En la mayoría de sus aplicaciones, el carbón activado se utiliza para adsorber moléculas formadas por una alta proporción de uniones covalentes: tal es el caso de las uniones carbono-carbono o carbono-hidrógeno de los compuestos orgánicos. El carbón activado también se utiliza como reactivo o como catalizador, como ocurre en la decloración de agua, que es una de las aplicaciones más comunes del carbón activado en México. La reacción de decloración (eliminación de cloro libre, para convertirlo en ion cloruro) es:
HOCl(l) + C(s) ➜ CO* + H+(l) + Cl–(l)
en donde HOCl(l) es el ácido hipocloroso, C(s) es el carbón activado, y CO* representa un óxido de carbono que puede quedar ligado a la superficie del carbón activado, o que puede disolverse en la solución, como ácido carbónico.
La reacción anterior no es la única que ocurre cuando se declora agua con carbón activado; existen otras en las que el carbón participa como reactivo o como catalizador.
Digamos que la “capacidad operativa” de un carbón activado es la cantidad de fluido (gas o líquido) que puede tratar para lograr una calidad determinada. Esta calidad se puede medir en términos de DQO, color, aroma, cloro libre o de algún compuesto o familia de compuestos específicos. El “punto de ruptura” ocurre en el momento en el que el efluente del equipo que contiene al carbón activado presenta una calidad inadmisible. En dicho momento, hay que cambiar el carbón, por lo que ha terminado su tiempo de vida útil. El carbón utilizado debe desecharse o reactivarse.
La única manera con la que puede valorarse con precisión la capacidad operativa de un carbón activado granular, es en campo.
Productores y usuarios de carbones activados granulares han buscado variables fisicoquímicas sencillas de medir y que reflejen la capacidad operativa del carbón. Entre dichas variables, se encuentran la capacidad de adsorción de yodo, fenol, azul de metileno, melazas, tetracloruro de carbono, butano y otras.
La variable que ha resultado más aceptada comercialmente es el número de yodo (índice de yodo), que corresponde a los miligramos de yodo que adsorbe un gramo de carbón (en base seca), cuando la concentración residual de yodo en la solución es 0.02 N.
El número de yodo ha sido tan bien aceptado, que el precio de la mayoría de los carbones activados estándar que se comercializan, depende en gran medida de su valor.
Existen dos razones por las que el número de yodo ha sido bien acogido como variable para evaluar carbones: (a) En cierto tipo de carbones que se activan bajo determinadas condiciones, el número de yodo ha mostrado ser relativamente proporcional al área superficial del carbón (área que se determina por adsorción de nitrógeno); y (b) El material y los reactivos para medir el número de yodo son baratos, y el tiempo requerido para llevar a cabo el análisis es relativamente corto.
Desafortunadamente, la realidad es que el número de yodo está muy lejos de reflejar, tanto el área superficial de un carbón activado, como su capacidad operativa. Tan es así, que en el área de las ciencias, no se utiliza el número de yodo como variable de valoración de carbones.
Profundizando en el tema, podemos decir lo siguiente:
1 .El número de yodo solo es proporcional al área superficial de pocos carbones activados.
En la determinación del número de yodo, la molécula que se adsorbe en el carbón es el ion triyoduro: I3-1. Ya que es se trata de un anión, los óxidos superficiales que se encuentran en el carbón activado lo repelen. Por lo tanto, mientras más óxidos superficiales contiene un carbón activado, su número de yodo será menor, aunque su área superficial no cambie.
2. Aunque el número de yodo fuese proporcional al área superficial de cualquier carbón activado, la capacidad de adsorción de yodo no es proporcional a la capacidad de adsorción de otras moléculas.
Esto es así por dos razones:
2.1 La capacidad de adsorción de un carbón activado depende de la relación entre el tamaño-forma de la molécula que se desea retener, y la distribución del tamaño de los poros del carbón.
Moléculas de mayor tamaño que el diámetro de un poro, no entran en el mismo. Y moléculas mucho menores que el diámetro de un poro, se adsorben con menor fuerza y, por lo tanto, con menor eficacia.
2.2 La capacidad de adsorción de un carbón activado depende de la estructura química de la molécula que se desea retener y la química superficial del carbón.
Debido a lo anterior, no forzosamente un mayor número de yodo corresponde a una mayor capacidad de adsorción de la molécula (o familia de moléculas) que deseamos adsorber. Es común encontrar gráficas como la siguiente en la bibliografía:
3. En la mayoría de las aplicaciones del carbón activado granular, su capacidad operativa depende no solo de su capacidad de adsorción (que, más propiamente hablando, se denomina “capacidad de adsorción en el equilibrio” o “capacidad de adsorción cuando se alcanza el equilibrio”), sino de la cinética (velocidad) con la que trabajan).
La cinética con la que trabaja un carbón activado granular depende de:
3.1 La distribución del tamaño de sus poros, así como del diámetro de poro predominante. A mayor diámetro de poros, la cinética con la que trabaja el carbón activado es mayor.
3.2 La distribución del tamaño de partícula del CAG. A menor tamaño de partícula, el carbón activado granular presenta mayor cinética.
Una manera de mostrar esto último es a través del siguiente esquema, en el que se alimentan dos columnas de carbón activado granular, con la misma solución, el mismo flujo instantáneo, el mismo tipo y cantidad de carbón activado. La única diferencia entre ambas columnas, es que, en la de la derecha, el tamaño promedio de las partículas de carbón es menor. Si se mide la profundidad de la cama de carbón en la que se lleva a cabo el proceso de adsorción (profundidad que se denomina “zona de transferencia de masa”, ZTM), se encuentra que mientras menor es el tamaño de partícula, menor será la altura de la ZTM. Y ya que la ZTM es menor para el carbón de menor tamaño de partícula, el punto de ruptura se presentará más tarde, y este carbón tendrá una mayor capacidad operativa.
De todo lo anterior se puede concluir que el número de yodo no es una variable con la que pueda medirse de manera directa la capacidad de un carbón para adsorber una molécula que no sea el ion triyoduro. Y, mucho menos, puede ser una variable con la que pueda predecirse la capacidad operativa de un carbón activado granular.
Lo que sí podría ser de cierta utilidad para predecir la capacidad operativa restante de un carbón activado que se encuentra en uso, es medir el número de yodo cuando ocurra el punto de ruptura, y utilizar este dato para intentar predecir el momento aproximado del punto de ruptura para futuros ciclos de operación, siempre y cuando se utilice el mismo carbón activado granular comercial y siempre y cuando no cambie sustancialmente la composición de la solución que se trata con el carbón activado.