El carbón activado es un material carbonáceo altamente poroso y con una estructura interna muy desarrollada, lo que le confiere una gran capacidad de adsorción. Es decir, tiene la habilidad de atraer y retener moléculas de sustancias en su superficie, a diferencia de la absorción, donde las sustancias son incorporadas.
¿Cómo se produce?
El carbón activado se fabrica a partir de materiales carbonosos ricos en carbono, como turba, carbón mineral, madera (bambú, corteza), cáscaras de coco, huesos de aceituna o incluso derivados del petróleo. El proceso de producción consta generalmente de dos fases:
* Carbonización: La materia prima orgánica se calienta a altas temperaturas (sin oxígeno) para eliminar el hidrógeno y el oxígeno, formando una estructura carbonizada porosa. Esto crea los primeros poros en el material.
* Activación: El carbón carbonizado se somete a un proceso de activación para aumentar aún más su porosidad y capacidad de adsorción. La activación puede ser:
* Física: Se expone el carbón a gases oxidantes (como vapor de agua o dióxido de carbono) a temperaturas elevadas (entre 700°C y 1000°C). Este proceso elimina el alquitrán atrapado en los poros y desarrolla una red de microporos, aumentando la superficie de adsorción (que puede ir de 500 a 2500 m²/g).
* Química: Se impregna el material con agentes químicos (como ácido fosfórico o cloruro de zinc) antes de la carbonización, lo que permite la activación a temperaturas más bajas y puede generar poros con características específicas.
Propiedades y características
La principal propiedad del carbón activado es su gran capacidad de adsorción, gracias a su estructura porosa. Esto le permite atrapar y retener una amplia variedad de sustancias, como gases, líquidos, compuestos orgánicos e inorgánicos, y toxinas.
Tipos de carbón activado
El carbón activado se clasifica principalmente según su forma y el origen de la materia prima:
Según su forma:
* Carbón activado en polvo (CAP): Con un diámetro menor o igual a 0.25 mm. Se utiliza comúnmente en aplicaciones donde se requiere una rápida adsorción.
* Carbón activado granular (CAG): Con un diámetro superior a 0.25 mm. Se usa en filtros y sistemas donde se necesita una mayor resistencia al flujo.
* Carbón activado en pelet (pellet): Son cilindros pequeños formados a partir de carbón activado en polvo, ideales para aplicaciones con gases debido a su baja resistencia al flujo.
Según su materia prima:
* Carbón activado de cáscara de coco: Suele tener una alta proporción de microporos, ideal para la adsorción de moléculas pequeñas y gases.
* Carbones activados minerales (bituminoso, lignítico, antracita): Presentan una variedad de tamaños de poro, adecuados para diferentes aplicaciones.
* Carbones activados de madera: Generalmente tienen macroporos y mesoporos más grandes, útiles para la adsorción de moléculas más grandes.
Usos del carbón activado
El carbón activado tiene una amplia gama de aplicaciones en diversas industrias y en la salud:
* Medicina: Es ampliamente conocido y utilizado para el tratamiento de intoxicaciones agudas por sobredosis de medicamentos o ingestión de productos tóxicos, ya que atrapa estas sustancias en el tracto gastrointestinal, impidiendo su absorción. También se usa para el alivio sintomático de gases (aerofagia, meteorismo, flatulencia) y procesos diarreicos inespecíficos.
* Tratamiento de agua: Es fundamental para la purificación de agua potable y el tratamiento de aguas residuales. Elimina compuestos orgánicos, productos químicos tóxicos, pesticidas, color, olor y sabor desagradables, cloro, ozono y otros oxidantes.
* Purificación de aire y gases: Se utiliza en sistemas de filtración de aire para eliminar olores, compuestos orgánicos volátiles (COV), gases ácidos, amoniaco, y vapores de mercurio. Se encuentra en mascarillas anticontaminación, filtros de aire acondicionado y sistemas de ventilación.
* Industria alimentaria: Se emplea en procesos de decoloración de azúcar, mieles, caramelos, licores y jugos. También en la descafeinización del café.
* Cosmética y odontología: Presente en mascarillas faciales y limpiadores para eliminar impurezas y absorber el exceso de grasa de la piel. En pastas dentales y productos blanqueadores para eliminar manchas y mejorar la higiene bucal.
* Recuperación de metales preciosos: Se utiliza en la minería para la recuperación de oro, plata y otros metales.
Es importante recordar que, si bien el carbón activado tiene muchos beneficios, especialmente en el ámbito médico, su uso debe ser supervisado por un profesional de la salud, ya que puede interactuar con medicamentos, disminuyendo su absorción y eficacia.
El carbón activado es un componente clave en la purificación de agua potable y el tratamiento de aguas residuales debido a su excepcional capacidad de adsorción. La elección del tipo de carbón activado y su dosificación depende en gran medida de las características específicas del agua a tratar y los contaminantes que se buscan eliminar.
Tipos de Carbón Activado para Purificación de Agua y Aguas Residuales
Los dos tipos principales de carbón activado utilizados en el tratamiento de agua son:
* Carbón Activado Granular (CAG):
* Características: Se presenta en forma de pequeños gránulos irregulares con un diámetro típico entre 0.2 y 1.5 mm. Posee una buena resistencia mecánica y puede ser reutilizado después de un proceso de regeneración (térmica).
* Ventajas: Ofrece una menor caída de presión en los sistemas de filtración, lo que permite un mayor flujo de agua. Es ideal para lechos fijos y se utiliza en filtros domésticos, purificadores de agua, y sistemas de tratamiento a gran escala.
* Aplicaciones:
* Agua Potable: Eliminación de cloro, cloramina, pesticidas, herbicidas, compuestos orgánicos volátiles (COV), sabores y olores desagradables. Es el más común en filtros de punto de uso (grifos, jarras) y en plantas de tratamiento municipales.
* Aguas Residuales: Se utiliza en la etapa terciaria para eliminar contaminantes orgánicos recalcitrantes, color, olor y trazas de contaminantes que no fueron removidos en los tratamientos primarios y secundarios.
* Carbón Activado en Polvo (CAP):
* Características: Es un material finamente molido, con la mayoría de las partículas con un diámetro inferior a 0.18 mm. Posee una gran superficie específica y una alta capacidad de adsorción debido a su tamaño de partícula pequeño.
* Ventajas: Su tamaño pequeño permite una adsorción más rápida, lo que lo hace ideal para aplicaciones donde se requiere una remoción instantánea de contaminantes.
* Aplicaciones:
* Agua Potable: Usado en plantas de tratamiento municipales para eventos de contaminación específicos, como picos de sabor y olor causados por floraciones algales, o para eliminar trazas de contaminantes emergentes (productos farmacéuticos, productos de cuidado personal). Se dosifica directamente en el agua a tratar, formando una suspensión, y luego se retira mediante sedimentación y filtración.
* Aguas Residuales: Se aplica en la etapa de tratamiento primario o secundario para mejorar la eliminación de materia orgánica, color, y ciertos compuestos tóxicos que pueden interferir con los procesos biológicos o que no son biodegradables. A menudo se combina con otros procesos de tratamiento.
Consideraciones sobre la Materia Prima:
La materia prima de la que se obtiene el carbón activado también influye en sus propiedades y aplicaciones:
* Cáscara de coco: Tiende a producir carbones activados con una alta proporción de microporos, lo que los hace muy eficientes para la adsorción de moléculas pequeñas y gases, siendo excelentes para la eliminación de cloro y compuestos que causan olor y sabor en el agua potable.
* Carbón mineral (bituminoso, lignítico): Ofrecen una variedad de tamaños de poro y son robustos, adecuados para diversas aplicaciones en agua y gases, incluyendo grandes instalaciones de tratamiento.
* Madera: Generalmente produce carbones activados con macroporos y mesoporos más grandes, lo que los hace adecuados para la adsorción de moléculas de mayor tamaño, como las responsables del color en ciertas aguas residuales.
Dosificación del Carbón Activado
La dosificación de carbón activado, ya sea en polvo o granular, es altamente variable y depende de múltiples factores:
* Tipo y concentración de contaminantes: A mayor concentración de contaminantes, mayor será la dosis requerida.
* Características del agua: pH, temperatura, turbidez, presencia de otros compuestos.
* Tiempo de contacto: El tiempo que el agua permanece en contacto con el carbón activado influye en la eficiencia de adsorción.
* Calidad de agua deseada: Los estándares de calidad del agua potable o los límites de descarga de aguas residuales.
* Tipo de sistema de tratamiento: Lechos fijos de CAG, adición de CAP en tanques de mezcla, etc.
Generalidades sobre la Dosificación:
* Carbón Activado en Polvo (CAP):
* Agua Potable: Las dosis típicas para el control de sabor y olor en plantas de tratamiento de agua potable varían generalmente entre 2 a 15 mg/L, aunque en situaciones de contaminación severa pueden ser mayores. Es común realizar pruebas de jarras (jar tests) en laboratorio para determinar la dosis óptima para un agua específica y un contaminante particular. El CAP se dosifica en el punto de mezcla rápida de la planta, y luego se separa junto con los sólidos en los clarificadores y filtros.
* Aguas Residuales: La dosificación puede ser mucho más alta, ya que las concentraciones de contaminantes suelen ser mayores. Las dosis pueden variar desde 50 mg/L hasta varios cientos de mg/L, dependiendo de la carga orgánica y los contaminantes específicos a remover. Para el tratamiento terciario, las dosis son más precisas y dependen de la DQO (Demanda Química de Oxígeno) o DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno) a eliminar.
* Carbón Activado Granular (CAG):
* Agua Potable y Residual: En el caso del CAG, la dosificación no se expresa en mg/L directamente, sino en términos de tiempo de contacto en el lecho (EBCT – Empty Bed Contact Time). El CAG se utiliza en lechos fijos (filtros de carbón activado). El diseño de estos filtros se basa en:
* Volumen del lecho de carbón: Determinado por el caudal de agua a tratar y el EBCT deseado. Los EBCT típicos para agua potable pueden variar de 5 a 20 minutos o más, dependiendo de los contaminantes. Para aguas residuales, pueden ser más largos.
* Velocidad de filtración: La velocidad a la que el agua pasa a través del lecho de carbón.
* Vida útil del carbón: Se calcula en función de la capacidad de adsorción del carbón y la carga de contaminantes. El carbón se reemplaza o se regenera cuando su capacidad de adsorción se agota (punto de quiebre o «breakthrough»).
Es fundamental realizar estudios piloto y pruebas de laboratorio (como las isotermas de adsorción y las pruebas de columna) para determinar la cantidad más eficiente y económica de carbón activado para una aplicación específica. Un diseño inadecuado puede resultar en una adsorción ineficiente o un agotamiento prematuro del carbón.