Nel nostro altro articolo, abbiamo introdotto il carbone attivo; la sua struttura, di cosa è fatto, le forme principali e come viene prodotto. In questo articolo, spieghiamo come funziona il carbone attivo.
Adsorbimento del carbonio?
Nota che esiste una differenza importante e netta tra ADsorbimento e ABsorbimento:
L’adsorbimento è causato dalle forze di dispersione di London, un tipo di forza di Van der Waals o elettrostatica che esiste tra tutte le molecole. Le forze di Van der Waals sono non specifiche e sono forze elettriche relativamente deboli che attraggono le molecole neutre l’una verso l’altra nei liquidi, nell’aria e nei gas.
Le forze di dispersione di London sono forze di attrazione a corto raggio e quindi piuttosto sensibili alla distanza tra la superficie del carbone attivo e la molecola che viene adsorbita. Tuttavia, queste forze sono additive.
Ciò significa che la forza di adsorbimento nel sito di adsorbimento è la somma di tutte le interazioni tra gli atomi di carbonio e la molecola da adsorbire. Il corto raggio e la natura additiva di queste forze fanno sì che il carbone attivo sia considerato il materiale con le forze di adsorbimento fisico più forti e il più alto volume di adsorbimento tra tutti i materiali conosciuti.
Pertanto, le forze di adsorbimento più forti si verificano quando la distanza tra le piastrine di carbonio e la molecola da adsorbire è molto ravvicinata, garantendo così la massima energia di adsorbimento.
L’adsorbimento è la deposizione di composti (adsorbati) dall’acqua o da una soluzione, oppure la condensazione di gas sulla superficie del carbone attivo (o adsorbente). Questi adsorbati subiscono un cambiamento di fase durante l’adsorbimento perché hanno un’energia molto più bassa una volta adsorbiti. L’adsorbimento avviene quindi realmente attraverso interazioni energetiche e non attraverso un processo di setacciatura molecolare.
Tuttavia, il carbone attivo non si gonfia come una resina a scambio ionico o una spugna. Questo perché tutto il lavoro avviene in profondità nella struttura del carbonio, dove la molecola adsorbente sposta le molecole d’acqua trattenute sulla superficie interna.
Le molecole contaminanti sono efficacemente trattenute sulla superficie interna del carbonio e rimosse grazie alle numerose interazioni che avvengono nei “pori” del carbonio.
Struttura del carbone attivo
Un letto di carbone attivo è composto approssimativamente dal:
- 40% di vuoti tra le particelle di carbonio, che rappresentano il volume drenabile se il letto di carbone è in soluzione.
- 20% di volume della particella di carbonio stessa, che costituisce lo scheletro di carbonio.
- 40% di “volume dei pori” complessivo all’interno della particella di carbonio, che è il volume non drenabile.
Prendendo poi solo il singolo granulo o particella di carbonio, questo è composto approssimativamente dal:
- 35% di volume dello scheletro di carbonio,
- 25% di volume dei “pori di trasporto”,
- 40% di volume dei “pori di adsorbimento”.
Il volume dei “pori di trasporto” comprende pori grandi che variano in dimensioni dai più grandi di 0,1 micron a crepe e fessure visibili nella particella di 0,1 mm.
Questi “pori di trasporto” fungono da percorso di diffusione per trasportare il contaminante dall’esterno della struttura del carbonio all’interno della particella e fino al sito di adsorbimento. Contengono gradienti di concentrazione o di pressione che guidano il processo di diffusione dei pori e quindi il contaminante verso i siti di adsorbimento.
Questi pori sono molto più grandi dei più grandi pori di adsorbimento e non sono in grado di adsorbire i contaminanti, anche in condizioni di quasi saturazione. Pertanto, qualsiasi soluzione in questi pori è considerata potenzialmente recuperabile.
L’illustrazione seguente mostra un composto adsorbente (adsorbato) in un liquido che si diffonde attraverso il letto di carbone attivo, attraverso la particella stessa e poi nel sito di adsorbimento.
I “pori di adsorbimento” sono i pori più fini della struttura del carbonio e le parti della struttura che hanno la capacità di adsorbimento. Questi pori di adsorbimento sono gli spazi, le crepe e le fessure tra le piastre di grafite dove sono presenti forze intermolecolari sufficienti affinché avvenga l’adsorbimento. Le ampiezze di questa struttura sono di dimensioni molecolari e non superiori a 10-50 nm.
L’adsorbimento avviene solo nelle regioni dei pori di adsorbimento e, alla saturazione, tutte queste regioni sono riempite. Di conseguenza, qualsiasi soluzione in questi pori è considerata non recuperabile.
La molecola da adsorbire deve essere vicina a una piastra di carbonio per potersi adsorbire. Una volta che l’adsorbato si trova a più di pochi diametri molecolari dalla superficie del carbonio, l’adsorbimento non avviene più.
Come funziona il carbone attivo?
Il carbone attivo funziona tramite un processo di adsorbimento dovuto alla sua struttura porosa, all’elevata area superficiale e all’alta reattività superficiale.
I fattori chiave che influenzano l’adsorbimento sul carbone attivo sono:
- Concentrazione – il carico in % di peso sul carbone aumenta all’aumentare della concentrazione del contaminante in ingresso.
- Complessità strutturale – le strutture più complesse vengono adsorbite più facilmente.
- Peso molecolare – maggiore è il peso molecolare del contaminante, meglio viene adsorbito.
- Temperatura – maggiore è la temperatura dell’influente, peggio viene adsorbito il contaminante.
Nella fase liquida, le molecole del composto da rimuovere passano dal liquido sfuso all’essere adsorbite nei pori del carbone attivo, in uno stato semi-liquido. L’ulteriore fattore che influenza l’adsorbimento nella fase liquida è la
- Solubilità – maggiore è la solubilità, più difficile è l’adsorbimento.
Pertanto, l’adsorbibilità di una molecola organica aumenta con l’aumentare del peso molecolare e il diminuire della solubilità.
La fase vapore o gassosa è un processo di condensazione in cui le forze di adsorbimento condensano le molecole del composto in un liquido. Questo può quindi essere rimosso dalla fase aria o gas all’interno dei pori del carbone attivo. Gli ulteriori fattori che influenzano l’adsorbimento nella fase vapore sono:
- Tensione di vapore – i composti con tensione di vapore più bassa sono più adsorbibili di quelli con tensione di vapore alta.
- Umidità relativa – una minore umidità relativa porta a un migliore adsorbimento.
- Polarizzabilità – maggiore è la polarità, più difficile è l’adsorbimento.
Tuttavia, la durata effettiva di un letto di carbone dipende da molti altri fattori. Questi includono il tipo di carbone selezionato, lo specifico contaminante e la sua concentrazione da rimuovere, e il livello di trattamento richiesto per il contaminante o i contaminanti.
Inoltre, le condizioni generali dell’applicazione sono importanti. Queste includono quali altri composti possono essere presenti e le loro concentrazioni, nonché il design del sistema installato o pianificato, che include l’EBCT – tempo di contatto in letto vuoto.
Quali composti possono essere adsorbiti sul carbone attivo?
Tutti i composti sono adsorbibili in una certa misura sul carbone attivo. I composti che vengono facilmente adsorbiti sono i composti aromatici e clorurati, i PFAS, i COV e le sostanze coloranti.
In pratica, il carbone attivo viene utilizzato principalmente per l’adsorbimento di composti organici e di alcuni composti inorganici quando si utilizza un carbone attivo impregnato.
A seconda dell’applicazione, possono essere richiesti diversi tipi di carbone attivo. È importante selezionare il grado e la dimensione appropriati in relazione all’inquinante che si intende rimuovere o al grado di purezza che si desidera raggiungere.
In Chemviron, abbiamo oltre 80 anni di esperienza nella progettazione, produzione e implementazione di soluzioni a carbone attivo, durante i quali abbiamo sviluppato una libreria di dati sul campo e informazioni sulle prestazioni.
Utilizzando questi dati e i nostri modelli proprietari, Chemviron è in grado di prevedere meglio le probabili prestazioni del carbone attivo. Possiamo quindi personalizzare soluzioni di trattamento più efficaci basate sul concetto di energia di adsorbimento, piuttosto che sulle ormai superate definizioni di micro, meso e macropori.
Consulta le sezioni seguenti dove i composti specifici da rimuovere sono trattati in maggior dettaglio.
