Il carbone attivo, talvolta noto come carbone vegetale attivo, è utilizzato commercialmente come mezzo di purificazione dall’inizio del XIX secolo. Oggi, il carbone attivo si presenta in varie forme ed è utilizzato in molte applicazioni per il trattamento dell’acqua potabile, dell’aria e dell’acqua industriale, nelle aziende e nelle abitazioni per rimuovere i contaminanti.
Il carbone attivo è un materiale altamente poroso che rimuove i composti organici da liquidi e gas attraverso un processo noto come “adsorbimento”. L’adsorbimento è il fenomeno per cui le molecole organiche presenti in un liquido o in un gas vengono attratte e aderiscono alla superficie del carbone attivo, mentre il liquido o il gas lo attraversa.
L’adsorbimento su carboni porosi è stato descritto già nel 1550 a.C. in un antico papiro egizio e successivamente da Ippocrate e Plinio il Vecchio, principalmente per scopi medicinali. Infatti, gli archeologi hanno scoperto che il primo utilizzo del carbone per il trattamento dell’acqua risale a circa il 400 a.C., principalmente tra le comunità marinare. I marinai carbonizzavano l’interno delle botti d’acqua per purificare e conservare l’acqua durante i lunghi viaggi oceanici.
Nel XVIII secolo, i carboni ottenuti da sangue, legno e animali venivano utilizzati per la purificazione dei liquidi. Tutti questi materiali, che possono essere considerati precursori dei carboni attivi, erano disponibili all’epoca solo in forma di polvere.
Qual è la Struttura del Carbone Attivo?
Il carbone attivo è composto da una struttura casuale e imperfetta di piastrine di grafite ed è essenzialmente una forma grezza di grafite, il materiale utilizzato per le mine delle matite. Questa struttura assomiglia a un mazzo di carte da gioco ben usate.
Questa disposizione imperfetta di piastrine, collegate da legami carbonio-carbonio, crea una struttura altamente porosa. Questa struttura presenta un’ampia gamma di dimensioni dei pori, dalle fessure e crepe visibili fino ai pori su scala molecolare. L’immagine sopra illustra la struttura a piastrine grafitiche del carbone attivo a un ingrandimento molto elevato.
Questa struttura a piastrine grafitiche conferisce al carbone attivo una superficie interna molto elevata. Il carbone attivo può avere una superficie superiore a 1000 m²/g. Questo significa che solo 5 g di carbone attivo hanno una superficie interna equivalente a un campo da calcio. Questa superficie consente al carbone attivo di adsorbire vari composti organici da aria, gas e liquidi.
Da Cosa è Fatto il Carbone Attivo?
Il carbone attivo può essere prodotto praticamente da qualsiasi materiale contenente carbonio. Tuttavia, il requisito principale per un prodotto economicamente vantaggioso è che la materia prima abbia un elevato contenuto di carbonio e sia facile da reperire.
Le materie prime più comunemente utilizzate sono il carbone bituminoso, il legno, i gusci di cocco, la lignite e la torba. La selezione della materia prima è un parametro importante poiché determinerà l’unicità del carbone attivo finale.
Il carbone attivo eredita le proprietà dalla materia prima originale e determinerà l’unicità del prodotto e le sue capacità di adsorbimento. Queste sono le impurità di cenere, la densità, la durezza o la resistenza all’abrasione e la struttura dei pori di trasporto che influisce sulla sua cinetica di prestazione.
La selezione della materia prima, la qualità e il processo per convertire la materia prima contenente carbonio in carbone attivo hanno tutti un’influenza significativa sulle proprietà del prodotto finale.
Ad esempio, i carboni attivi a base di carbone bituminoso e di cocco hanno proprietà fisiche e caratteristiche diverse che forniscono vantaggi prestazionali in applicazioni diverse.
Quali Sono le Principali Forme di Carbone Attivo?
Non tutti i carboni attivi sono uguali e quindi la selezione della materia prima appropriata, della forma del prodotto e delle proprietà è fondamentale per ogni applicazione. Il carbone attivo si presenta in molte forme diverse che sono principalmente sotto forma di prodotto granulare, prodotto estruso o polvere.
Carbone Attivo Granulare (GAC)
Il carbone attivo granulare è una particella di forma irregolare frantumata dalla sua forma di materia prima e poi dimensionata in specifiche dimensioni di maglia. Queste dimensioni variano tipicamente da 0,2 mm a 5 mm. Le dimensioni principali vanno dalle dimensioni di maglia US più grossolane di 4×8, 6×12 e 8×16, alle dimensioni più fini di 8×30, 12×20, 12×40, 20×50 US mesh. Possono essere prodotti da qualsiasi materia prima a base di carbonio.
La capacità adsorbente del GAC lo rende ideale per rimuovere i contaminanti da acqua, aria, liquidi e gas. Tipicamente, i carboni attivi granulari sono posizionati in un letto filtrante in un contenitore in acciaio o cemento. Nelle applicazioni con acqua o liquidi, il liquido scorre tipicamente verso il basso attraverso il letto filtrante di carbone per gravità. Per i processi con aria, vapore o gas, l’aria o il gas scorre tipicamente verso l’alto attraverso il letto di carbone.
Quando il carbone granulare non può più adsorbire altro materiale, è considerato esaurito o esausto. Questo carbone granulare esausto ha il vantaggio di poter essere riciclato mediante riattivazione termica per il riutilizzo più volte e restituito ai clienti per il riutilizzo, invece dello smaltimento.
Pellet o Carboni Attivi Estrusi
I pellet sono prodotti comprimendo o estrudendo il carbone attivo in cilindri formati. Hanno generalmente diametri che vanno da 0,8 mm a 5 mm, con dimensioni tipiche di 3 mm e 4 mm. Sono prodotti prevalentemente da carbone ma anche da materie prime a base di cocco.
Il processo di produzione conferisce loro elevata resistenza meccanica, uniformità di forma e basso contenuto di polvere, rendendoli più appropriati per rimuovere i contaminanti da flussi di aria e gas.
I pellet sono tipicamente utilizzati per applicazioni di purificazione dell’aria e del gas poiché le cadute di pressione basse tendono ad essere più cruciali per queste applicazioni. I carboni pelletizzati funzionano in modo simile ai carboni attivi granulari in un letto filtrante di carbone attraverso il quale passa l’aria o il gas. I pellet possono anche essere riciclati mediante riattivazione termica per il riutilizzo più volte per la stessa applicazione.
Carboni Attivi in Polvere (PAC)
I carboni attivi in polvere sono prodotti polverizzando una materia prima di carbone attivo granulare o da fini generati durante la produzione di carbone attivo. I carboni in polvere hanno una dimensione prevalentemente inferiore a 0,045 mm o 45 micron (<325 US Mesh) e possono essere prodotti da qualsiasi materia prima a base di carbonio.
L’uso dei carboni attivi in polvere tende a differire da quello dei carboni granulari o pelletizzati. Sono tipicamente applicati in operazioni batch mediante dosaggio o aggiunti in un flusso di acqua o gas e vengono filtrati successivamente dopo l’uso. Nella fase liquida, questo avviene principalmente in operazioni batch, dove il dosaggio della polvere può essere regolato per soddisfare il requisito particolare.
Tessuto di Carbone Attivo
Il carbone attivo può anche essere prodotto sotto forma di tessuto o materiale tessile che può essere in forma tessuta o lavorata a maglia. Questa forma di carbone attivo ha una struttura microporosa ed è carbone attivo al 100%. Il tessuto di carbone tende ad essere utilizzato in applicazioni più specializzate come in applicazioni mediche o di abbigliamento specializzato.
Carboni Attivi Impregnati
Alcuni composti hanno una bassa capacità di adsorbimento sul carbone attivo base. Pertanto, per migliorare le prestazioni del carbone, soluzioni chimiche finemente distribuite possono essere aggiunte selettivamente alla superficie del carbone per generare carboni attivi impregnati.
Sono tipicamente in forma di pellet o granulare e sono prodotti prevalentemente da materie prime a base di carbone e cocco.
I carboni impregnati sono utilizzati principalmente in applicazioni in fase aria o gas e solitamente per la rimozione di contaminanti pericolosi. Gli impregnanti chimici che sono stati incorporati nel carbone possono neutralizzare i contaminanti adsorbiti attraverso una reazione chimica sulla sua superficie.
Come Viene Prodotto il Carbone Attivo?
Esistono diversi modi per produrre carbone attivo, a seconda della materia prima:
- Attivazione Chimica – tipicamente applicata a materie prime a base di legno
- Attivazione Fisica
- Metodo di Attivazione Diretta
- Agglomerazione o, più correttamente, metodo di reagglomerazione
Per l’attivazione chimica, la materia prima a base di legno essiccata viene prima trattata con un acido, tipicamente acido fosforico, e poi attivata termicamente in un forno. Il prodotto risultante viene quindi lavato per rimuovere eventuali residui di acido dal carbone.
Chemviron produce sia gradi chimici che fisici di carbone attivo in Europa da legno di pino marino rinnovabile nella gamma Acticarbone®.
Per il metodo di attivazione diretta, qualsiasi contenuto organico volatile della materia prima viene rimosso durante una fase di cottura o carbonizzazione per produrre un char o carbone vegetale. Questo char viene quindi attivato termicamente in un forno e setacciato per generare il carbone attivo finale.
Carboni Attivi Reagglomerati
I carboni attivi reagglomerati sono anche prodotti mediante un processo multistadio. Questo comporta la polverizzazione iniziale della materia prima e poi l’aggiunta di pece come legante, per produrre bricchette. Questa è la fase di agglomerazione.
Queste bricchette vengono quindi frantumate e setacciate per ottenere granuli adatti alle fasi successive. Questi granuli vengono quindi cotti, il che comporta ossidazione + carbonizzazione. Vengono poi fatti passare attraverso il forno di attivazione ad alta temperatura, che brucia selettivamente parte della struttura per generare questi carboni attivi agglomerati. Infine, il carbone viene setacciato per produrre il prodotto finito.
I gradi premium di carboni attivi granulari di Chemviron, come FILTRASORB®, sono prodotti mediante questo processo di reagglomerazione da gradi selezionati di carbone bituminoso. Questo processo produce un carbone attivo che è uniformemente e altamente attivato in tutto il granulo. Questo processo di agglomerazione produce carboni attivi con eccellenti proprietà di adsorbimento e cinetiche di adsorbimento costanti.
La fase di reagglomerazione genera carboni granulari altamente durevoli. Questo significa che sono in grado di resistere all’abrasione associata ai ripetuti controlavaggi e ai trasferimenti idraulici, particolarmente associati alle applicazioni di trattamento dell’acqua. La struttura reagglomerata garantisce anche una bagnatura rapida ed efficace del carbone attivo quando viene messo in acqua o soluzione, eliminando al contempo qualsiasi materiale galleggiante.
Questo processo di reagglomerazione garantisce che questi carboni siano progettati per riattivazioni multiple in cui possono essere riciclati per il riutilizzo mantenendo le loro proprietà operative.
Se hai bisogno di ulteriori consigli sul carbone attivo o supporto tecnico per valutare le tue probabili opzioni di trattamento, contattaci – contatta il nostro team tecnico.