En nuestro otro artículo, presentamos el carbón activado; su estructura, de qué está hecho, sus principales formas y cómo se produce. En este artículo, explicamos cómo funciona el carbón activado.
¿Adsorción de carbono?
Tenga en cuenta que existe una diferencia importante y clara entre ADsorción y ABsorción:
La adsorción es causada por las fuerzas de dispersión de London, que son un tipo de fuerza de Van der Waals o electrostática que existe entre todas las moléculas. Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas eléctricas no específicas y relativamente débiles que atraen moléculas neutras entre sí en líquidos, aire y gases.
Las fuerzas de dispersión de London son fuerzas de atracción de corto alcance y, por lo tanto, bastante sensibles a la distancia entre la superficie del carbón activado y la molécula que se adsorbe. Sin embargo, estas fuerzas son aditivas.
Esto significa que la fuerza de adsorción en el sitio de adsorción es la suma de todas las interacciones entre los átomos de carbono y la molécula a adsorber. El corto alcance y la naturaleza aditiva de estas fuerzas significan que el carbón activado se considera que tiene las fuerzas de adsorción física más fuertes y el mayor volumen de adsorción de cualquier material conocido.
Por lo tanto, las fuerzas de adsorción más fuertes ocurren cuando la distancia entre las plaquetas de carbono y la molécula a adsorber es muy pequeña, por lo que hay una energía de adsorción máxima.
La adsorción es la deposición de compuestos (adsorbatos) de agua o solución o la condensación de gases sobre la superficie del carbón activado (o adsorbente). Estos adsorbatos experimentan un cambio de fase al adsorberse porque su energía es mucho menor una vez adsorbidos. Por lo tanto, la adsorción realmente tiene lugar a través de interacciones energéticas y no a través de un proceso de tamizado molecular.
Sin embargo, el carbón activado no se hincha como una resina de intercambio iónico o una esponja. Esto se debe a que todo el trabajo ocurre en lo profundo de la estructura del carbono, donde la molécula adsorbente desplaza cualquier molécula de agua retenida en el área de la superficie interna.
Las moléculas contaminantes se mantienen eficazmente en su lugar en la superficie interior del carbono y se eliminan debido a las numerosas interacciones que se producen en el «poro» del carbono.
Estructura del carbón activado
Un lecho de carbón activado consta de aproximadamente
- un 40 % que son los huecos entre las partículas de carbono que constituyen el volumen drenable si el lecho de carbono está en solución.
- un 20 % se considera el volumen de la propia partícula de carbono que comprende el esqueleto de carbono.
- un 40 % se considera el «volumen total de poros» dentro de la partícula de carbono, que es el volumen no drenable.
Luego, tomando solo el gránulo o partícula de carbono individual, este consiste aproximadamente en: –
- un 35 % como volumen del esqueleto de carbono,
- un 25 % como volumen de «poros de transporte»
- un 40 % como volumen de «poros de adsorción»
El volumen de «poros de transporte» comprende poros grandes que varían en tamaño desde los más grandes de 0,1 micras hasta grietas y fisuras visibles en la partícula de 0,1 mm.
Estos «poros de transporte» actúan como una vía de difusión para transportar el contaminante desde fuera de la estructura del carbono, hacia la partícula y hasta el sitio de adsorción. Contienen gradientes de concentración o presión que impulsan el proceso de difusión de poros y, por lo tanto, el contaminante hacia los sitios de adsorción.
Estos poros son mucho más grandes que los poros de adsorción más grandes y no pueden adsorber contaminantes, incluso en condiciones cercanas a la saturación. Por lo tanto, cualquier solución en estos poros se considera potencialmente recuperable.
La siguiente ilustración muestra un compuesto adsorbente (adsorbato) en un líquido que se difunde a través del lecho de carbón activado, a través de la propia partícula y luego hacia el sitio de adsorción.
Los «poros de adsorción» son los poros más finos de la estructura del carbono y aquellas partes de la estructura del carbono que tienen la capacidad de adsorción. Estos poros de adsorción son los huecos, grietas y fisuras entre las placas de grafito donde existen fuerzas intermoleculares suficientes para que se produzca la adsorción. Las anchuras de esta estructura son de dimensiones moleculares y no superiores a 10 a 50 nm.
La adsorción solo ocurre en las regiones de los poros de adsorción y, en la saturación, todas las regiones de los poros de adsorción se llenan. Por lo tanto, cualquier solución en estos poros se considera no recuperable.
La molécula a adsorber necesita estar cerca de una placa de carbono para adsorberse. Una vez que el adsorbato está a más de unas pocas diámetros moleculares de la superficie del carbono, la adsorción ya no ocurre.
¿Cómo funciona el carbón activado?
El carbón activado funciona mediante un proceso de adsorción debido a su estructura porosa, alta superficie y alta reactividad superficial.
Los factores clave que afectan la adsorción en el carbón activado son:
- Concentración: el porcentaje de carga en peso en el carbono aumenta a medida que aumenta la concentración del contaminante de entrada.
- Complejidad estructural: las estructuras más complejas se adsorben más fácilmente.
- Peso molecular: cuanto mayor sea el peso molecular del contaminante, mejor se adsorbe.
- Temperatura: cuanto mayor sea la temperatura del afluente, peor se adsorbe el contaminante.
En la fase líquida, las moléculas del compuesto a eliminar pasan del líquido a granel a ser adsorbidas en los poros del carbón activado, en un estado semilíquido. El factor adicional que afecta la adsorción en la fase líquida es
- Solubilidad: cuanto mayor sea la solubilidad, más difícil será adsorber.
Por lo tanto, la adsorbibilidad de una molécula orgánica aumenta con el aumento del peso molecular y la disminución de la solubilidad.
La fase de vapor o gas es un proceso de condensación donde las fuerzas de adsorción condensan las moléculas del compuesto en un líquido. Esto puede eliminarse de la fase de aire o gas dentro de los poros del carbón activado. Los factores adicionales que afectan la adsorción en la fase de vapor son:
- Presión de vapor: los compuestos con menor presión de vapor son más adsorbibles que los compuestos con alta presión de vapor.
- Humedad relativa: una menor humedad relativa conduce a una mejor adsorción.
- Polarizabilidad: cuanto mayor sea la polaridad, más difícil será adsorber.
Sin embargo, la vida útil real de un lecho de carbono depende de muchos otros factores. Estos incluyen el tipo de carbono seleccionado, el contaminante específico y la concentración a eliminar, y luego el nivel de tratamiento requerido para el contaminante o contaminantes.
Además, las condiciones generales de la aplicación son importantes. Estas incluyen qué otros compuestos pueden estar presentes y sus concentraciones, y el diseño del sistema instalado o planificado, que incluye el EBCT (tiempo de contacto en lecho vacío).
¿Qué compuestos pueden adsorberse en carbón activado?
Todos los compuestos son adsorbibles hasta cierto punto en carbón activado. Aquellos compuestos que se adsorben fácilmente son los compuestos aromáticos y clorados, PFAS, COV y cuerpos de color.
En la práctica, el carbón activado se utiliza principalmente para la adsorción de compuestos orgánicos y algunos compuestos inorgánicos cuando se utiliza un carbón activado impregnado.
Dependiendo de la aplicación, pueden ser necesarios diferentes tipos de carbón activado. Es importante seleccionar el grado y tamaño apropiados en relación con el contaminante que se pretende eliminar o el grado de pureza que se desea alcanzar.
En Chemviron, contamos con más de 80 años de experiencia en el diseño, fabricación e implementación de soluciones de carbón activado, durante los cuales hemos desarrollado una biblioteca de datos de campo e información de rendimiento.
Utilizando estos datos y nuestros modelos propietarios, Chemviron puede predecir mejor el rendimiento probable del carbón activado. Por lo tanto, podemos personalizar soluciones de tratamiento más efectivas basadas en el concepto de energía de adsorción, en lugar de las definiciones ahora más antiguas de micro, meso y macroporos.
Consulte las siguientes secciones donde se cubren con más detalle los compuestos específicos a eliminar.
