, el químico Carl Wilhelm Scheele hizo mediciones del volumen de gases atrapados por carbón [8]. En 1786, Lowiz llevó a cabo los primeros experimentos sistemáticos que mostraron que el carbón podía utilizarse en la decoloración de soluciones acuosas [2,8,9].
La primera aplicación documentada que se conoce de un carbón vegetal para deodorizar es de 1793. Fue realizada por el Dr. M. Kehl y tuvo como objeto disminuir los olores emanados por gangrena. El Dr. Kehl ya tenía experiencia con carbón que utilizaba para purificar el agua para beber [3,4,5].
Por esa época, la industria azucarera buscaba un método efectivo para decolorar jarabes de azúcar, pero los carbones de madera disponibles no mostraban una capacidad que los hiciera interesantes. En 1794, una refinería de azúcar en Inglaterra encontró un carbón con suficiente poder decolorante. La adopción de su uso fue la primera aplicación de carbón como agente purificante a escala industrial [2,3,4,5,9]. Esto revolucionó a la industria azucarera, que buscaba obtener un producto más blanco y atractivo. Para 1805, un fabricante importante de azúcar en Francia ya refinaba jarabes con carbón, y para 1808, todas las refinerías en Europa decoloraban el azúcar con carbón vegetal [8,9].
Durante el siglo 19, el carbón vegetal continuó encontrando aplicaciones en medicina. Se utilizó en cataplasmas para curar úlceras y llagas gangrenosas. Las publicaciones médicas lo empezaron a considerar un antídoto contra envenenamientos y un tratamiento para enfermedades intestinales [8].
En 1811, Figuier encontró que el carbón de huesos tenía mayor capacidad para decolorar jarabes de azúcar que los carbones de madera. Esto provocó que la industria utilizara exclusivamente este tipo de carbón durante casi todo el siglo 19 [2,9].
En 1822, Bussy demostró que la capacidad decolorante de un carbón dependía del origen de la materia prima, el proceso térmico de carbonizado y el tamaño de partícula del producto terminado. Por primera vez, produjo carbón activado mediante un proceso que combinó procesos térmicos y químicos [3,4,9].
En 1854 se lleva a cabo la primera aplicación de carbón vegetal en el tratamiento de gases, cuando el alcalde de Londres decide instalar camas de carbón en los sistemas de ventilación de las cloacas [3, 4,5,9]. Se basó en las investigaciones que llevó a cabo el químico escocés John Stenhouse y que lo llevaron a desarrollar la máscara con un cartucho de carbón para protección contra gases tóxicos [9].
En 1862, Frederick Lipscombe aplicó carbón para purificar agua potable de manera comercial [8]. Más tarde, esta aplicación se llevó al tratamiento de aguas residuales [9].
En 1865, Hunter descubrió la excelente capacidad del carbón obtenido a partir de conchas de coco para atrapar gases [9].
En 1872, aparecen los primeros respiradores con cartuchos de carbón activado usados en la industria química para evitar la inhalación de vapores de mercurio [3,4,5,6].
Fue hasta 1881 que el físico alemán Heinrich Kayser acuñó el término “adsorción” para describir la habilidad del carbón para atrapar gases [3,4,5,8,9]. Se basó en el término “absorción”. Cambió el prefijo “ab”, por “ad”, para indicar aproximación, asociación o adherencia.
El nacimiento del carbón activado
Por estas fechas, Raphael von Ostrejko empezó a desarrollar varios métodos para producir un carbón con mayor poder adsorbente. Su objetivo era llegar más allá de una simple carbonización de materiales orgánicos. En 1900 y 1901 patentó dos métodos distintos. El primero de ellos, bajo la patente: von Ostrejko, R., Chemical Activation of Wood Using CaCl2, British Patent 14,224, Oct 13, 1900. Consistía en la carbonización de materiales lignocelulósicos con cloruros de metales, lo que fue la base de lo que hoy se conoce como “activación química”. En el segundo, proponía una gasificación moderada de materiales previamente carbonizado, mediante la aplicación de vapor de agua y dióxido de carbono. Esta se considera actualmente una activación física o térmica [2,6].
El apelativo “carbón activado” no se debió a que el producto tuviera una mayor y más activa área superficial, sino al método para producirlo [2].
A partir de las patentes de von Ostrejko, en 1909 se construyó la primera planta industrial para fabricar carbones activados en polvo destinados a la decoloración de azúcar [2]. La planta se llamó Chemische Werke. Sus productos se registraron con los nombres: Eponit, Purit y Norit. La empresa The Norit Company inició la fabricación de carbón activado en Holanda y muy pronto se hizo conocido en la industria azucarera por sus carbones activados con el método de gasificación de von Ostrejko [8, 9].
Los primeros carbones activados eran pulverizados y se utilizaban como agentes decolorantes en industrias químicas y de alimentos [9].
El primer proceso industrial de activación química de aserrín de madera con cloruro de zinc se llevó a cabo en la planta austriaca de Aussing en 1914. Un año más tarde, este mismo tipo de carbón se produjo en la planta de pigmentos de Bayer. También se utilizó ácido fosfórico como químico activante, que, al igual que el cloruro de zinc, realiza su efecto por deshidratación [9].
La primera producción de carbón activado en Estados Unidos se realizó en 1913. Empacadores de carne en Chicago utilizaron por primera vez carbón activado para controlar olores [9].
Durante la Primera Guerra Mundial, el uso de agentes químicos llevó a la urgente necesidad de un método de protección. Ambos bandos se involucraron en el esfuerzo de encontrarlo, y lo hicieron a través de máscaras contra gases. En 1915, los científicos alemanes encontraron que el carbón activado brindaba una protección importante contra muchos de los gases utilizados como armas químicas. Los británicos empezaron a utilizar carbón activado en 1916 en sus máscaras SBR. Los estadounidenses utilizaron carbón activado de concha de coco en sus máscaras tipo CE, que los protegían contra fosgeno, gases lacrimógenos y cloro [10].
La Primera Guerra fue el punto de partida para el desarrollo de la industria de carbón activado que se expandió hacia otros usos.
Cuando Estados Unidos entró a la Segunda Guerra Mundial, la concha de coco generada en el sureste asiático era la materia prima con la que se producía el carbón activado granular que se utilizaba como medio de protección en las máscaras contra gases que usaba el ejército. El transporte por barco entre Asia y América se volvió peligroso. Esto disminuyó el suministro, y el gobierno pidió a la Pittsurg Coke and Chemical Company desarrollar un sustituto a partir de un material nativo. En 1942, la empresa produjo un carbón activado que usó como materia prima un carbón de hulla bituminosa, y este fue el origen de la empresa Calgon Carbon Corporation [12].
Durante el siglo 20 se produjeron carbones activados a partir de diversos materiales vegetales, como: cáscaras de nueces, cáscara de cacahuate, huesos de aceituna y huesos de durazno, entre otros. También se desarrollaron métodos para activar carbones de origen mineral, como lignita, hulla bituminosa y antracita. Y se obtuvieron, carbones activados con formas nuevas, como pelets, fibras y bloques.
El carbón activado no solamente se ha utilizado como agente adsorbente. Su gran área superficial ha brindado soporte a catalizadores y a agentes químicos que han llevado al carbón resultante a ejercer una adsorción química (quimisorción) que le permite retener compuestos que no retiene un carbón activado estándar.
Se la ha utilizado también como reactivo y catalizador, para descomponer agentes oxidantes. Uno de estos oxidantes es el cloro libre residual, que es el principal compuesto que se utiliza en la desinfección de agua.
El carbón activado se ha llevado a diversos grados de purificación, que le han permitido aplicaciones en industrias que requieren altos niveles de pureza, como la farmacéutica. También le han permitido cumplir con las especificaciones de las farmacopeas; esto es importante, ya que el carbón activado es el antídoto más utilizado por la toxicología.
Algunos datos sobre Raphael von Ostrejko [7]
Nació el 4 de diciembre de 1863, cerca de Jonowo (Jonava), distrito de Kaunas, en Lituania. En esa época, el territorio pertenecía al Imperio Ruso. Sus padres, Anton y Elena Ostrejko, eran de nacionalidad polaca. Su padre era de origen noble.
Su nombre, en polaco, era Rafal Ostrejko, y en lituano, Rapolas Ostreika. Más tarde se le conoció como Raphael von Ostrejko, en alemán. Él agregó el “von” a su nombre mientras vivía en Austria o en Alemania, para mostrar sus raíces nobles. En Lituania, el “von” no tiene un significado de nobleza.
Estudió química en Riga, capital de la actual Letonia. No se casó ni tuvo hijos, y se desconoce la fecha y el lugar de su muerte. Hizo investigación aplicada a procesos industriales, fue asesor de industrias en diversos países y registró varias patentes.
Cuando von Ostrejko desarrolló sus métodos para producir carbón activado, las fábricas de azúcar llevaban mucho tiempo utilizando carbón de madera o carbón de huesos para refinarla.
Las patentes de von Ostrejko fueron:
1900 (13 octubre) patente Gran Bretaña 14,224, Chemical Activation of wood using CaCl2.
1900 patente Gran Bretaña 18,040.
1901 patente Francia 304,867.
1901 (30 agosto) patente Alemania 136,792
1903 (15 septiembre) patente EUA 739,104, Thermal Activation of Wood with Steam.
1920 (16 diciembre) patente Suiza.
El carbón activado en México
En 1960 se fundó Clarimex en México. Durante sus primeros años, produjo carbones a partir de madera de pino activados mediante ácido fosfórico, con tecnología desarrollada en Europa. Destinó sus productos a la industria azucarera. En la misma época, otra empresa, Polifós, también inició con la fabricación del mismo tipo de carbones.
Polifós dejó de producir carbones activados en la década de los noventa. Clarimex siguió creciendo y se consolidó como el mayor fabricante de carbón activado en Latinoamérica. Adquirió la empresa brasileña Brascarbo Agroindustrial, en Brasil, y se asoció con Norit. Con el tiempo, fue integrando líneas para producir otros tipos de carbón [13].
En 1988, Germán Groso, padre e hijo, fundaron Nobrac Mexicana, la primera empresa que produjo carbones activados de concha de coco en América [14].
En 1997, Germán Groso Cruzado publicó el primer libro sobre carbón activado en español: El carbón activado granular en el tratamiento del agua. Este libro abordó el tema desde la ingeniería de procesos.
En ese mismo año nació Carbotecnia, empresa que se especializó en la fabricación de carbones activados con características particulares, como: carbones bacteriostáticos, que evitan el crecimiento bacteriano; carbones impregnados, cuya función es retener moléculas que no adsorbe un carbón activado estándar; carbones de alta pureza, como los que requiere la industria farmacéutica; carbones de superficie modificada, como los que se requieren para adsorber compuestos de cierta polaridad; carbones activados libres de finos, para purificadores . Al inicio de esta empresa, su fundador, publicó el primer libro sobre carbón activado editado en español (El carbón activado granular en el tratamiento del agua) [14].
REFERENCIAS
REFERENCIAS
1. Harari, Y. N., De animales a dioses, Debate, México, 2014.
2. Sontheimer, H., J, Crittenden y R. S. Summers, R.S., Activated Carbon for Water Treatment, 2ª Ed., Forschungstelle Engler – BunteInstitut, Universität Karlsruhe, Karlsruhe, Germany, 1988.
3. http://www2.izt.uam.mx/newpage/contactos/anterior/n64ne/carbon_v2.pdf. Luna, D., A. González, M. Gordoña y N. Martín, Obtención de carbón activado a partir de la cáscara de coco, UAM–Azcapotzalco, Departamento de Química, México (consultado en enero de 2023).
4. https://www.ecured.cu/Carb%C3%B3n_activado. EcuRed, Carbón activado (consultado en enero de 2023).
5. https://repositorio.utp.edu.co/server/api/core/bitstreams/5c456630-0b2e-4a17-a4e4-43273d4115a8/content. Grisales, A. y W. Rojas, Obtención de carbón activado a partir de activación química de pulpa de café y su aplicación en la remoción de colorantes en aguas residuales industriales, Tesis, Universidad Tecnología, 2016 (consultado en enero de 2023).
6. https://www.camfil.com/es-es/insights/innovacion-tecnologia-e-investigacion/journey-of-activated-carbon.Camfil, Historia del carbón activo (consultado en enero de 2023).
7. https://speicyte.wixsite.com/raphael-von-ostrejko/abouthim. Raphael von Ostrejko (1863 -?), Father of activated carbon (consultado en enero de 2023).
8. https://www.jurassiccarbon.com/blogs/news/12186281-the-history-of-activated-carbon. Jurassic Activated Carbon, The history of activated carbon (consultado en enero de 2023).
9. https://application.wiley-vch.de/books/sample/3527324712_c01.pdf. Water and Wastewater Treatment: Historical Perspective of Activated Carbon Adsorption and its Integration with Biological Processes (consultado en enero de 2023).
10. https://www.mdpi.com/2079-4991/11/2/407. Mestre, A. S., A. P. Carvalho y D. Cazorla-Amorós, (Eds.), Exploring the Silent Aspect of Carbon Nanopores Nanomaterials, Nanomaterials, 11(2), Basel, 2021. (consultado en enero de 2023).
11. Lehmann, J. y S. Joseph (Ed.), Biochar Environmental Management Science and Technology, Earthscan, Washington DC, 2009.
12. https://www.calgoncarbon.com/about/history/#:~:text=Faced%20with%20a%20shortage%20of,known%20as%20Calgon%20Carbon%20Corporation. Calgon Carbon Corporation (consultado en enero de 2023).
13. https://clarimex.com/por-que-clarimex.php. Clarimex (consultado en enero de 2023).
14. https://www.carbotecnia.info/nuestra-empresa/. Carbotecnia (consultado en enero de 2023).
ELABORACIÓN Y REVISIONES DE LA HISTORIA DEL CARBÓN ACTIVADO
Elaboró: Germán Groso Cruzado, 16 feb 2023
