Carbón activado (CA)

Carbón activado (CA)

El carbón activado es un medio adsorbente altamente poroso con una estructura compleja, compuesta principalmente por una estructura desordenada de átomos de carbono que puede llegar a desarrollar áreas superficiales del orden de 1500 m2 ó más por gramo de carbón. El CA está compuesto por láminas tipo grafeno llamadas planos basales, acopladas por uniones al azar. Estos planos basales están apilados irregularmente, al contrario del acomodo ordenado de las láminas de grafito y como consecuencia se encuentran rodeados por un enjambre de electrones desapareados. Los enlaces aleatorios de los planos basales resultan en una estructura altamente porosa, con rupturas y hendiduras entre las láminas de carbono (Boppart et al., 1996).

Desde tiempos ancestrales, el CA se ha conocido por ser un material eficiente como medio adsorbente y en nuestros días, no sólo es utilizado en la vida doméstica sino también en varios procesos industriales, incluyendo el tratamiento terciario de residuos. La capacidad de adsorción del CA recae en su alta porosidad, área superficial, polaridad química y reactividad. Estas características hacen del CA un material versátil para su aplicación en diferentes ámbitos, especialmente desde el punto de vista químico y ambiental.

A través de los años, la producción del carbón activado se ha convertido en una metodología prácticamente bien definida y establecida. Involucra principalmente las siguientes etapas: preparación de materia prima, carbonización y activación. Las propiedades finales dependen de la naturaleza del material de partida y del proceso de carbonización-activación, por lo que las condiciones de selección de materia prima y preparación del CA, son cuidadosamente controladas para alcanzar la estructura porosa y la fuerza mecánica deseada. Las materias primas para producir carbones activados son aquellas con alto contenido de carbono y bajo contenido de materiales inorgánicos, tales como: antracita, carbones bituminosos, turba, madera, carbón, huesos, cáscaras de coco, nueces de frutas y otros productos de origen lignocelulósico (González, 2005).

En las últimas décadas, la búsqueda de materias primas para la producción de CA, se ha centrado en el aprovechamiento de recursos renovables y el uso de materiales residuales de la industria de transformación o de residuos agrícolas. Esta alternativa resulta atractiva pues contribuye a disminuir los costos de materia prima y se favorece la gestión de residuos y disminuye su impacto en el medio ambiente (Dias et al., 2007). De esta manera, los nuevos métodos de producción de CA, la optimización de sus propiedades y las aplicaciones a las que es sometido hacen del CA un material de continuo interés científico e industrial.

a) Procesos de obtención

La conversión de diferentes materiales precursores a estructuras desordenadas, o bien del tipo grafito, se logra por varios métodos ya sea físicos o químicos, donde el proceso de activación es determinante para el desarrollo de la porosidad que prematuramente se genera durante la carbonización. Los materiales resultantes contienen una nube de electrones desapareados alrededor de los átomos de carbono, que favorece la atracción de diferentes especies desde un medio circundante hacia el adsorbente. Estos procesos, que se realizan como etapas, se describen a continuación:

• Carbonización. Involucra principalmente la conversión de un material con alto contenido de carbono en una estructura carbonosa desordenada. Por incremento de la temperatura, los compuestos de bajos peso molecular y punto de ebullición se desprenden promoviendo la formación de una red aleatoria de átomos de carbono. El tratamiento térmico de la materia prima, se da en primer lugar entre los 400 y 500 ºC para eliminar la materia volátil presente (Yang, 1987). Las estructuras carbonosas resultantes de esta etapa, tienden a ordenarse a formas hexagonales tipo grafito en la etapa de activación. Los procesos combinados de carbonización-activación, tienen la ventaja de disminuir el tiempo de descomposición térmica y los requerimientos energéticos; sin embargo, los rendimientos obtenidos son bajos.
• Activación. Consiste en incrementar la cantidad de poros de un material. Esto es posible reordenando los átomos de carbono para formar anillos de cinco, seis o siete átomos dando como resultado una pequeña unidad grafénica. Por unión aleatoria de estas láminas se establece una red tridimensional desordenada entre la que existe porosidad. De acuerdo a la aplicación que se persiga o las características deseadas (área superficial, volumen de contacto, densidad y distribución de tamaño de poro) se han desarrollado dos procesos principales de activación (Marsh y Rodríguez-Reinoso, 2006).

La activación física generalmente incluye las etapas de carbonización y activación, o bien, ambos procesos combinados. La activación se realiza entre 400 y 1000 ºC en una gasificación parcial con un agente oxidante (vapor de agua, aire, dióxido de carbono, nitrógeno y oxígeno) para desarrollar la porosidad y el área superficial deseadas. En estas condiciones el carbón reacciona formando monóxido de carbono e hidrógeno en fase gas. La activación con vapor de agua de un carbón se puede describir mediante la siguiente reacción:

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El desprendimiento de gases ayuda a mantener la temperatura de activación y da lugar a la formación de micro, meso y macroporos. Inicialmente se forman los microporos, una activación prolongada se traduce en el crecimiento de éstos a mesoporos y eventualmente a macroporos pequeños. El proceso de activación puede ser acelerado por las impurezas presentes en el carbón, principalmente ceniza, formando más macroporos (Boppart et al, 1996).

La activación química, de manera general, consiste en la mezcla de la materia prima con un fuerte agente deshidratante como ácido fosfórico, sulfúrico, cloruro de zinc o hidróxidos de sodio y potasio, seguido de una etapa de carbonización a determinada temperatura y la posterior eliminación del agente activante por lavado. El carbón resultante desarrolla una estructura altamente porosa particularmente en el rango de los microporos (Nakagawa, 2007). En el caso de los precursores de origen lignocelulósico, la impregnación del material con los agentes deshidratantes previamente mencionados origina el aumento de las dimensiones de los canales presentes en la estructura inicial, lo que permite un mejor acceso del agente activante y por lo tanto favorece el desarrollo de la porosidad.

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