Proceso de fabricación del carbón activado

Dentro del grupo de productos de origen vegetal que son utilizados actualmente para atrapar compuestos dañinos de origen orgánico, o diferentes metales pesados e incluso algunos patógenos, se encuentra el carbón activado.


Carbón vegetal, materia prima para el carbón activado
Carbón vegetal, materia prima para el carbón activado

La producción de este material tan importante para la industria y la salud es un reto para la ingeniería química, ya que si bien es cierto puede ser producido a partir de diferentes tipos de residuos vegetales o de fibras naturales, la selección de la materia prima va a depender de la abundancia de ésta y de la calidad del carbón que pueda producir.

En esta nota veremos algunas pautas sobre las principales características que debe tener un material de origen vegetal para crear un buen carbón activado y describiremos el proceso para la fabricación de este material tan útil para la industria del tratamiento de aguas y la industria médica, así como para otros procesos químicos que requieran retirar impurezas de forma simple y económica.


Tabla de contenidos

  1. Conseptos básicos
    1. Adsorción
    2. Carbón
    3. Carbón activado
  2. Importancia del carbón activado
    1. Criterios para seleccionar materias primas para la fabricación del carbón activado
  3. Proceso de fabricación del carbón activado


Conceptos básicos

Lo primero a tener en cuenta antes de entrar en detalle sobre la selección de la materia prima para elaborar carbón activado y describir su proceso de fabricación, son los siguientes conceptos básicos:


Adsorción

La adsorción es la capacidad que tiene un elemento sólido (en este caso, el carbón) para captar o recoger sustancias solubles presentes en una disolución.

Es decir, se trata de la capacidad que tiene una sustancia o un sólido de recolectar otras sustancias o elementos presentes en una disolución, dejándolos atrapados en su superficie. Es como una especie de filtro de papel. Para que puedan tener una idea, estos filtros atrapan partículas grandes y permiten que el resto de la disolución pase a través de ellos, quedando dichos elementos o partículas retenidos o adheridos a la superficie del sólido que tiene la capacidad de adsorción.

Como pueden notar, todo el proceso de adsorción ocurre en la superficie, allí las moléculas, átomos o iones quedan confinados a la superficie de los poros del sólido, gracias a la acción de las fuerzas de Van der Walls o por verdaderos enlaces químicos.

En conclusión, solamente los sólidos que cuenten con una superficie específica elevada tendrán capacidad de adsorción, como por ejemplo, el carbón activado que cuenta con una superficie de adsorción de 1000 m2 por cada gramo de éste.

Los parámetros que se deben considerar en un proceso de adsorción son los siguientes:
  1. Superficie específica y porosidad del sólido.
  2. Tamaño de la partícula.
  3. Tamaño, estructura y distribución de los poros.
  4. Afinidad respecto al adsorbato (elemento que es adsorbido). Dicha afinidad dependerá de los grupos funcionales existentes en la superficie del adsorbente.
  5. Presión parcial o concentración del adsorbato en la fase fluida.
Todos estos parámetros son importantes a la hora de seleccionar un buen adsorbente para nuestros procesos químicos.


Carbón

Carbón activado en polvo y en trozos
Carbón activado. Imagen de Self en Wikipedia bajo licencia CC BY 2.5

El carbón es un mineral de origen orgánico conformado principalmente por carbono, el cual es formado por la condensación de la materia de plantas descompuestas a lo largo de millones de años formando una capa llamada turba. Existen tres tipos de carbón, los cuales son los siguientes:


  • Lignito: Tiene apenas un 30% de carbono, es el que tiene menos capacidad calórica. Se forma a partir de turba comprimida, es de color pardo y desmenuzable.
  • Hulla: La hulla se forma por la compresión del lignito. Tiene mayor poder calórico que éste y por ende es usada como combustible. Es dura, quebradiza y de color negro. Su concentración de carbono está entre el 75% y el 80%.
  • Antracita: Se produce a través de la transformación de la hulla. Es poco contaminante y tiene un elevado poder calórico ya que desprende bastante calor y muy poco humo. La antracita tarda en arder, es de color negro brillante y muy dura. Su concentración de carbono es mayor al 95%.

El carbón cuenta con una estructura molecular cristalina y ordenada. En la naturaleza se encuentra en minas y se le puede encontrar en formas tan perfectas como el diamante o el grafito. El carbón también puede ser creado por el hombre, utilizando materiales vegetales de alta porosidad y quemados en procesos controlados para evitar que se desintegren y poder obtener este tipo de material.


Carbón activado

Estos son productos carbonosos con una estructura porosa desarrollada y una elevada área superficial. Al ser buenos adsorbentes, tienen la capacidad de atrapar en su superficie una alta gama de moléculas.

Poseen un volumen de poros mayor a 0.2 mL/g y una superficie interna mayor a 400 m2/g. Sus poros tienen anchuras variables que van en un rango de 0.3 nm (nanómetros) hasta varios miles de nm. Los poros del carbón activado se clasifican según su ancho (x) y de acuerdo a IUPAC en:


  • Microporosos: x < 2nm.
  • Mesoporosos: 2 ≤ x ≤ 50 nm.
  • Macroporosos: x > 50nm.


Importancia del carbón activado

El carbón activado tiene gran importancia en la industria moderna y en la vida cotidiana, ya que al ser un extraordinario adsorbente es utilizado en una gran cantidad de aplicaciones dedicadas a la limpieza de flujos en fase líquida o gaseosa.

También es ampliamente utilizado en el tratamiento de aguas residuales y para consumo humano. Asimismo, es utilizado en la industria farmacéutica y en el procesamiento de comidas y bebidas. Igualmente, el carbón activado también es muy utilizado en la industria minera y en la extracción de oro.

Entre las aplicaciones más comunes del carbón activado en la vida cotidiana se encuentran:
  1. Purificación del aire doméstico e industrial.
  2. Adsorción de vapores de la gasolina.
  3. Recuperación de solventes.
  4. Adsorción de SO2 y NOx en procesos petroquímicos.
  5. Filtros de cigarrillos.
  6. Filtros de alta pureza para mascarillas de gas.
Como podemos ver, el carbón activado es ampliamente utilizado a nivel industrial y cotidiano, siendo un material muy valioso para los procesos industriales en general.


Criterios para seleccionar materias primas para la fabricación del carbón activado

Carbón activado bajo microscopio electrónico
Carbón activado bajo microscopio electrónico. Imagen de Mydriatic en Wikipedia bajo licencia CC BY-SA 3.0

La selección de las materias primas para la fabricación del carbón activado es una de las variables más importantes en todo el proceso, ya que si la materia prima no es bien seleccionada se corre el riesgo de que la capacidad adsorbente del carbón activado no sea la deseada. El criterio de selección de estas materias primas debe basarse en una serie de propiedades como las que veremos a continuación:
  1. Deben encontrarse en abundancia en la naturaleza, específicamente, muy cerca de nuestra planta para minimizar costos de traslado y fletes elevados.
  2. Poseer una muy buena dureza.
  3. Contar con una alta porosidad.
  4. Contar con un alto contenido de carbono.
  5. Alto rendimiento en masa durante el proceso de carbonización.
  6. Bajo contenido de ceniza.
  7. Precio bajo.
Aplicar dichas características a la selección, logrará que la materia prima se convierta en un extraordinario carbón activado como producto final del proceso de fabricación.

Entre las principales materias primas utilizadas para crear carbón activado se encuentran las siguientes:
  1. Diferentes tipos de madera.
  2. Carbón mineral.
  3. Lignito.
  4. Cáscaras y huesos de origen vegetal, como la cáscara de la nuez de palma, cáscara de coco, etc.
  5. Biomasa.
  6. Algunos polímeros no termoplásticos.
  7. Coque de petróleo.
Con esta simple lista, podemos tener un panorama más completo a la hora de seleccionar una buena materia prima para la producción de carbón activado.


Proceso de fabricación del carbón activado

El primer paso para un efectivo proceso de fabricación de carbón activado es la selección de la materia prima o del precursor (como también se le llama), utilizando como criterio la lista dada con anterioridad donde se prioriza su abundancia, su dureza y su precio.

Una vez que se tenga seleccionado el precursor, es momento de pasar al siguiente nivel del proceso que es el transporte de la materia prima a la planta de carbón activado para iniciar el proceso de carbonización.

Una vez que la materia prima llega a la planta se procede a una limpieza superficial utilizando chorros de aire para eliminar impurezas. También puede ser lavada y secada antes de pasar al siguiente paso del procedimiento. Una vez limpia la materia prima se coloca en bandas transportadoras o se coloca directamente sobre máquinas trituradoras (de cualquier tipo, como por ejemplo de mandíbula, de cono, cilíndricas, etc).

La idea es subdividir dicha materia prima a escalas relativamente gruesas para que puedan ser más manejables. También pueden utilizarse molinos, todo dependerá de las características del diseño de la planta. La idea es cortar la materia prima en pedazos manejables para ser pasados de este modo al proceso de carbonización y aprovechar al máximo el espacio de los reactores donde se realizará dicho procedimiento.

La trituración puede realizarse en un proceso único o en un proceso de circuito cerrado en donde una vez salida de la primera trituración, la materia prima pasará por un proceso de separación por cribado y se retorna a las máquinas trituradoras, para de esta manera reducir más el tamaño de los materiales a utilizar. Estos procedimientos también aplican a molinos, si fuese éste el caso debido al diseño seleccionado.


Carbonización de materia prima para obtener el carbón activado
Carbonización de materia prima. Foto de Sara Kurfeß en Unsplash

Con los materiales reducidos de tamaño, es momento de hacerlos pasar por el proceso de carbonización. Dicho procedimiento es de gran importancia, ya que conformará gran parte de la porosidad de nuestros carbones activados.

A diferencia de la pirolisis, la carbonización se centra en la obtención de un residuo sólido después de la descomposición de la materia prima, mediante intercambio térmico en atmósfera inerte a altas temperaturas (superiores a 500 0C). Durante este proceso de carbonización se conduce a dos fracciones:


  • Una fracción volátil, rica en hidrógeno formada por gases y alquitranes (vapores y líquidos).
  • Una fracción sólida rica en carbono conocida como carbonizado.

Este fraccionamiento viene dado por la rotura de enlaces químicos menos estables debido a la transferencia térmica. El carbonizado final de dicho proceso presenta unas formaciones cristalográficas relativamente organizadas denominadas cristales grafíticos elementales. Estos cristales son siempre huecos y muy estrechos entre sí.

Cabe destacar, que las características de estos carbonizados no solo dependerán de la materia prima utilizada, sino también de algunos elementos del proceso, como son:
  1. Temperatura final del proceso.
  2. Tiempo total del proceso.
  3. Velocidad de calefacción.
  4. La atmósfera a la cual se ha producido la carbonización.
La temperatura final del proceso es la variable más importante, ya que se asocia con grandes cantidades de energía para producir la ruptura de la mayor cantidad posible de enlaces químicos y permitir una mayor salida de productos volátiles, llevando a un carbonizado con mayor compactación.

Asimismo, la velocidad a la cual se alcanza esta temperatura final es otra variable de gran importancia, ya que si es muy corta se solapará la descomposición térmica de la materia prima y será más difícil controlar la formación de porosidad en el carbonizado. Por otro lado, si la velocidad es muy elevada se dificultará la reorganización de la estructura química, creando poros muy grandes.

Por último, la atmósfera afectará la cantidad de carbonizado creado, por esta razón debe ser controlada permitiendo retirar frecuentemente los gases volátiles.

El proceso de carbonizado, por lo general se realiza en tres tipos de reactores:
  1. Reactores discontinuos de lecho fijo con calefacción externa.
  2. Reactores continuos de horno rotatorio, con calefacción interna y externa.
  3. Reactores continuos de lecho fluidizado.
Para los reactores de lecho fijo, se observa un gradiente de temperatura importante en zonas cercanas a la pared del reactor y en el centro, como consecuencia, la calidad del producto tiende a no ser homogénea.

Mientras que los hornos rotatorios facilitan un calor homogéneo a la materia prima, pero en gran medida el calor es llevado por gases del proceso. Estos gases llevan algo de aire, oxidando un poco el carbonizado y perdiendo éste resistencia mecánica. Aún así, es una opción mucho mejor para una carbonización completa y uniforme de la materia prima.

Por último, los reactores de lecho fluidizado tienden a ser un poco más caros por su diseño, pero son los más eficientes. Actualmente, se utilizan los reactores de horno continuo a gran escala para la carbonización. La selección del reactor dependerá del diseño seleccionado.

Cabe destacar, que algunas materias primas requieren de un tratamiento previo antes de la carbonización. Por ejemplo, la madera requiere una pre-carbonización a 500 0C para obtener una unión aglomerante en ésta. Plásticos como el PVC, requieren una pre-oxidación a 300 0C para eliminar HCl, y los huesos de la aceituna requieren un lavado con S2SO4 y agua para eliminar aceites. Cada materia prima según sus características requerirá o no un tratamiento previo a la carbonización.


Diagrama de bloques de fabricación de carbón activado
Diagrama de bloques de fabricación de carbón activado

Una vez que se tengan los carbonizados, es momento de activarlos para obtener nuestro producto final. Esta activación consiste en reordenar los átomos de carbono en anillos aromáticos tipo benceno para lograr una estructura cristalina reticular muy parecida a la estructura del grafito.

En otras palabras, el proceso consiste en multiplicar la cantidad de poros del carbonizado, de modo que podamos obtener como producto final una estructura cristalina altamente porosa con un área superficial amplia, la cual permitirá la captura de los elementos indeseables mediante la adsorción.

La activación puede ser física (se realiza a altas temperaturas) o química (deshidratación química a bajas temperaturas). La selección del proceso de activación va a depender del diseño de la planta.

La activación física consiste en hacer pasar gases oxidantes, como CO2, vapor de agua, u O2 a altas temperaturas en un reactor simple donde estarán los carbonizados. Al hacer pasar estos gases se realizará una reacción oxidante en la superficie de los carbonizados formando óxidos de carbono. Como consecuencia de esta gasificación parcial del sólido, se crea una estructura interior porosa en el carbonizado.

La velocidad de este proceso dependerá exclusivamente de las características del carbonizado y del agente activante. Por ejemplo, el oxígeno es mucho más reactivo, generando mayores velocidades de activación que el vapor de agua.

La activación química consiste en hacer reaccionar el carbonizado, obtenido aguas arriba, en el proceso con un reactivo químico. Tiene la ventaja que no solamente eleva la porosidad del carbonizado, sino que también lo descompone térmicamente a una temperatura de 350 ̊C o menor. Se realiza generalmente en un solo reactor, aunque puede llevarse a cabo en múltiples etapas para obtener un carbón activado de alta pureza.

Cabe destacar, que después de la activación química viene un proceso de lavado del producto para recuperar trazas del reactivo que puedan quedar en éste y hacer la operación más viable económicamente.

Los reactivos más utilizados para la activación química son: El cloruro de zinc y el ácido fosfórico. El cloruro de zinc fue el más utilizado en procesos de activación química hasta la década de los 70´s, actualmente se sigue utilizando, sobre todo en el continente asiático. Ha sido dejado de lado, debido a que la capacidad de recuperación por lavado es muy poca, además de presentar problemas de corrosión en las plantas. Asimismo, la principal desventaja es que el carbón activado queda con restos de zinc que son dañinos. Actualmente, se utiliza el ácido fosfórico como activante químico y en algunos lugares se utiliza el hidróxido de potasio.

El proceso de activación es simple, se coloca el carbonizado en presencia del reactivo químico y se deja actuar. Luego, se retira el reactivo y se pasa el carbón activado por un proceso de tratamiento térmico. A continuación, viene el proceso de lavado para recuperar trazas de reactivos. Recordemos que la selección del proceso de activación va a depender de lo que se tenga en mente para el diseño y varía de acuerdo a las características de cada proyecto.

La parte culminante del proceso de activación del carbón es un secado mediante estufas o vapor (dependiendo del diseño) para luego, hacerlo pasar por un proceso de molienda final si se desea el carbón activado en polvo, o trituración, si se requiere el producto final en pellets.

A grosso modo, este es el proceso de fabricación del carbón activado. Pueden dejarme sus comentarios para complementar conceptos o intercambiar experiencias sobre el proceso de fabricación del carbón activado.

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