El carbón activado o carbón activo es carbón poroso que atrapa compuestos, principalmente orgánicos, presentes en un gas o en un líquido. Lo hace con tal efectividad, que es el purificante más utilizado por el ser humano.
Los compuestos orgánicos se derivan del metabolismo de los seres vivos, y su estructura básica consiste en cadenas de átomos de carbono e hidrógeno. Entre ellos se encuentran todos los derivados del mundo vegetal y animal, incluyendo el petróleo y los compuestos que se obtienen de él.
A la propiedad que tiene un sólido de adherir a su paredes una molécula que fluye, se le llama “adsorción”. Al sólido se le llama “adsorbente” y a la molécula, “adsorbato”.
Después de la filtración -que tiene por objeto retener sólidos presentes en un fluido-, no existe un sólo proceso de purificación con más aplicaciones que el carbón activado. Entre ellas están:
- Potabilización de agua (el carbón retiene plaguicidas, grasas, aceites, detergentes, subproductos de la desinfección, toxinas, compuestos que producen color, compuestos originados por la descomposición de algas y vegetales o por el metabolismo de animales…)
- Deodorización y purificación de aire (por ejemplo, en respiradores de cartucho, sistemas de recirculación de aire en espacios públicos, venteos de drenajes y plantas de tratamiento de agua, casetas de aplicación de pinturas, espacios que almacenan o aplican solventes orgánicos…)
- Tratamiento de personas con intoxicación aguda (el carbón activado se considera el “antídoto mas universal”, y se aplica en salas de urgencias y hospitales)
- Refinación de azúcar (el carbón retiene las proteínas que dan color al jugo de caña; el objetivo fundamental de este proceso es evitar que el azúcar fermente y se eche a perder)
- Decoloración de aceites vegetales (como el de coco), glucosa de maíz y otros líquidos destinados a la alimentación
- Decoloración y deodorización de bebidas alcohólicas (como vinos de uva y destilados de cualquier origen)
- Recuperación de oro (el oro que no se puede separar de los minerales por los procesos de flotación, se disuelve en cianuro de sodio y se adsorbe en carbón activado)
¿Qué le da al carbón activado la propiedad de adsorber, principalmente moléculas orgánicas?
Cualquier partícula de carbón tiene la capacidad de adsorber. Es por ello que algunas personas colocan carbón de leña en el refrigerador para eliminar los olores. Lo mismo sucede si se coloca carbón en un recipiente con agua: elimina color, sabor y olor. O bien, en el campo, las personas queman tortilla y la ingieren para aliviarse de problemas digestivos (como infecciones ligeras, indigestión o flatulencia).
Activar un carbón consiste en hacerlo poroso para ampliar su capacidad de adsorción. Un gramo de carbón de leña tiene un área superficial de alrededor de 50 m2. Con la activación, ésta llega a 600 u 800 m2. Es decir, aumenta entre 12 y 16 veces.
Los átomos de carbono que forman un sólido al que llamamos “carbón”, se ligan entre sí mediante uniones de tipo covalente. Cada átomo comparte un electrón con otros cuatro átomos de carbono (hay que recordar que en las uniones iónicas, el átomo más electronegativo le roba uno o más electrones al otro).
Los átomos que no están en la superficie, distribuyen sus cuatro uniones en todas las direcciones. Pero los átomos superficiales, aunque están ligados con otros cuatro, se ven obligados a hacerlo en menor espacio, y queda en ellos un desequilibrio de fuerzas. Ese desequilibrio es el que los lleva a atrapar una molécula del fluido que rodea al carbón.
La fuerza con la que el átomo superficial de carbono atrapa a la otra, se llama “Fuerza de London”, que es uno de los siete tipos de “fuerzas de Van der Waals”. Se considera una unión fisicoquímica, suficientemente fuerte para retener al adsorbato, pero no tan fuerte como para considerarla una unión química irreversible que forma una nueva estructura molecular. Por ello, la adsorción es reversible y el carbón activado puede reactivarse para utilizarse de nuevo.
Como dijimos, las moléculas que adsorbe el carbón tienden a ser covalentes; no iónicas, pues estas últimas tratarían de robar o de donar electrones a los átomos de carbono. Las uniones entre átomos de carbono e hidrógeno son covalentes, y es por ello que el carbón es un buen adsorbente de moléculas orgánicas.
No todas las moléculas orgánicas tiendan a ser covalentes. Suelen contener átomos de oxígeno, azufre y otros de alta electronegatividad, que dan tendencia iónica a la parte de la molécula que los contiene. Por otro lado, no todas las moléculas inorgánicas tienden a ser iónicas; también las hay de tendencia covalente. Tal es el caso del dicianuro de oro, que hace del carbón activado una parte esencial del proceso de extracción de este metal precioso.
¿A partir de qué materias primas puede obtenerse un carbón activado?
En teoría, podría activarse cualquier partícula de carbón. No obstante, si el carbón está muy ordenado (como es el caso del diamante o el grafito), es difícil eliminar algunos átomos de carbono para generar poros.
Una manera de clasificar carbones, se basa en el grado de “coquización” u ordenamiento de sus átomos de carbono. Mientras menos ordenados, el carbón es menos duro y puede activarse con mayor facilidad.
Las materias primas más utilizadas para fabricar carbón activado son: maderas poco duras (como la de pino), carbones minerales (ligníticos, bituminosos y de antracita) y cáscaras o huesos de vegetales (concha de coco, hueso de aceituna o de durazno, cáscara de nuez).
Los carbones activados fabricados a partir de maderas poco duras, forman poros de diámetro grande, y son particularmente adecuados para decolorar líquidos.
Los que se fabrican a partir de carbones minerales, tienden a formar una amplia gama de poros; suelen ser más adecuados para aplicaciones en las que los compuestos que buscan retenerse son de distintos tamaños moleculares.
Los que parten de cáscaras o huesos duros, forman poros pequeños, y se aplican en el tratamiento de gases o en la potabilización de aguas que provienen de pozos.
¿Qué forma física tiene un carbón activado?
El carbón puede producirse en forma de polvo, de gránulos o de pelets cilíndricos.
El polvo sólo se aplica en la purificación de líquidos; el carbón se dosifica en un tanque con agitación y luego se separa del líquido por medio de un filtro adecuado para retener partículas pequeñas (como es el filtro prensa).
En el caso del carbón granular, se produce en diferentes rangos de partícula, que se especifican con base en la granulometría o número de malla. Una malla 4, por ejemplo, es la que tiene cuatro orificios en cada pulgada lineal. Se aplican, tanto en la purificación de líquidos como de gases.
Los pelets se aplican normalmente en el tratamiento de gases, ya que su forma cilíndrica produce una menor caída de presión.
Para el caso de que se desea un carbón granular o pelet, si la materia prima no es suficientemente dura, se puede reaglomerar con un agente ligante que le imparte dureza para evitar que se rompa al paso del fluido.
¿Cómo se activa un carbón?
El carbón puede activarse mediante procesos térmicos o químicos. Los procesos térmicos consisten en provocar una oxidación parcial del carbón, para lograr que se formen los poros, pero evitando que se gasifique y se pierda más carbón del necesario. Esto ocurre a temperaturas que están entre los 600 y los 1100 °C, y en una atmósfera controlada (que se logra mediante la inyección de una cantidad adecuada de vapor de agua o de nitrógeno).
Los procesos químicos parten de la materia prima antes de carbonizarse. Los reactivos son agentes deshidratantes (como ácido fosfórico) que rompen las uniones que ligan entre sí a las cadenas de celulosa. Después de esta etapa, el material se carboniza a una temperatura relativamente baja (de unos 550 °C) y luego se lava para eliminar los restos de reactivo y de otros subproductos.
Los hornos en los que se activa un carbón térmicamente o en los que se carboniza un carbón previamente tratado con un químico, pueden ser rotatorios o verticales (de etapas).
¿Cuál es la capacidad de adsorción del carbón activado?
La capacidad de un carbón activado para retener una sustancia determinada no sólo está dada por su área superficial, sino por la proporción de poros cuyo tamaño sea el adecuado, es decir, un poco adecuado tiene un diámetro de entre una y cinco veces la molécula de que se va a adsorber.
Si se cumple esta condición, la capacidad de un carbón activado puede ser de entre el 20% y el 50% de su propio peso.
¿Cómo elimina el carbón activado el cloro libre presente en el agua?
La decloración consiste en un mecanismo complicado que puede seguir distintos caminos de reacción en los que el CA puede intervenir como reactivo o como catalizador.
El cloro libre puede adicionarse al agua en forma de cloro gas, solución de hipoclorito de sodio, o tabletas -gránulos- de hipoclorito de calcio.
En cualquiera de estos casos, el cloro queda disuelto en forma de ácido hipocloroso (HOCl), un ácido débil que tiende a disociarse parcialmente.
Las distribución entre ácido hipocloroso y ión hipoclorito depende del pH y de la concentración de estas especies. A ambas formas moleculares se les define como cloro libre.
Las dos son fuertes oxidantes que al ser adicionados al agua reaccionan de manera casi inmediata con impurezas orgánicas e inorgánicas, y ejercen un efecto biocida en los microorganismos.
El cloro que reacciona y el que interviene en esta etapa de desinfección, deja de ser libre y queda combinado y deja de ser libre. Una vez terminada esta etapa, es necesario eliminar el cloro libre residual, mediante carbón activado granular.
Cuando el carbón se expone al cloro libre, se llevan a cabo reacciones en las que el HOCl o el OCl- se reducen a ión cloruro. Dicha reducción es el resultado de distintos caminos de reacción posibles.
En dos de los más comunes, el CAG actúa de acuerdo con las siguientes reacciones:
- En donde C* representa al carbón activado. C*O y C*O2 son óxidos superficiales, que poco a poco van ocupando espacios que, al quedar bloqueados, ya no participan en la reacción. Algunos de estos óxidos se liberan hacia la solución como CO y CO2. Esto vuelve a dejar espacios disponibles que por lo tanto aumentan la capacidad del CAG para esta reacción.
- En cuanto al , también se acumula en la superficie del carbón durante los primeros momentos de operación. Al seguir llegando HOCl o a la superficie del carbón, la reacción se hace un poco más lenta, y entonces se empieza a liberar el . Esta disminución de velocidad se debe al envenenamiento del carbón con los óxidos superficiales. Dicho envenenamiento continúa de manera gradual, mientras disminuye la capacidad, tanto de adsorción como de decloración del CA.
En las reacciones anteriores puede intervenir en lugar de HOCl, con la diferencia que no se produce H+. Puede observarse que el CA reacciona y por lo tanto desaparece. Si no hubiera acumulación de óxidos superficiales, la reacción continuaría hasta la desaparición completa del carbón.
¿Qué tipo de carbón es el más adecuado para decolorar?
Los colores que se manifiestan en líquidos suelen ser moléculas de tamaño relativamente grande. Por lo tanto, se adsorben en poros grandes, lo que hace que los carbones más adecuados para retenerlos sean los de mayor macroporosidad.
Los carbones de madera, particularmente los de maderas no muy duras (como pino) que se activan químicamente, son los más macroporosos y, por lo tanto, son los más adecuados para decolorar.
El problema de estos carbones es que son poco duros y poco resistentes a la abrasión, lo que obliga a aplicarlos en forma de polvo. Cuando se requiere que el carbón decolorante sea granular, la mejor alternativa suele ser un carbón de lignita. Es el carbón mineral de mayor macroporosidad.
¿Qué tipo de carbón activado es el más adecuado para potabilizar agua?
Los contaminantes típicamente presentes en aguas de pozo suelen ser de bajo peso molecular y, para estos casos, el carbón más adecuado es uno de alta microporosidad.
Los carbones que mejor cumplen con esta condición son, en primer lugar, los de concha de coco y, posteriormente, los minerales bituminosos.
¿Por qué varía el pH del agua cuando se instala un carbón virgen?
Cuando un carbón se activa químicamente, es impráctico e innecesario que el fabricante elimine del producto final todo el químico utilizado. Por lo tanto, si el químico fue un ácido, disminuirá el pH de los primeros litros de agua que entran en contacto con el carbón. Ocurrirá lo contrario si el químico utilizado fue un álcali.
En el caso de un carbón activado térmicamente (sin la presencia de otros químicos que no sean vapor de agua y gases de combustión), aumenta el pH de los primeros litros de agua que se trata con el mismo.
Esto se debe a que todos los vegetales tienen cantidades importantes de sodio, potasio, calcio y otros catiónes que, en el proceso de carbonización, permanecen en el carbón en forma de óxidos. Estos óxidos se convierten en hidróxidos al entrar en contacto con el agua, se disuelven en la misma y aumentan su pH.
Cuando no varía el pH de los primeros litros de agua que entran en contacto con un carbón, puede tratarse de un carbón de pH ajustado o de un carbón ultrapuro (libre de solubles).
¿Qué tipo de carbón activado es el más adecuado para purificar aire y gases?
Todos los contaminantes en estado gaseoso tienen diámetros moleculares menores a 2 nm. Esto significa que se adsorben preferentemente en microporos. Los carbones de concha de coco son los de mayor microporosidad y, por lo tanto, son los más usados en la purificación de aire y gases.
Existen los carbones activados de estructura modificada, carbón activado especial, que se utilizan cuando un carbón activado estándar no puede retener otros compuestos no orgánicos.