El principal mecanismo por medio del cual se retienen contaminantes orgánicos en la superficie del CAG (Carbón activado granular), es el de adsorción física, y como tal, es reversible. La teoría de adsorción señala que cambiando las condiciones en las que se encuentra el carbón, se podrá lograr la desorción o desprendimiento de los adsorbatos retenidos, dejando libre su superficie.
Sin embargo, la desorción puede ser muy lenta y puede no llegarse a restablecer toda o casi toda la capacidad original del carbón. Por otro lado, la quimisorción no es reversible, por lo que las moléculas retenidas por este otro mecanismo no se desprenderán. Y finalmente, existen moléculas inorgánicas que no han sido adsorbidas pero, que sí se depositan en la superficie del carbón. La eliminación de estas tampoco responderá a los métodos de desorción de moléculas adsorbidas físicamente.
Afortunadamente, la estructura grafítica del Carbón Activado granular hace de este sólido muy estable bajo condiciones muy distintas. Resiste temperaturas elevadas, así como cambios bruscos de la misma, es duro y resistente a la abrasión, no se ve afectado por ácidos, álcalis ni muy diversos solventes, aunque reacciona con oxidantes fuertes.
Basados en estas propiedades, existen métodos llamados de “reactivación” o de “regeneración”, con los que pueden eliminarse adsorbatos de diversa naturaleza y sustancias orgánicas e inorgánicas depositadas en la superficie del carbón. Dependiendo del adsorbato o del contaminante en cuestión, habrá que elegir el método adecuado.
A un CA que se retira del proceso en el que se utilizó, se le denomina “carbón agotado”, independientemente de que se deseche o de que se vaya a reactivar.
Cuando va a reactivarse un Carbón activado granular, es conveniente que el sistema de soporte del mismo sea de toberas y no de camas de grava o arena, para evitar que el carbón se mezcle con cierta cantidad de partículas de dichos materiales.
Tipos de reactivación
Reactivación con vapor de agua
Consiste en hacer circular vapor de agua a través de la cama de carbón, sin permitir que éste se condense, como en el caso de la sanitización con vapor. De esta manera se desorben moléculas orgánicas con una volatilidad menor o aproximadamente igual a la del agua ;es decir, con temperatura de ebullición menor a 100ºC a nivel del mar; y que habían sido retenidas por adsorción física.
Es un método muy utilizado para recuperar solventes en corrientes de aire, ya que las moléculas desprendidas mantienen su estructura original.
Como se menciona en la sección 1.7, el carbón se somete a ciclos alternativos de adsorción-desorción. En el primero, se retiene el solvente hasta que el carbón se satura. En el segundo, se desorbe el solvente, y la mezcla de éste y del vapor de agua se separa por decantación o destilación.
Para el caso de tratamiento de agua, la reactivación con vapor puede ser práctica en el caso de que el contaminante consista básicamente en olor o en compuestos de bajo peso molecular, y por lo tanto volátil. No es un método eficaz para el caso de carbón que se ha utilizado para declorar, ya que los óxidos superficiales generados en dicho proceso están fuertemente ligados.
Mientras mayor sea la presión del vapor utilizado, mayor será su temperatura, y por lo tanto será capaz de desorber compuestos más pesados. La máxima presión a la que se maneja el vapor de una manera práctica es de 6 Kg/cm2 (abs.), a la que le corresponde una temperatura de 160ºC.
Reactivación con gases calientes
Es igual a la anterior, pero se utilizan gases de combustión. En el caso de algunos estudios científicos a nivel laboratorio, en los que se requiere reactivar sin la interferencia de algún gas oxidante, la desorción se lleva a cabo mediante un gas inerte que se calienta de manera indirecta. También puede lograrse un resultado más rápido o eficiente mediante vacío.
Reactivación térmica
Es el método más utilizado, ya que elimina prácticamente todos los contaminantes orgánicos retenidos por adsorción física o química. También remueve algunos compuestos inorgánicos, y destruye óxidos y grupos superficiales. Por lo tanto, reactiva carbones utilizados en decloración o en la eliminación de cloraminas, permanganato de potasio, ozono y otros agentes oxidantes. Este método merece una sección especial, por lo que se describe con detalle en la sección 5.2
Reactivación con ácido
Cuando las partículas de un carbón presentan un color entre blanco y gris claro, lo más probable es que se encuentran envenenadas o bloqueadas con carbonato o con hidróxido de calcio. En estos casos, la reactivación térmica no logra eliminar dichos compuestos. En cambio, un lavado en una solución ácida sí lo hace.
Se puede utilizar cualquier tipo de ácido fuerte, pero el clorhídrico es el más común.
Se prepara la solución de alrededor de 5% en peso, y el carbón se inunda en ésta. El proceso de disolución de las sales de calcio es lento. El tiempo exacto varía dependiendo de qué tan envenenado se encuentra el carbón, pero puede estar entre 10 y 40 horas. Para lograr mayor rapidez en el proceso, se calienta la solución a 60 – 70ºC. Con esto el tiempo puede reducirse a un par de horas.
Una vez terminada la reactivación, el carbón debe haber recobrado su color negro. Esto no se nota mientras el carbón se encuentra húmedo, por lo que debe tomarse una pequeña muestra y ponerse a secar al mechero -o con un encendedor.
Reactivación mediante la modificación del pH en solución acuosa
Cuando la capacidad de retención de un adsorbato específico depende del valor del pH, puede aprovecharse esta condición para desorberlo, regenerando así al carbón. Por ejemplo, el fenol se adsorbe en cantidades relativamente altas a valores de pH bajos, y todo lo contrario a valores de pH altos. Por lo tanto, si el CAG saturado con este compuesto se lava con una solución al 4% de sosa, es posible disolver un buen porcentaje del mismo.
Este método no tiene aplicación en el ramo del tratamiento de agua, ya que no es aplicable para la mayoría de los contaminantes que normalmente retiene el CAG. Su uso se reduce a procesos muy específicos en los que el carbón se adsorbe un solo compuesto, como lo es el fenol.
Reactivación biológica
La reactivación biológica del CA sucede en el tratamiento de agua, ya que como se ha descrito, las bacterias que se desarrollan en la superficie del carbón se alimentan de la materia biodegradable adsorbida. Este beneficio también puede lograrse en el CA una vez que éste se ha retirado del proceso de adsorción. Para ello, el carbón se coloca en una columna por la que se recircula una solución aereada y rica en nutrientes, a modo de cama expandida. Este método ha encontrado aplicación en el ramo del tratamiento de aguas residuales, logrando un 80% de regeneración en 96 horas. Sin embargo, hasta el momento su uso no es frecuente.
Reactivación térmica y condiciones para que sea rentable
La reactivación térmica consiste en la eliminación de los adsorbatos de un carbón agotado mediante un horno igual al utilizado para la activación térmica de CA, pero a una menor temperatura y con una concentración más baja de vapor de agua. Mientras menos se acerque el proceso a las condiciones en las que se activa un carbón fabricado con la misma materia prima, menor será la cantidad de carbón que se pierda por oxidación.
Los gases que resultan del proceso de reactivación pueden contener contaminantes del aire. La tecnología más común para evitarlo consiste en un postquemador seguido de un lavador de gases -scrubber-. El postquemador oxida los compuestos orgánicos, y el lavador de gases retiene partículas sólidas y compuestos químicos solubles. Normalmente se utiliza agua en el lavador, pero si se espera que se liberen vapores ácidos, se utiliza una solución diluida de sosa.
La reactivación térmica de un carbón que no tenga la suficiente dureza, no resulta rentable ya que el proceso somete al carbón a una serie de movimientos y de acciones erosionantes -flujo de gases calientes y golpeteos- que lo rompen y disminuyen su tamaño. Por otro lado, los carbones menos duros son los más reactivos en presencia de gases oxidantes, y por lo tanto se convierten en CO2 con mayor facilidad.
En el horno de reactivación, suceden los siguientes fenómenos de manera secuencial:
- En una primera etapa, aumenta la temperatura del carbón hasta llegar a aquella que corresponde a la de ebullición del agua. Los adsorbatos más volátiles se desprenden y el agua se evapora. Mientras más húmedo entra el carbón a reactivarse, mayor cantidad de energía, de espacio de horno y de tiempo se destinan a la evaporación del agua. Es por esto que resulta conveniente decantar el carbón, y si es posible, pre-secarlo, antes de reactivarlo.
- El carbón continúa calentándose hasta alcanzar una temperatura de entre 300 y 450ºC. En ese lapso, se desorben otras moléculas orgánicas menos volátiles que el agua.
- Los compuestos orgánicos que no se han desorbido, se empiezan a descomponer. A esta descomposición se le llama pirólisis, y como resultado se forma carbón amorfo que sigue depositado sobre la superficie grafítica del CA.
- La temperatura sigue aumentando y al superar aproximadamente los 500ºC, el carbón amorfo que resultó de la etapa anterior, empieza a reaccionar con el vapor de agua, el oxígeno, el monóxido y el dióxido de carbono de la corriente de gases. Como resultado, se forman otras moléculas gaseosas de vapor de agua y de monóxido y dióxido de carbono. Las placas grafíticas que forman la estructura del CA son menos reactivas que los átomos de carbón amorfo, y es por ello que no reaccionan, o que no lo hacen de manera importante.
Hay que hacer notar que es fundamental mantener la proporción adecuada de vapor de agua en la mezcla de gases reactivantes, así como una concentración limitada de oxígeno. De no ser así, las altas temperaturas provocan que también se gasifique el carbón grafítico.
La experiencia con Carbón activado granular bituminoso y de concha de coco utilizado en el tratamiento de aguas residuales industriales y municipales indica que se pierde entre 8 y 15% de carbón por ciclo de reactivación. Estas pérdidas incluyen las que se deben a rompimientos durante el manejo y transporte. Mientras más duro es el carbón, menores son las pérdidas.
Comúnmente los quemadores de gas natural o gas LP se operan con un 10 a 20% en volumen de exceso de aire, buscando que los gases que salen del horno tengan un 1 a 2% de oxígeno. En relación al vapor de agua, la atmósfera en el horno de reactivación no requiere más de un 30% en mol de dicho elemento. Por razón de costos, se debe buscar la mínima relación vapor inyectado/carbón reactivado.
La acción del vapor de agua en el proceso de reactivación únicamente es efectiva a temperaturas mayores de 600ºC. Por lo tanto, si se alimenta carbón húmedo al horno, el vapor generado por calentamiento del mismo no tiene efecto en la reactivación -éste termina de formarse cuando el carbón no ha alcanzado los 150ºC.
Para restablecer la capacidad de adsorción de un carbón, se busca que a la salida del horno tenga la misma densidad aparente que tenía cuando era virgen. Un carbón reactivado puede tener un área superficial de entre 90 y 110% respecto a la del carbón virgen. En el segundo caso, esto se debe a que las condiciones del proceso fueron más allá de la reactivación, y produjeron poros nuevos.
Cuando va a reactivarse térmicamente un Carbon activado granular envenenado con carbonato de calcio, es importante empezar por lavar el carbón con ácido clorhídrico al 5% y a 60ºC, para eliminar este compuesto. En otras palabras, hay que empezar por una reactivación con ácido. La razón de ello es que el carbonato de calcio depositado en el carbón que entre al horno junto con éste, actuará como un catalizador de la reacción de gasificación del carbón grafítico.
Esto deriva no solo en mayores pérdidas de CA, sino en que sus poros se hacen más grandes. Es decir, al reaccionar algunas de las placas grafíticas, quedan espacios mayores entre las que quedan, y por lo tanto los poros resultantes son de mayor tamaño. Como consecuencia, el Carbón activado granular reactivado tendrá preferencia por moléculas de mayor tamaño.
Si un carbón tiene un exceso de sales de cloruro de sodio en sus poros, es conveniente lavarlo antes de meterlo al horno. Esto se debe a que dicho compuesto forma un eutéctico con la alúmina del refractario, mismo que funde a 760ºC. En otras palabras, el tiempo de vida del refractario disminuye. Para evitar este problema, se recomienda lavar el carbón en agua antes de alimentarlo al horno.
Otro problema típico en los hornos de reactivación es la formación de incrustaciones, que se deben a la presencia de sales de sodio y potasio y a los cambios bruscos de temperatura en el horno. Una de las razones más comunes de dichos cambios es la variación en el flujo de alimentación de carbón al horno. Cuando se forma la incrustación, ésta va creciendo hasta que se requiere parar el horno para retirarla manualmente. Si el horno es de tipo continuo, el paro tiene un costo muy alto.
En relación a la rentabilidad del proceso de reactivación térmica, la tecnología actual puede hacer atractivo al usuario la instalación de un horno propio cuando su consumo de carbón es superior a 250 – 500 Kg/día, siempre y cuando no exista cerca un fabricante de CAG que brinde el servicio de activación.
Aunque muchos productores de Carbón activado granular ofrecen el servicio de reactivación, este último representa una especialidad, ya que se requiere:
- Ajuste de las variables de operación del horno que es distinto respecto al proceso de activación.
- Posibilidad de variar sustancialmente el tiempo de residencia en el horno. Esto se debe a que el tiempo necesario para reactivar carbones es muy distinto dependiendo de la aplicación que tuvieron. Por ejemplo, un CAG utilizado en el tratamiento de aguas residuales industriales requiere 4 veces más tiempo que uno utilizado en la potabilización de agua.
- Controles de producción con los que se evite el mezclado entre carbones de distintos usuarios. Si el horno es de tipo continuo, como el rotatorio o el de etapas múltiples, hay que tener un especial cuidado puesto que el tiempo de residencia en el mismo es largo y es difícil separar un lote de otro.
- Contar con el servicio de reactivación con ácido para eliminar carbonato de calcio en caso de que éste exista.
- Posibilidad de cribar para obtener el tamaño de partícula especificado por el proceso del usuario.
Los fabricantes de carbón cobran por el servicio de reactivación con base en el peso de producto que sale del horno, y el precio suele ser de entre un 30 y un 50% del precio de un carbón virgen. Existe una cantidad mínima aceptada, que suele ser superior a 3 – 10 Ton. Los fletes no se incluyen, por lo que la distancia entre la planta del usuario y la de reactivación puede ser el factor que haga o no rentable la operación.
Actualmente, las normas ambientales de muchos países no permiten desechar un carbón agotado junto con los residuos sólidos municipales. Normalmente hay que pagar un precio mayor a las empresas que recolectan y reciben residuos sólidos industriales no peligrosos, por lo que hay que considerar este factor para realizar el análisis de costos.
Requerimientos técnicos y legales para reactivar térmicamente un Carbón activado granular cuando se considera residuo peligroso
En aquellos países que cuentan con una legislación avanzada en materia ambiental, existen normas con las que se determina qué materiales se consideran residuos peligrosos. Éstos deben tratarse de una manera especial, o deben enviarse a confinamientos que cuenten con los elementos técnicos que aseguren que no contaminarán el medio ambiente.
Un residuo puede considerarse peligroso de acuerdo a diversos criterios, como son : corrosividad, reactividad, explosividad, toxicidad, inflamabilidad o actividad biológica. Un carbón agotado se definirá como peligroso, dependiendo de la cantidad y el tipo de contaminantes que haya retenido.
Existen pruebas normalizadas con las que se analizan las diversas características de peligrosidad. En caso de que alguna de ellas diera como resultado el que un carbón deba considerarse como residuo peligroso, éste no podrá reactivarse o enviarse a reactivar a menos de que la empresa que vaya a realizar el tratamiento cuente con los permisos para llevarlo a cabo.
Estos permisos se otorgan cuando se demuestra que se cuenta con las instalaciones y personal técnico, así como con la metodología que aseguren un tratamiento apropiado del residuo.
En el caso del carbón agotado considerado como peligroso, y para el cuál deba aplicarse el método de reactivación térmica, en E.U. se requiere que el postquemador opere a una temperatura de entre 1000 y 1,100ºC y que los gases tengan un tiempo de residencia en el mismo de 2 seg como mínimo.
También se requiere de la torre lavadora, así como del reporte de análisis con el que se pueda demostrar que no se generan emisiones peligrosas durante la reactivación. Finalmente, hay que demostrar que el carbón queda libre de aquello que lo hacía peligroso antes del tratamiento.
La normatividad para el caso de residuos peligrosos, suele ser estricta en cuanto a informes y permisos que se requieren tanto al usuario o generador del residuo, como a las empresas que lo transportan, las que lo procesan o las que lo confinan. Entre otras cosas, las autoridades son escrupulosas en cuanto al destino final del material procesado. En el caso del Carbón activado granular habrá que informar el destino final que éste tendrá, y que en la mayoría de los casos estará limitado a la misma aplicación que tenía originalmente.
(2010) © Ing. Germán Groso Cruzado