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Cuando el carbón activado perfecto en el laboratorio, resulta no serlo en la práctica.

By 13 septiembre, 2018Educación
Científicos experimentando con carbón activado

Muy probablemente, la adsorción mediante carbón activado es, después de la filtración (entendida como la retención de sólidos mayores a cierto tamaño), la segunda operación de separación más utilizada por el ser humano en términos de frecuencia. La ciencia ha abordado el tema con interés y profundidad. No es raro que encuentre resultados sorprendentes en el laboratorio, pero que en la aplicación a gran escala no lo sean tanto, representen costos mayores a los previstos, lo que en algunas ocasiones hasta desincentive su uso.

El presente texto tiene como objeto exponer y explicar brevemente algunos de los errores operativos más comunes en la aplicación de carbones activados que ocurren por no considerar variables que no inciden en el laboratorio, pero sí en el ámbito de su aplicación.


Algunos de los problemas operativos más comunes en la aplicación de carbones activados


No considerar los efectos indeseables de los compuestos inorgánicos presentes en el carbón activado

Un carbón activado virgen siempre contiene compuestos inorgánicos. Algunos tienen su origen en los minerales propios del vegetal utilizado como materia prima, y otros provienen del compuesto que se utiliza cuando el carbón se activa químicamente. Pueden ser ácidos o alcalinos. Cuando el carbón se aplica en un líquido, pueden modificar su pH. Cuando se aplica en polvo, si los compuestos inorgánicos tienen algún efecto indeseable, lo hacen en cada lote; cuando se aplican en forma granular, solo afectan a los primeros litros tratados. Cuando se comparan carbones con distinta distribución de tamaño de poro, hay que considerar el tipo y la cantidad de compuestos inorgánicos presentes, pues cabe la posibilidad de que se elija un carbón, no por las características de su estructura, sino por el efecto de estos compuestos inorgánicos. Hay que considerar que estos compuestos pueden neutralizarse o eliminarse del carbón por disolución en el solvente adecuado (que puede ser agua simple o una solución ácida).

Cinética muy lenta debido a que el tamaño de las partículas de un carbón activado es demasiado grande

Es común que no se considere el enorme efecto que tiene el tamaño de partícula del carbón activado en la cinética con la que adsorbe un carbón activado: a menor tamaño, la cinética es mayor. El aumento de la cinética al disminuir el tamaño de partícula de un carbón activado, puede estimarse por el cociente al cuadrado del tamaño promedio de partícula del carbón mayor entre el menor. El efecto es tan grande, que un carbón con poca capacidad pero con menor tamaño de partícula que otro, suele resultar más competitivo. Hay que recordar que dos carbones activados granulares con el mismo rango de tamaño de partícula pueden diferir: uno puede tener partículas que tienden a las de mayor tamaño (dentro del rango) y el otro, a las de menor tamaño. Para definir con más precisión la distribución de partículas dentro de un mismo rango, se puede especificar un rango en el que debe estar el tamaño efectivo de partícula, y un valor máximo del coeficiente de uniformidad.

Bajo tiempo de vida útil de una cama de CAG, debido a que es demasiado chaparra

Cuando la zona de transferencia de masa con la que trabaja una cama de CAG (que trata a un fluido, sea líquido o gas) es demasiado larga en relación a la profundidad de la cama, el punto de ruptura se alcanza prematuramente. Esto puede resolverse con diseños de cama más esbeltos.

Retrolavado inadecuado de camas de carbón activado granular

La principal aplicación del carbón activado granular (CAG) es el tratamiento de agua, en la que el tiempo de vida útil del carbón suele ser del orden de meses o años. Aunque el agua que llega a la cama de carbón no contenga sólidos suspendidos que queden retenidos y obliguen a retrolavar para evitar taponamientos que aumenten la caída de presión, es indispensable retrolavar la cama con cierta frecuencia y lograr la expansión de la misma. Si no se logra la expansión, la cama se “petrifica”, luego se quiebra y el flujo se canaliza. Al canalizarse, el agua empieza a circular por las fisuras de la cama, y el usuario interpreta erróneamente que el carbón se ha agotado. Es muy común que, aunque se retrolave la cama de carbón con la frecuencia mínima necesaria, no se logre la expansión correcta de la misma, que debe ser de al menos el 30%. Este es, quizás, el problema operativo más frecuente en la aplicación de CAG. Existen métodos simples para constatar que una cama de carbón se expande adecuadamente.

Agotamiento prematuro de CAG en el tratamiento de agua o de soluciones acuosas incrustantes

El agua puede tener tendencia incrustante, corrosiva o ser equilibrada. Esta tendencia está dada por la concentración y el tipo de los sólidos disueltos presentes, y se predice mediante índices, como el de Langelier. Este último se calcula a partir de los datos de dureza total, alcalinidad total, pH, sólidos disueltos totales y temperatura del agua. Cuando un agua es muy incrustante, genera depósitos de sales en las paredes del carbón, que terminan impidiendo la adsorción o la reacción química que se busca (como es el caso de la decloración). Cuando un agua es altamente incrustante, hay que considerar si es rentable pretratarla con uno de los diversos métodos disponibles para ello (suavizarla, acidificarla, etc.).

Generación de bacterias en camas de CAG que tratan agua

El carbón activado adsorbe compuestos orgánicos y los concentra en sus paredes. Casi siempre, estos son biodegradables. Si el agua a tratar está clorada, no incidirán bacterias a través de la misma. Pero el carbón elimina el cloro libre por reacción química, y el agua que sale del tanque de carbón, ya no está clorada. Cuando para de operar el equipo, una contrapresión puede hacer que el agua de la tubería de salida acarree bacterias y estas incidan en la cama de carbón. El mismo carbón las protege contra el cloro. Las bacterias se desarrollan e inicia así una anaerobiosis que terminará produciendo olores y un agua que no cumple con los parámetros bacteriológicos. Esto ocurre prácticamente en todo adsorbedor que forma parte de un tren de potabilización. Por lo tanto, es importante valorar la calidad bacteriológica del agua y llevar a cabo uno procedimiento adecuado de sanitización con la frecuencia necesaria. También es recomendable minimizar los puntos de posible recontaminación bacteriana, como son goteras, tomas de muestra desprotegidas y otras.

Acumulación de gases en camas de CAG que tratan agua u otro líquido

Por un lado, cuando se pone en operación una cama de CAG, el líquido tarda muchas horas en inundar los poros del carbón, lo que provoca el desprendimiento de burbujas. Por otro, cuando el líquido a tratar es agua, esta también puede desprender gases que contenía disueltos (O2, N2, CO2). Y, por otro, hay aplicaciones en las que se desprenden gases por otras razones, como es el caso del carbón activado biológico, que es común como tratamiento terciario de aguas residuales. Si no se coloca el instrumento que permita la salida de estos gases (como los eliminadores de aire), pueden acumularse hasta alcanzar la cama de CAG y provocar la disminución del tiempo de contacto del líquido con el carbón, e impedir así la adsorción esperada.

Efectos de la química superficial que no considera ni el fabricante del carbón activado ni el usuario

Los científicos estudian este tema, pero cabe mencionar que muchas de las industrias que producen carbones activados aún no lo consideran. Al no considerarlo, se puede llegar a conclusiones erróneas en la elección del tipo de carbón activado para una aplicación específica.

Pérdida de dureza de CAG que se utiliza para declorar o para eliminar algún otro oxidante (O, HO, KMnO)

No hay que olvidar que el carbón es un reductor y que elimina oxidantes por reacción química. Al hacerlo, se van perdiendo átomos de carbono en las pacas de grafeno, y el carbón va perdiendo dureza. Además de que la pérdida de dureza aumenta la erosión del carbón al operar, disminuye también la viabilidad de la reactivación.

Aumento de la temperatura de camas de CAG que tratan aire u otros gases con una concentración de adsorbatos demasiado concentrados

Todo fenómeno de adsorción es naturalmente exotérmico. Cuando se tratan líquidos, estos tienen una capacidad calorífica suficiente para enfriar lo suficiente y llegar a un régimen permanente. Pero esto no siempre ocurre en el caso de aire y otros gases. Cuando la generación de calor es superior a la que puede transportar el gas que fluye, la temperatura de la cama aumenta, y si hay presencia de oxígeno, el carbón se incendia. En estos casos, es necesario considerar si puede diluirse el gas que se va a tratar con otro que actúe como enfriante, o si se debe instalar un medio indirecto de enfriamiento de la cama de carbón, o si es suficiente tratar el carbón activado para disminuir la concentración de sales y aumentar así su temperatura de ignición.

En su misión de conocer cualquier fenómeno, las ciencias requieren empezar por investigarlo en su estado más puro. Posteriormente lo estudian en sus posibles aplicaciones prácticas y cuando encuentran resultados satisfactorios, lo entregan a la industria. En el último paso, con frecuencia se omite un trabajo que también es ámbito de la ciencia: el estudio de aquellas variables que intervienen y afectan en el resultado cuando el fenómeno se aplica a gran escala. Esto ocurre por la brecha que aún existe entre científicos e industriales, y que dificulta la colaboración y la retroalimentación entre ambos.

El problema mencionado es común a cualquier operación unitaria, pero es mayor en el caso del carbón activado, por el poco conocimiento que se ha difundido entre ingenieros y técnicos sobre este adsorbente.

Con base en treinta años de trabajo en la aplicación de carbones activados para diversos fines, el autor presenta algunos de los problemas operativos que ha encontrado con mayor frecuencia. No incluye los que ocurren cuando el técnico de la industria no toma en cuenta el conocimiento científico, que son muy frecuentes (no considerar distribución de tamaño de poro, dosis, tamaño de partícula, tiempo de contacto, viscosidad del líquido, temperatura del fluido, etc.) Es importante conocer estos problemas para evitarlos y evitar así el desaprovechamiento del trabajo científico que ha implicado tanto esfuerzo.

Cuando el carbón activado perfecto en el laboratorio, resulta no serlo en la práctica.
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