Carbón activado

El carbón activado, también llamado carbón activo, es una forma de carbón comúnmente utilizada para filtrar contaminantes del agua y el aire, entre muchos otros usos. Se procesa (activa) para tener poros pequeños de bajo volumen que aumentan el área de superficie disponible para adsorción (que no es lo mismo que absorción) o reacciones químicas. La activación es análoga a hacer palomitas de maíz a partir de granos de maíz secos: las palomitas de maíz son livianas, esponjosas y tienen un área de superficie mucho más grande que los granos. Activated a veces se reemplaza por active.

Debido a su alto grado de microporosidad, un gramo de carbón activado tiene un área de superficie de más de 3000 m (32 000 pies cuadrados) según lo determinado por adsorción de gas. El carbón, antes de la activación, tiene un área de superficie específica en el rango de 2,0 - 5,0 m /g. Un nivel de activación suficiente para una aplicación útil puede obtenerse únicamente a partir de un área superficial alta. El tratamiento químico adicional a menudo mejora las propiedades de adsorción.

El carbón activado generalmente se deriva de productos de desecho como las cáscaras de coco; Se han estudiado como fuente los residuos de las fábricas de papel. Estas fuentes a granel se convierten en carbón vegetal antes de ser 'activadas'. Cuando se deriva del carbón se le llama carbón activado. El coque activado se deriva del coque.

Usos

El carbón activado se utiliza en el almacenamiento de metano e hidrógeno, purificación de aire, recuperación de solventes, descafeinado, purificación de oro, extracción de metales, purificación de agua, medicina, tratamiento de aguas residuales, filtros de aire en respiradores, filtros de aire comprimido, blanqueamiento dental, producción de cloruro de hidrógeno y muchas otras aplicaciones.

Industrial

Una aplicación industrial importante implica el uso de carbón activado en el acabado de metales para la purificación de soluciones de galvanoplastia. Por ejemplo, es la principal técnica de purificación para eliminar las impurezas orgánicas de las soluciones de niquelado brillante. Se agrega una variedad de productos químicos orgánicos a las soluciones de recubrimiento para mejorar sus cualidades de depósito y propiedades como el brillo, la suavidad, la ductilidad, etc. Debido al paso de la corriente continua y las reacciones electrolíticas de oxidación anódica y reducción catódica, los aditivos orgánicos generan productos de degradación no deseados. en solución. Su acumulación excesiva puede afectar negativamente la calidad del revestimiento y las propiedades físicas del metal depositado. El tratamiento con carbón activado elimina tales impurezas y restaura el rendimiento del revestimiento al nivel deseado.

Las regulaciones exigen cada vez más el monitoreo y las pruebas de las aguas residuales. Chemviron tiene los productos, los servicios y la experiencia técnica para ayudar a la instalación a cumplir con las estrictas normas de higiene. Las aguas residuales industriales pueden contener una variedad de contaminantes que pueden afectar el ecosistema receptor de lagos, arroyos y ríos. Una variedad de tecnologías avanzadas para evitar que los contaminantes se trasladen a las aguas protegidas. Los polvos y el carbón activado granular eliminan las sustancias químicas orgánicas y reducen la toxicidad en las aguas residuales para permitir un eflujo seguro en las aguas superficiales. Es muy eficaz para la eliminación de olores para el tratamiento de sustancias químicas orgánicas solubles, sustancias disruptoras endocrinas y otras impurezas de nuevas preocupaciones.

Médico

El carbón activado se usa para tratar intoxicaciones y sobredosis después de la ingestión oral. Las tabletas o cápsulas de carbón activado se usan en muchos países como medicamento de venta libre para tratar la diarrea, la indigestión y la flatulencia. Sin embargo, el carbón activado no muestra ningún efecto sobre los gases intestinales y la diarrea y, por lo general, es médicamente ineficaz si el envenenamiento resultó de la ingestión de agentes corrosivos, ácido bórico, productos derivados del petróleo, y es particularmente ineficaz contra envenenamientos por ácidos o bases fuertes, cianuro, hierro., litio, arsénico, metanol, etanol o etilenglicol. El carbón activado no evitará que estos químicos sean absorbidos por el cuerpo humano. Está en la Lista de Medicamentos Esenciales de la Organización Mundial de la Salud.

La aplicación incorrecta (p. ej., en los pulmones) provoca aspiración pulmonar, que a veces puede ser mortal si no se inicia un tratamiento médico inmediato.

Química analítica

El carbón activado, en combinación al 50 % p/p con celite, se usa como fase estacionaria en la separación cromatográfica de baja presión de carbohidratos (mono, disacáridos y trisacáridos) usando soluciones de etanol (5–50 %) como fase móvil en protocolos analíticos o preparativos.

El carbón activado es útil para extraer anticoagulantes orales directos (DOAC) como dabigatrán, apixabán, rivaroxabán y edoxabán de muestras de plasma sanguíneo. Para ello se ha convertido en "minitabletas", cada una de las cuales contiene 5 mg de carbón activado para tratar muestras de 1 ml de DOAC. Dado que este carbón activado no tiene efecto sobre los factores de coagulación de la sangre, la heparina o la mayoría de los otros anticoagulantes, esto permite analizar una muestra de plasma en busca de anomalías afectadas por los DOAC.

Ambiental

La adsorción de carbón tiene numerosas aplicaciones en la eliminación de contaminantes del aire o de las corrientes de agua tanto en el campo como en procesos industriales, tales como:

• limpieza de derrames
• Remediación de aguas subterráneas
• Filtración de agua potable
• Purificación de aire
• Captura de compuestos orgánicos volátiles de operaciones de pintura, limpieza en seco, distribución de gasolina y otros procesos
• Recuperación de compuestos orgánicos volátiles (sistemas de recuperación de solventes, SRU) de empaques flexibles, conversión, recubrimiento y otros procesos.

Durante la implementación temprana de la Ley de Agua Potable Segura de 1974 en los EE. UU., los funcionarios de la EPA desarrollaron una regla que proponía exigir que los sistemas de tratamiento de agua potable usaran carbón activado granular. Debido a su alto costo, la llamada regla GAC ​​encontró una fuerte oposición en todo el país por parte de la industria del suministro de agua, incluidas las empresas de servicios públicos de agua más grandes de California. Por lo tanto, la agencia dejó de lado la regla. La filtración de carbón activado es un método de tratamiento de agua eficaz debido a su naturaleza multifuncional. Hay tipos específicos de métodos y equipos de filtración de carbón activado que se indican, dependiendo de los contaminantes involucrados.

El carbón activado también se utiliza para medir la concentración de radón en el aire.

Agrícola

El carbón activado (carbón vegetal) es una sustancia permitida utilizada por los agricultores orgánicos tanto en la producción ganadera como en la elaboración del vino. En la producción ganadera se utiliza como plaguicida, aditivo para alimentación animal, coadyuvante tecnológico, ingrediente no agrícola y desinfectante. En la vinificación orgánica, se permite el uso de carbón activado como agente de procesamiento para adsorber los pigmentos de color marrón de los concentrados de uva blanca. A veces se utiliza como biocarbón.

Purificación de bebidas alcohólicas destiladas

Los filtros de carbón activado (filtros de CA) se pueden usar para filtrar el vodka y el whisky de impurezas orgánicas que pueden afectar el color, el sabor y el olor. Pasar un vodka con impurezas orgánicas a través de un filtro de carbón activado con el caudal adecuado dará como resultado un vodka con un contenido de alcohol idéntico y una pureza orgánica significativamente mayor, a juzgar por el olor y el sabor.

Almacenamiento de combustible

Se están realizando investigaciones para probar la capacidad de varios carbones activados para almacenar gas natural y gas hidrógeno. El material poroso actúa como una esponja para diferentes tipos de gases. El gas es atraído por el material de carbono a través de las fuerzas de Van der Waals. Algunos carbonos han podido alcanzar energías de enlace de 5 a 10 kJ por mol. Luego, el gas se puede desorber cuando se somete a temperaturas más altas y se quema para realizar trabajo o, en el caso del gas de hidrógeno, se extrae para su uso en una celda de combustible de hidrógeno. El almacenamiento de gas en carbones activados es un método atractivo de almacenamiento de gas porque el gas se puede almacenar en un entorno de baja presión, baja masa y bajo volumen que sería mucho más factible que los voluminosos tanques de presión a bordo de los vehículos. El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha especificado ciertos objetivos a alcanzar en el área de investigación y desarrollo de materiales de carbono nanoporosos. Todos los objetivos aún no se han cumplido, pero numerosas instituciones,continúan trabajando en este prometedor campo.

Purificación de gases

Los filtros con carbón activado generalmente se usan en la purificación de aire comprimido y gas para eliminar los vapores de aceite, el olor y otros hidrocarburos del aire. Los diseños más comunes utilizan un principio de filtración de 1 o 2 etapas en el que el carbón activado está incrustado dentro del medio filtrante.

Los filtros de carbón activado se utilizan para retener los gases radiactivos dentro del aire aspirado del condensador de la turbina de un reactor nuclear de agua en ebullición. Los grandes lechos de carbón absorben estos gases y los retienen mientras se descomponen rápidamente en especies sólidas no radiactivas. Los sólidos quedan atrapados en las partículas de carbón, mientras que el aire filtrado pasa a través de ellas.

Purificación química

El carbón activado se usa comúnmente a escala de laboratorio para purificar soluciones de moléculas orgánicas que contienen impurezas orgánicas coloreadas no deseadas.

La filtración sobre carbón activado se utiliza en procesos de química fina y farmacéutica a gran escala con el mismo propósito. El carbón se mezcla con la solución y luego se filtra o se inmoviliza en un filtro.

Depuración de mercurio

El carbón activado, a menudo infundido con azufre o yodo, se usa ampliamente para atrapar las emisiones de mercurio de las centrales eléctricas de carbón, los incineradores médicos y del gas natural en la boca del pozo. Sin embargo, a pesar de su eficacia, el carbón activado es caro de usar.

Dado que a menudo no se recicla, el carbón activado cargado de mercurio presenta un dilema de eliminación. Si el carbón activado contiene menos de 260 ppm de mercurio, las reglamentaciones federales de los Estados Unidos permiten que se estabilice (por ejemplo, atrapado en concreto) para el vertedero. Sin embargo, los desechos que contienen más de 260 ppm se consideran en la subcategoría de alto contenido de mercurio y se prohíbe el vertido (Regla de prohibición de tierras). Este material ahora se está acumulando en almacenes y en minas profundas abandonadas a una tasa estimada de 100 toneladas por año.

El problema de la eliminación de carbón activado cargado de mercurio no es exclusivo de los Estados Unidos. En los Países Bajos, este mercurio se recupera en gran medida y el carbón activado se elimina por combustión completa, formando dióxido de carbono (CO ₂).

Aditivo alimentario

El carbón activado de calidad alimentaria se convirtió en una tendencia alimentaria en 2016, y se utilizó como aditivo para impartir un sabor "ligeramente ahumado" y una coloración oscura a productos como perritos calientes, helados, bases de pizza y bagels. Se recomienda a las personas que toman medicamentos, incluidas las píldoras anticonceptivas y los antidepresivos, que eviten los alimentos novedosos o las bebidas que usan colorantes de carbón activado, ya que pueden hacer que el medicamento sea ineficaz.

Protección de la piel

Los aspectos absorbentes del carbón activado lo han convertido en un aditivo popular en muchos productos para el cuidado de la piel. Los productos como los jabones de carbón activado y las mascarillas faciales y exfoliantes de carbón activado combinan el uso de la capacidad de absorción del carbón junto con la capacidad de limpieza del jabón.

Estructura del carbón activado

La estructura del carbón activado ha sido durante mucho tiempo un tema de debate. En un libro publicado en 2006, Harry Marsh y Francisco Rodríguez-Reinoso consideraron más de 15 modelos para la estructura, sin llegar a una conclusión definitiva sobre cuál era el correcto. Un trabajo reciente que utiliza microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberraciones ha sugerido que los carbones activados pueden tener una estructura relacionada con la de los fullerenos, con anillos de carbono pentagonales y heptagonales.

Producción

El carbón activado es carbón producido a partir de materiales de origen carbonoso como el bambú, la cáscara de coco, la turba de sauce, la madera, el bonote, el lignito, el carbón y la brea de petróleo. Puede ser producido (activado) por uno de los siguientes procesos:

1. Activación física: el material de origen se convierte en carbón activado utilizando gases calientes. Luego se introduce aire para quemar los gases, creando una forma de carbón activado clasificado, tamizado y desempolvado. Esto generalmente se hace usando uno o más de los siguientes procesos:
   • Carbonización: el material con contenido de carbono se piroliza a temperaturas en el rango de 600 a 900 °C, generalmente en una atmósfera inerte con gases como el argón o el nitrógeno.
   • Activación/oxidación: la materia prima o el material carbonizado se exponen a atmósferas oxidantes (oxígeno o vapor) a temperaturas superiores a 250 °C, generalmente en el rango de temperatura de 600 a 1200 °C. La activación se realiza calentando la muestra durante 1 h en un horno de mufla a 450 °C en presencia de aire.
2. Activación química: el material de carbón se impregna con ciertos productos químicos. El producto químico suele ser un ácido, una base fuerte o una sal (ácido fosfórico al 25 %, hidróxido de potasio al 5 %, hidróxido de sodio al 5 %, cloruro de calcio al 25 % y cloruro de zinc al 25 %). Luego, el carbón se somete a altas temperaturas (250–600 °C). Se cree que la temperatura activa el carbón en esta etapa al obligar al material a abrirse y tener más poros microscópicos. Se prefiere la activación química a la activación física debido a las temperaturas más bajas, la consistencia de mejor calidad y el menor tiempo necesario para activar el material.

Clasificación

Los carbones activados son productos complejos difíciles de clasificar en función de su comportamiento, características superficiales y otros criterios fundamentales. Sin embargo, se hace una clasificación amplia para fines generales en función de su tamaño, métodos de preparación y aplicaciones industriales.

Carbón activado en polvo

Normalmente, los carbones activados (R 1) se fabrican en forma de partículas como polvos o gránulos finos de menos de 1,0 mm de tamaño con un diámetro promedio entre 0,15 y 0,25 mm. Por lo tanto, presentan una gran relación superficie/volumen con una pequeña distancia de difusión. El carbón activado (R 1) se define como las partículas de carbón activado retenidas en un tamiz de malla 50 (0,297 mm).

El material de carbón activado en polvo (PAC) es un material más fino. El PAC se compone de partículas de carbono trituradas o molidas, de las cuales el 95-100 % pasará a través de un tamiz de malla designado. La ASTM clasifica las partículas que pasan a través de un tamiz de malla 80 (0,177 mm) y más pequeñas como PAC. No es común usar PAC en un recipiente dedicado, debido a la gran pérdida de carga que se produciría. En cambio, el PAC generalmente se agrega directamente a otras unidades de proceso, como tomas de agua sin tratar, tanques de mezcla rápida, clarificadores y filtros de gravedad.

Carbón activado granular

El carbón activado granular (GAC) tiene un tamaño de partícula relativamente mayor en comparación con el carbón activado en polvo y, en consecuencia, presenta una superficie externa más pequeña. La difusión del adsorbato es, por lo tanto, un factor importante. Estos carbones son adecuados para la adsorción de gases y vapores, porque las sustancias gaseosas se difunden rápidamente. Los carbones granulados se utilizan para la filtración de aire y el tratamiento del agua, así como para la desodorización general y la separación de componentes en sistemas de flujo y en depósitos de mezcla rápida. El GAC se puede obtener en forma granular o extruida. El GAC se designa por tamaños como 8×20, 20×40 u 8×30 para aplicaciones en fase líquida y 4×6, 4×8 o 4×10 para aplicaciones en fase de vapor. Un carbón de 20×40 está hecho de partículas que pasarán a través de un tamiz No. 20 de tamaño de malla estándar de EE. UU. (0. 84 mm) (generalmente especificado como 85 % de paso) pero retenido en un tamiz de tamaño de malla estándar de EE. UU. No. 40 (0,42 mm) (generalmente especificado como 95 % retenido). AWWA (1992) B604 utiliza el tamiz de malla 50 (0,297 mm) como tamaño mínimo de GAC. Los carbones de fase acuosa más populares son los tamaños 12×40 y 8×30 porque tienen un buen equilibrio de tamaño, área superficial y características de pérdida de carga.

Carbón activado extruido (EAC)

El carbón activado extruido (EAC) combina carbón activado en polvo con un aglutinante, que se fusionan y se extruyen en un bloque de carbón activado de forma cilíndrica con diámetros de 0,8 a 130 mm. Se utilizan principalmente para aplicaciones en fase gas debido a su baja caída de presión, alta resistencia mecánica y bajo contenido de polvo. También se vende como filtro CTO (Cloro, Sabor, Olor).

Carbón activado en perlas (BAC)

El carbón activado en perlas (BAC) está hecho de brea de petróleo y se suministra en diámetros de aproximadamente 0,35 a 0,80 mm. Similar al EAC, también destaca por su baja caída de presión, alta resistencia mecánica y bajo contenido de polvo, pero con un tamaño de grano más pequeño. Su forma esférica lo hace preferido para aplicaciones de lecho fluidizado como la filtración de agua.

Carbón impregnado

Carbones porosos que contienen varios tipos de impregnación inorgánica como yodo y plata. También se han preparado cationes como aluminio, manganeso, zinc, hierro, litio y calcio para aplicaciones específicas en el control de la contaminación del aire, especialmente en museos y galerías. Debido a sus propiedades antimicrobianas y antisépticas, el carbón activado cargado con plata se utiliza como adsorbente para la purificación del agua doméstica. El agua potable se puede obtener a partir de agua natural tratando el agua natural con una mezcla de carbón activado e hidróxido de aluminio Al(OH) ₃ ]], un agente floculante. Los carbones impregnados también se utilizan para la adsorción de sulfuro de hidrógeno (H ₂ S) y tioles. Se han informado tasas de adsorción de H ₂ S tan altas como 50% en peso.

Carbono recubierto de polímero

Este es un proceso mediante el cual un carbón poroso se puede recubrir con un polímero biocompatible para dar una capa suave y permeable sin bloquear los poros. El carbón resultante es útil para la hemoperfusión. La hemoperfusión es una técnica de tratamiento en la que se pasan grandes volúmenes de sangre del paciente sobre una sustancia adsorbente para eliminar las sustancias tóxicas de la sangre.

Carbono tejido

Existe una tecnología de procesamiento de fibra de rayón técnica en tela de carbón activado para el filtrado de carbón. La capacidad de adsorción de la tela activada es mayor que la del carbón activado (teoría BET) área de superficie: 500–1500 m /g, volumen de poro: 0,3–0,8 cm /g). Gracias a las diferentes formas de material activado, se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones (supercondensadores, [absorbedores de olores [1], industria de defensa QBRN, etc.).

Propiedades

Un gramo de carbón activado puede tener un área superficial de más de 500 m (5400 pies cuadrados), siendo fácilmente alcanzables 3000 m (32 000 pies cuadrados). Los aerogeles de carbono, aunque son más caros, tienen áreas superficiales aún más altas y se utilizan en aplicaciones especiales.

Bajo un microscopio electrónico, se revelan las estructuras de gran área superficial del carbón activado. Las partículas individuales son intensamente enrevesadas y muestran varios tipos de porosidad; puede haber muchas áreas donde las superficies planas de material similar al grafito corren paralelas entre sí, separadas por unos pocos nanómetros más o menos. Estos microporos brindan excelentes condiciones para que ocurra la adsorción, ya que el material adsorbente puede interactuar con muchas superficies simultáneamente. Las pruebas de comportamiento de adsorción generalmente se realizan con gas nitrógeno a 77 K en alto vacío, pero en términos cotidianos, el carbón activado es perfectamente capaz de producir el equivalente, por adsorción de su entorno, agua líquida a partir de vapor a 100 °C (212 °F) y una presión de 1/10.000 de una atmósfera.

James Dewar, el científico que da nombre al Dewar (frasco de vacío), pasó mucho tiempo estudiando el carbón activado y publicó un artículo sobre su capacidad de adsorción con respecto a los gases. En este artículo, descubrió que enfriar el carbón a temperaturas de nitrógeno líquido le permitía adsorber cantidades significativas de numerosos gases del aire, entre otros, que luego podían ser recolectados simplemente dejando que el carbón se calentara nuevamente y que el carbón a base de coco era superior para la efecto. Utiliza el oxígeno como ejemplo, en el que el carbón activado normalmente adsorbería la concentración atmosférica (21 %) en condiciones estándar, pero liberaría más del 80 % de oxígeno si el carbón se enfriara primero a bajas temperaturas.

Físicamente, el carbón activado se une a los materiales por la fuerza de van der Waals o la fuerza de dispersión de London.

El carbón activado no se une bien a ciertos químicos, incluidos alcoholes, dioles, ácidos y bases fuertes, metales y la mayoría de los inorgánicos, como litio, sodio, hierro, plomo, arsénico, flúor y ácido bórico.

El carbón activado adsorbe muy bien el yodo. La capacidad de yodo, mg/g, (prueba del método estándar ASTM D28) se puede usar como una indicación del área de superficie total.

El monóxido de carbono no es bien adsorbido por el carbón activado. Esto debería ser motivo de especial preocupación para quienes utilizan el material en filtros para respiradores, campanas extractoras u otros sistemas de control de gases, ya que el gas es indetectable para los sentidos humanos, tóxico para el metabolismo y neurotóxico.

Se pueden encontrar en línea listas sustanciales de los gases industriales y agrícolas comunes adsorbidos por carbón activado.

El carbón activado se puede utilizar como sustrato para la aplicación de diversos productos químicos para mejorar la capacidad de adsorción de algunos compuestos inorgánicos (y orgánicos problemáticos) como el sulfuro de hidrógeno (H ₂ S), el amoníaco (NH ₃), el formaldehído (HCOH), el mercurio (Hg) y yodo radiactivo-131(I). Esta propiedad se conoce como quimisorción.

Número de yodo

Many carbons preferentially adsorb small molecules. Iodine number is the most fundamental parameter used to characterize activated carbon performance. It is a measure of activity level (higher number indicates higher degree of activation) often reported in mg/g (typical range 500–1200 mg/g). It is a measure of the micropore content of the activated carbon (0 to 20 Å, or up to 2 nm) by adsorption of iodine from solution. It is equivalent to surface area of carbon between 900 and 1100 m/g. It is the standard measure for liquid-phase applications.

El índice de yodo se define como los miligramos de yodo adsorbidos por un gramo de carbono cuando la concentración de yodo en el filtrado residual es de 0,02 normal (es decir, 0,02 N). Básicamente, el índice de yodo es una medida del yodo adsorbido en los poros y, como tal, es una indicación del volumen de poros disponible en el carbón activado de interés. Por lo general, los carbones para el tratamiento del agua tienen índices de yodo que oscilan entre 600 y 1100. Con frecuencia, este parámetro se usa para determinar el grado de agotamiento de un carbón en uso. Sin embargo, esta práctica debe verse con precaución, ya que las interacciones químicas con el adsorbato pueden afectar la absorción de yodo, dando resultados falsos. Por lo tanto,

Melaza

Algunos carbones son más hábiles para adsorber moléculas grandes. El número de melaza o la eficiencia de la melaza es una medida del contenido de mesoporos del carbón activado (mayor de 20 Å o mayor de 2 nm) por adsorción de melaza de la solución. Un alto número de melaza indica una alta adsorción de moléculas grandes (rango 95-600). Caramel dp (rendimiento de decoloración) es similar al número de melaza. La eficiencia de la melaza se informa como un porcentaje (rango 40%–185%) y el número de melaza es paralelo (600 = 185%, 425 = 85%). El número de melaza europea (rango 525-110) está inversamente relacionado con el número de melaza de América del Norte.

El número de melaza es una medida del grado de decoloración de una solución estándar de melaza que ha sido diluida y estandarizada contra carbón activado estandarizado. Debido al tamaño de los cuerpos de color, el número de melaza representa el volumen de poro potencial disponible para especies adsorbentes más grandes. Como todo el volumen de los poros puede no estar disponible para la adsorción en una aplicación particular de aguas residuales, y como parte del adsorbato puede entrar en poros más pequeños, no es una buena medida del valor de un carbón activado en particular para una aplicación específica. Con frecuencia, este parámetro es útil para evaluar una serie de carbones activos por sus tasas de adsorción. Dados dos carbones activos con volúmenes de poros similares para la adsorción,

Tanino

Los taninos son una mezcla de moléculas de tamaño grande y mediano. Los carbones con una combinación de macroporos y mesoporos adsorben taninos. La capacidad de un carbón para adsorber taninos se informa en una concentración de partes por millón (rango de 200 ppm a 362 ppm).

Azul de metileno

Algunos carbones tienen una estructura de mesoporo (20 Å a 50 Å, o 2 a 5 nm) que adsorbe moléculas de tamaño mediano, como el colorante azul de metileno. La adsorción de azul de metileno se informa en g/100 g (rango 11–28 g/100 g).

Decloración

Algunos carbones se evalúan en función de la vida media de decloración, que mide la eficiencia de eliminación de cloro del carbón activado. La longitud del valor medio de decloración es la profundidad de carbono requerida para reducir la concentración de cloro en un 50%. Una longitud inferior a la mitad del valor indica un rendimiento superior.

Densidad evidente

La densidad sólida o esquelética de los carbones activados oscilará típicamente entre 2000 y 2100 kg/m (125–130 lbs./pie cúbico). Sin embargo, una gran parte de una muestra de carbón activado consistirá en espacio de aire entre las partículas y, por lo tanto, la densidad real o aparente será menor, normalmente de 400 a 500 kg/m (25–31 libras/pie cúbico).

Una densidad más alta proporciona una mayor actividad de volumen y normalmente indica carbón activado de mejor calidad. Se utiliza la norma ASTM D 2854 -09 (2014) para determinar la densidad aparente del carbón activado.

Número de dureza/abrasión

Es una medida de la resistencia del carbón activado al desgaste. Es un indicador importante del carbón activado para mantener su integridad física y resistir las fuerzas de fricción. Existen grandes diferencias en la dureza de los carbones activados, según la materia prima y los niveles de actividad.

Contenido de cenizas

La ceniza reduce la actividad general del carbón activado y reduce la eficiencia de la reactivación: la cantidad depende exclusivamente de la materia prima base utilizada para producir el carbón activado (por ejemplo, coco, madera, carbón, etc.). Los óxidos metálicos (Fe ₂ O ₃) pueden filtrarse del carbón activado y provocar una decoloración. El contenido de cenizas ácidas/solubles en agua es más significativo que el contenido total de cenizas. El contenido de cenizas solubles puede ser muy importante para los acuaristas, ya que el óxido férrico puede promover el crecimiento de algas. Se debe usar un carbón con un bajo contenido de cenizas solubles para peces marinos, de agua dulce y tanques de arrecife para evitar el envenenamiento por metales pesados ​​y el crecimiento excesivo de plantas y algas. Se utiliza ASTM (prueba del método estándar D2866) para determinar el contenido de cenizas del carbón activado.

Actividad de tetracloruro de carbono

Medida de la porosidad de un carbón activado por adsorción de vapor de tetracloruro de carbono saturado.

Distribución de tamaño de partícula

Cuanto más fino sea el tamaño de partícula de un carbón activado, mejor será el acceso a la superficie y más rápida será la tasa de cinética de adsorción. En los sistemas de fase de vapor, esto debe tenerse en cuenta frente a la caída de presión, que afectará el costo de la energía. La consideración cuidadosa de la distribución del tamaño de las partículas puede proporcionar importantes beneficios operativos. Sin embargo, en el caso de usar carbón activado para la adsorción de minerales como el oro, el tamaño de partícula debe estar en el rango de 3,35 a 1,4 milímetros (0,132 a 0,055 pulgadas). El carbón activado con un tamaño de partícula inferior a 1 mm no sería adecuado para la elución (la extracción del mineral de un carbón activado).

Modificación de propiedades y reactividad

Las características ácido-base, oxidación-reducción y adsorción específica dependen en gran medida de la composición de los grupos funcionales superficiales.

La superficie del carbón activado convencional es reactiva, capaz de oxidación por el oxígeno atmosférico y el vapor de plasma de oxígeno, y también por el dióxido de carbono y el ozono.

La oxidación en fase líquida está provocada por una amplia gama de reactivos (HNO ₃, H ₂ O ₂, KMnO ₄).

A través de la formación de una gran cantidad de grupos básicos y ácidos en la superficie del carbono oxidado, la adsorción y otras propiedades pueden diferir significativamente de las formas no modificadas.

El carbón activado puede ser nitrogenado por productos naturales o polímeros o procesamiento de carbón con reactivos nitrogenados.

El carbón activado puede interactuar con el cloro, el bromo y el flúor.

La superficie del carbón activado, al igual que otros materiales de carbón, se puede fluoralquilar mediante tratamiento con peróxido de (per)fluoropoliéter en fase líquida, o con una amplia gama de sustancias fluoroorgánicas mediante el método CVD. Dichos materiales combinan alta hidrofobicidad y estabilidad química con conductividad eléctrica y térmica y pueden usarse como material de electrodo para supercondensadores.

Los grupos funcionales de ácido sulfónico se pueden unir al carbón activado para dar "starbons" que se pueden usar para catalizar selectivamente la esterificación de ácidos grasos. La formación de dichos carbones activados a partir de precursores halogenados da un catalizador más eficaz que se cree que es el resultado de que los halógenos restantes mejoran la estabilidad. Se informa sobre la síntesis de carbón activado con sitios superácidos injertados químicamente –CF ₂ SO ₃ H.

Algunas de las propiedades químicas del carbón activado se han atribuido a la presencia del doble enlace del carbón activo superficial.

La teoría de adsorción de Polyani es un método popular para analizar la adsorción de varias sustancias orgánicas a su superficie.

Ejemplos de adsorción

Catálisis heterogénea

La forma de quimisorción más común en la industria ocurre cuando un catalizador sólido interactúa con una materia prima gaseosa, los reactivos. La adsorción de los reactivos en la superficie del catalizador crea un enlace químico, lo que altera la densidad de electrones alrededor de la molécula del reactivo y le permite experimentar reacciones que normalmente no estarían disponibles.

Reactivación y regeneración

La reactivación o regeneración de carbones activados implica restaurar la capacidad de adsorción del carbón activado saturado mediante la desorción de los contaminantes adsorbidos en la superficie del carbón activado.

Reactivación térmica

La técnica de regeneración más común empleada en los procesos industriales es la reactivación térmica. El proceso de regeneración térmica generalmente sigue tres pasos:

• Secado del adsorbente a aproximadamente 105 °C (221 °F)
• Desorción y descomposición a alta temperatura (500–900 °C (932–1652 °F)) en una atmósfera inerte
• Gasificación orgánica residual por un gas no oxidante (vapor o dióxido de carbono) a temperaturas elevadas (800 °C (1470 °F))

La etapa de tratamiento térmico utiliza la naturaleza exotérmica de la adsorción y da como resultado la desorción, el craqueo parcial y la polimerización de los compuestos orgánicos adsorbidos. El paso final tiene como objetivo eliminar los residuos orgánicos carbonizados formados en la estructura porosa en la etapa anterior y volver a exponer la estructura de carbono poroso regenerando sus características superficiales originales. Después del tratamiento, la columna de adsorción se puede reutilizar. Por ciclo de regeneración térmica por adsorción, se quema entre el 5% y el 15% en peso del lecho de carbón, lo que resulta en una pérdida de capacidad de adsorción. La regeneración térmica es un proceso de alta energía debido a las altas temperaturas requeridas, lo que lo convierte en un proceso costoso desde el punto de vista energético y comercial.Las plantas que se basan en la regeneración térmica de carbón activado deben tener un cierto tamaño antes de que sea económicamente viable tener instalaciones de regeneración en el sitio. Como resultado, es común que los sitios de tratamiento de desechos más pequeños envíen sus núcleos de carbón activado a instalaciones especializadas para su regeneración.

Otras técnicas de regeneración

Las preocupaciones actuales con la naturaleza de alto costo/energía de la regeneración térmica del carbón activado han alentado la investigación de métodos de regeneración alternativos para reducir el impacto ambiental de tales procesos. Aunque varias de las técnicas de regeneración citadas siguen siendo áreas de investigación puramente académica, algunas alternativas a los sistemas de regeneración térmica se han empleado en la industria. Los métodos de regeneración alternativos actuales son:

• Procesos TSA (adsorción por oscilación térmica) y/o PSA (adsorción por oscilación de presión): por convección (transferencia de calor) utilizando vapor, gas inerte "caliente" (normalmente nitrógeno calentado (150–250 °C (302–482 °F))), o al vacío (combinando procesos TSA y PSA) regeneración in situ
• MWR (regeneración por microondas)
• Regeneración química y de disolventes
• regeneración microbiana
• Regeneración electroquímica
• Regeneración ultrasónica
• Oxidación por aire húmedo