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Carbón poroso – ¿En que consiste el carbón activado?

By 8 noviembre, 2018Blog
En que consiste el carbón activado

El carbón activado no es más que carbón poroso. Con esa simpleza lo menciona toda publicación que define o explica en qué consiste este material. A continuación presentamos referencias de tres libros de entre la amplia bibliografía al respecto.

El carbón activado es un material con un alto grado de porosidad y un área superficial extendida. Más del 90% de la masa del carbón activado consiste en el elemento atómico conocido como carbono. El carbón activado es un adsorbente versátil que encuentra un amplio uso en la ecología, las industrias y otros campos, para la retención, recuperación, separación y modificación de una variedad de especies en aplicaciones en fase líquida o gas.

Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Terminology, Wiley online Libraryhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471238961.0103200902011105.a01/figures

El carbón activado, como cualquier otro tipo de carbón, puede contener algunos elementos ajenos al átomo de carbono. Estos elementos proceden desde la materia orgánica utilizada como materia prima para su fabricación y se consideran contaminantes naturales del carbón.

Son, por ejemplo, los minerales que se encuentran en todas las plantas. Dichos elementos son los responsables de las cenizas que quedan cuando termina de arder el carbón utilizado para asar carne.

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

Groso, G.El carbón activado granular en el tratamiento del agua, Aconcagua, México, 1997.

Carbón activado es el nombre colectivo para un grupo de carbones porosos, fabricados por tratamiento de un material carbonizado mediante gases, o bien, por carbonización y activación simultánea de materiales carbonosos mediante activación química. Todos estos carbones se preparan para exhibir un alto grado de porosidad y una extendida área superficial interna.

Marsh, H., E. Heintz y F. Rodríguez ReynosoINTRODUCTION TO CARBON TECHNOLOGIES, Universidad de Alicante, Alicante, 1997.

Leyendo con detenimiento la descripción anterior, el carbón activado es carbón poroso. Ahora bien, la porosidad puede obtenerse por dos métodos:

(a) Tratando un material carbonizado mediante gases (aunque no se mencionan, básicamente son: vapor de agua, aire y dióxido de carbono. Este último se obtiene de la
combustión de gas natural, gas LP u otro combustible).

(b) Por activación química, en la que se carboniza y activa simultáneamente un material carbonoso.

Material carbonoso es el que se constituye de cadenas de carbono, hidrógeno y oxígeno. Tal es el caso de los materiales orgánicos naturales, como la madera, las semillas de las frutas, las cáscaras de las nueces, los olotes, etc. La activación química más común se hace con ácido fosfórico, que actúa como agente deshidratante. Después del paso de carbonización y activación, el carbón se lava para que quede libre del agente
químico activante.

En caso de que se desee profundizar en el tema, vale la pena la siguiente sección de la Enciclopedia Kirk-Othmer que describe los procesos de producción del carbón activado.
Podrá observarse que aún con el método de activación química, el carbón se lava al final y se pretende que quede lo más puro posible porque lo que le da las propiedades al carbón activado es la porosidad y no otro compuesto.

La producción de carbón activado básicamente comprende dos etapas: carbonización y activación. Dependiendo del tipo de materia prima rica en orgánicos, y de las condiciones en las que esta se carboniza y activa, varían las propiedades del producto final.

Carbonización
La carbonización se define como el calentamiento o la descomposición pirolítica de un material precursor heterogéneo, como carbón mineral o madera, en ausencia de oxígeno a temperaturas inferiores a los 1000 o C, usualmente en el rango de 400–600 o C. En la etapa de carbonización para la producción de carbón activado, la materia prima puede tener forma de gránulos, material pre-cribado, briquetas o pelets. La carbonización se lleva a cabo en hornos como son los rotatorios, los de múltiple etapa y, en menor grado, los de lecho fluidizado.

Junto con breas, aceites y gases (combustibles que pueden requerirse para alcanzar la temperatura de carbonización en el horno), la carbonización produce un “material carbonizado”, simplemente llamado “carbón”. De este material se han eliminado la mayoría de las impurezas, que no son átomos de carbono, como son: oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y azufre. Estos se eliminan convirtiéndose en productos volátiles gaseosos. Por lo tanto, el elemento carbono predomina en el carbón resultante. El carbón exhibe un desorden considerable ya que los átomos de carbono han formado placas aromáticas planas que se colocan entre sí de manera aleatoria. Los intersticios entre estas placas aromáticas irregulares forman la porosidad de la que más dependen las propiedades del carbón activado.

Oxidación/Activación
El carbón que se obtiene de la carbonización aún no tiene una capacidad de adsorción alta, ya que su estructura porosa no es completamente pronunciada. Por lo tanto, para la mayoría de las aplicaciones, esta estructura porosa necesita aumentarse por un tratamiento oxidante llamado activación. La idea de este proceso se basa en la destrucción de parte de la estructura de carbón por medio de oxidación del material carbonizado, para desarrollar una estructura altamente porosa que consiste principalmente en microporos.

Considerando la mayoría de los usos, en la producción de carbón activado, la meta crucial es desarrollar poros con un diámetro menor a 2 nm (microporos). La activación lleva a la obtención de un producto con un área superficial extendida y extremadamente alta, que brinda una excelente capacidad de adsorción. Los carbones activados se dividen en dos tipos, dependiendo del procedimiento de activación utilizado para obtenerlos: activación térmica o activación química.

Carbones activados térmicamente

Este tipo de activación, también llamada activación física o con gases, se compone básicamente de dos pasos, uno después del otro:

(a) Carbonización: la materia prima con un contenido relativamente alto de carbono se piroliza a temperaturas que tienen un rango de 600–900 o C, en ausencia de oxígeno y la presencia de gases inertes.

(b) Activación térmica: en este paso, el material en su estado natural o previamente carbonizado se expone a una atmósfera oxidante que consiste en gases como vapor de agua, aire, dióxido de carbono o la combinación de ellos en un amplio rango de temperatura, de 500 a 1000 o C.

Las reacciones del carbón con el dióxido de carbono y el vapor de agua llevan al desarrollo de una estructura altamente porosa. Generalmente, la activación térmica se lleva a cabo con materiales previamente carbonizados, como coque de lignita de baja temperatura, carbón bituminoso y antracita; todos ellos se conocen como combustibles fósiles. Sin embargo, también pueden usarse fuentes de biomasa como turba y madera. Fuentes de coque de lignita de baja temperatura pueden activarse directamente, sin necesidad de pasar por el paso de carbonización. No obstante, para otras materias primas, el paso de la carbonización normalmente es inevitable ya que facilita mucho la activación subsecuente.

Carbones activados químicamente

La activación química generalmente se aplica a materias primas que contienen celulosa, como madera, aserrín o cáscaras de nueces. Estos materiales también se conocen como fuentes de biomasa. Para la activación química, se inicia impregnando la materia prima con compuestos químicos fuertemente deshidratantes y oxidantes. Los compuestos químicos típicos que se utilizan actualmente son el ácido fosfórico y el cloruro de zinc, aunque anteriormente se usaban también hidróxido de potasio, hidróxido de sodio y cloruro de calcio. Después de la impregnación, el material se calienta pirolíticamente a temperaturas de alrededor de 400–800 o C con el objeto de degradar la celulosa. La temperatura puede variar, dependiendo del tipo de agente activante. Finalmente, el carbón activado como producto final se obtiene lavando de manera repetida la mezcla resultante. Otro objetivo en este paso suele ser la recuperación del compuesto químico activante. A diferencia de la activación térmica, en la activación química la carbonización y la activación ocurren de manera simultánea. Por lo tanto, en contraste con la activación térmica en la que la carbonización y la activación normalmente se logran en dos hornos distintos, en la activación química se llevan a cabo en un solo horno. Las ventajas de la activación química respecto a la activación física son la operación a menores temperaturas y tiempos de activación más cortos. La activación química normalmente produce carbón activado en polvo. Usualmente se prefiere madera y aserrín para la fabricación de carbón activado en polvo con ácido fosfórico. Sin embargo, también puede producirse carbón activado granular por activación química. Para este propósito, se impregnan materias primas granulares con agentes activantes de la misma manera en que se hace esto para producir carbón activado en polvo.

Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Terminology, Wiley online Libraryhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471238961.0103200902011105.a01/figures