Como eficiente material de adsorción poroso, el granular activated carbon desempeña un papel insustituible en la protección del medio ambiente, el tratamiento del agua, la purificación del aire y otros campos.
En este artículo, presentaremos el proceso de preparación, las propiedades físicas y químicas, la amplia gama de aplicaciones y cómo elegir el carbón activado granular adecuado, lo que le ayudará a comprender este material más profundamente.
Descripción General del Carbón Activado Granular
El carbón activado granular es un material adsorbente a base de carbono con una estructura de poros muy desarrollada y una gran superficie específica, y suele fabricarse a partir de materias primas que contienen carbono, como carbón, madera y cáscaras de coco, mediante un proceso especial. Comparado con el powdered activated carbon, el carbón activado granular tiene una forma más regular y un tamaño de partícula mayor (generalmente superior a 0,175 mm), lo que facilita su manipulación y recuperación en aplicaciones prácticas.
El valor fundamental del carbón activado granular reside en su capacidad de adsorción altamente eficiente y en su renovabilidad. Es capaz de eliminar selectivamente una amplia gama de contaminantes de la fase gaseosa o líquida mediante adsorción física, adsorción química o una combinación de ambas.
En comparación con el carbón activado en polvo, el carbón activado granular tiene una menor caída de presión durante su uso, es más adecuado para sistemas de flujo continuo y puede reutilizarse varias veces mediante métodos de regeneración térmica o química, lo que reduce significativamente los costes de explotación.
Preparación de Carbón Activado Granular
La preparación de carbón activado granular es un proceso complejo y delicado que implica una variedad de pasos de proceso y rutas técnicas. Según los diferentes métodos de activación, se puede dividir principalmente en dos categorías: método de activación física y método de activación química, cada uno de los cuales tiene sus ventajas únicas y escenarios aplicables.
Método de activación física
La activación física, también conocida como activación gaseosa, es un proceso tradicional para la producción de carbón activado granular y consta de dos etapas clave: la carbonización y la activación.
En la etapa de carbonización, la materia prima (por ejemplo, madera, cáscara de coco o carbón) se calienta en una atmósfera anóxica o inerte a 400-600°C, eliminando los componentes volátiles y formando estructuras de poros primarios.
La etapa de activación posterior suele llevarse a cabo a temperaturas elevadas de 800-1000°C, utilizando gases oxidantes, como vapor de agua, dióxido de carbono o gases de combustión, para que reaccionen con el material carbonizado, ampliando y uniendo aún más los poros.
Chemical activation
La activación química es un proceso que promueve la activación de las materias primas mediante reactivos químicos; entre los activadores más utilizados se encuentran el ácido fosfórico, el cloruro de zinc y el hidróxido de potasio. A diferencia del método físico, la activación química suele combinar la carbonización y la activación en un solo paso y puede realizarse a temperaturas más bajas (400-700°C).
Tabla: Comparación de los principales métodos de preparación del carbón activado granular
| Método de preparación | Agente de activación/Condiciones | Rango de temperatura (°C) | Características principales | Materia prima aplicable | Aplicación típica |
|---|---|---|---|---|---|
| Activación por vapor de agua | Vapor de agua | 800-1000 | Distribución de poros amplia, producto puro, alta resistencia física | Coco, cáscara de fruta, carbón | Tratamiento de agua, purificación de aire |
| Activación por ácido fosfórico | Solución de ácido fosfórico | 400-500 | Porosidad desarrollada, proceso maduro, adecuado para estructura de poros finos | Restos de madera, residuos agrícolas | Descoloración de alimentos y medicamentos, tratamiento de aguas residuales |
| Activación por cloruro de zinc | Cloruro de zinc | 500-700 | Poros concentrados en poros de tamaño medio, alta capacidad de adsorción | Coco, cáscara de fruta, madera | Recuperación de solventes, extracción de oro |
| Activación por amoníaco | Amoníaco (o mezclado con amoníaco) | Alrededor de 800 | Superficie específica ultra alta, grupos funcionales de nitrógeno en la superficie | Coco, resina | Supercapacitores, materiales de almacenamiento de hidrógeno |
Indicadores de Rendimiento del Carbón Activado Granular
El carbón activado granular se utiliza ampliamente en muchos campos debido a sus propiedades fisicoquímicas únicas. Estas propiedades no sólo determinan el rendimiento del carbón activado, sino que también afectan directamente a su eficacia en aplicaciones específicas. Comprender estos parámetros de propiedades e indicadores de rendimiento es esencial para la selección y el uso adecuados del carbón activado granular.
Estructura de poros
La característica más distintiva del carbón activado granular es su estructura de poros bien desarrollada, que es la base de su excelente capacidad de adsorción. Los poros del carbón activado pueden dividirse en tres categorías: microporos (tamaño de poro <2nm), mesoporos (2-50nm) y macroporos (>50nm).
Los microporos proporcionan la principal superficie específica y son esenciales para la adsorción de gases y moléculas pequeñas; los mesoporos facilitan la adsorción y difusión de moléculas más grandes; y los macroporos actúan principalmente como canales de transporte para ayudar a los adsorbatos a llegar rápidamente a los poros internos.
Un carbón activo granular de buena calidad debe tener una distribución de poros razonable para adaptarse al tamaño molecular del adsorbato objetivo.
Surface chemistry
La superficie del carbón activado contiene diversos grupos funcionales, como grupos carboxilo, grupos hidroxilo fenólico, grupos quinona y otros grupos que contienen oxígeno, y el número y tipo de estos grupos dependen de las materias primas y del proceso de preparación.
Por ejemplo, el carbón activado preparado a bajas temperaturas suele contener más grupos oxigenados ácidos, mientras que la superficie del carbón activado tratado a altas temperaturas favorece los alcalinos.
La química de la superficie determina la afinidad del carbón activado por diferentes sustancias. Los grupos funcionales ácidos favorecen la adsorción de compuestos polares e iones metálicos, mientras que las superficies alcalinas presentan una mejor adsorción de orgánicos no polares.
La química superficial del carbón activado puede modularse direccionalmente mediante modificaciones químicas (por ejemplo, oxidación, amonificación, etc.) para hacerlo más adecuado para aplicaciones específicas.
Propiedades físicas y mecánicas
Las propiedades físicas y mecánicas del carbón activado granular incluyen la distribución del tamaño de las partículas, la dureza, la densidad de empaquetamiento y el valor de desgaste.
La distribución del tamaño de las partículas se refiere a la distribución del tamaño de las partículas de carbón activado y suele determinarse por tamizado. La selección del tamaño de las partículas debe basarse en el escenario de aplicación: las partículas más pequeñas proporcionan una cinética de adsorción más rápida, pero dan lugar a una mayor caída de presión; lo contrario ocurre con las partículas más grandes.
The hardness es una medida importante de la resistencia del carbón activado a la fragmentación, y es especialmente crítica en aplicaciones que requieren una regeneración repetida o en sistemas de flujo continuo. Un carbón activado insuficientemente resistente producirá excesivos finos durante su uso, aumentando la caída de presión y las pérdidas.
The densidad de carga (también conocida como densidad aparente) es la masa por unidad de volumen de carbón activado y afecta a los parámetros de diseño del sistema de adsorción. El valor de desgaste refleja la resistencia de las partículas de carbón activado al desgaste, y es especialmente importante para aplicaciones que requieren una regeneración frecuente. En conjunto, estos parámetros físicos determinan el rendimiento y la longevidad del carbón activado granular en el uso real.
Índice de rendimiento de adsorción
La capacidad de adsorción del rendimiento de adsorción del carbón activado granular refleja principalmente el número de microporos, que es un indicador común para caracterizar la capacidad de adsorción global del carbón activado. El valor de yodo del carbón activado granular de alta calidad suele estar entre 800-1200mg/g.
El valor de azul de metileno refleja la capacidad de adsorción del carbón activado para moléculas más grandes y está relacionado principalmente con el número de mesoporos. Este indicador es importante para evaluar el potencial del carbón activado para aplicaciones de adsorción de moléculas grandes, como el tratamiento de aguas residuales tintóreas.
The tasa de adsorción de tetracloruro de carbono es el porcentaje en masa de tetracloruro de carbono que puede ser adsorbido por el carbón activado en condiciones específicas, y se utiliza comúnmente para evaluar el rendimiento de adsorción en fase gaseosa del carbón activado. El valor de fenol se utiliza específicamente para evaluar la capacidad del carbón activado para eliminar compuestos fenólicos.
Áreas de Aplicación del Carbón Activado Granular
Gracias a su excelente rendimiento de adsorción, sus propiedades físicas y químicas estables y su buena renovabilidad, el carbón activado granular desempeña un papel importante en muchos campos industriales y en la vida cotidiana.
Water treatment
The water treatment es el campo de aplicación más importante del carbón activado granular. Incluye principalmente:
Purificación del agua potable:
- Eliminación de subproductos de la desinfección como el cloro residual y las cloraminas en el agua.
- Adsorción de sustancias que desprenden color y olor en el agua (por ejemplo, geosmina, alcohol 2-metilisobornílico, etc.)
- Eliminación de trazas de contaminantes orgánicos (pesticidas, disruptores endocrinos, etc.)
- Escenarios de aplicación típicos: tratamiento en profundidad de plantas potabilizadoras, purificadores de agua domésticos, producción de agua embotellada
Wastewater treatment:
- Tratamiento de aguas residuales industriales (industrias química, farmacéutica, de impresión y tintorería)
- Tratamiento terciario de depuradoras municipales
- Eliminación de materia orgánica difícil de degradar (benceno, fenoles, hidrocarburos halogenados, etc.)
- Eliminación de iones de metales pesados (mejora de la adsorción de metales pesados mediante modificación de la superficie)
Tratamiento especial del agua:
- Depuración del agua de piscinas
- Purificación del agua de acuicultura
- Preparación de agua ultrapura para la industria electrónica
- Pretratamiento de desalinización
Purificación de aire y gas
El carbón activado granular destaca en la purificación de aire y gases.
Industrial exhaust gas treatment:
- Recuperación y eliminación de COV (compuestos orgánicos volátiles)
- Tratamiento de gases olorosos (sulfuro de hidrógeno, amoníaco, etc.)
- Desulfuración y desnitrificación de gases de combustión (como portador de catalizador)
- Purificación de gases durante la producción química
Indoor air purification:
- Purificador de aire doméstico
- Purificación del aire de sistemas centrales de aire acondicionado
- Eliminación de olores de coches nuevos (adsorción de formaldehído, benceno y otros contaminantes del automóvil)
- Purificación del aire de oficinas
Tratamiento de gases especiales:
- Máscaras de gas y equipos de protección
- Depuración de gases en salas blancas de la industria de semiconductores
- Purificación del aire de quirófanos de hospitales
- Tratamiento de gases de escape de laboratorio
Gold recycling
En el campo de la gold recovery, el carbón activado granular también desempeña un papel vital. No sólo puede adsorber y recuperar oro con eficacia, sino también mejorar la eficiencia de la recuperación y reducir los costes. Las siguientes son las aplicaciones específicas del carbón activado granular en la recuperación de oro:
Adsorción de complejos de cianuro de oro
En el proceso de extracción de oro con cianuro, el oro se disuelve en la solución de cianuro en forma de complejos oro-cianuro (Au(CN)₂-). El carbón activado granular adsorbe eficazmente estos complejos oro-cianuro gracias a su estructura de poros altamente desarrollada y a su enorme superficie específica, logrando así el enriquecimiento del oro.
Procesos comunes de recuperación de oro
- Carbón activado en lixiviación (CIL): El carbón activado se añade directamente al lodo de lixiviación con cianuro y los complejos oro-cianuro son adsorbidos por el carbón activado, seguido de la recuperación del oro por desorción y electrodeposición.
- Proceso de lixiviación en pilas de carbón (CIP): primero se mezcla el lodo con la solución de cianuro para disolver el oro y, a continuación, se añade carbón activado para su adsorción.
- Método de lixiviación en pilas (HL): el mineral se apila en una plataforma revestida y se rocía con una solución de cianuro, el oro se disuelve y luego es adsorbido por el carbón activado.
Food and beverage industry
In the industria alimentaria, el carbón activado granular debe cumplir estrictas normas de seguridad alimentaria y las aplicaciones clave incluyen:
Refinado de azúcar:
- Decoloración y purificación de sacarosa y azúcar de remolacha
- Refinado de jarabes de almidón (glucosa, jarabe de fructosa)
- Procesado de melazas
Procesado de aceites y grasas:
- Decoloración y desodorización de aceites vegetales
- Refinado de aceites animales
- Reciclado de aceites comestibles
Alcohol y bebidas:
- Purificación y ajuste del sabor de bebidas alcohólicas
- Clarificación y decoloración de zumos de frutas
- Tratamiento del agua de refrescos
- Tratamiento del agua para la fabricación de cerveza
Aditivos alimentarios:
- Carbón activo de calidad alimentaria como auxiliar de proceso
- Conservación de alimentos
- Odor elimination
Campo médico
La industria farmacéutica exige al carbón activado el máximo nivel de pureza y seguridad, y entre las principales aplicaciones del carbón activado granular en este campo se incluyen:
Producción farmacéutica:
- Purificación de materias primas
- Purificación de agua para inyección e infusión
- Refinamiento de antibióticos, vitaminas y otros medicamentos
- Excipientes farmacéuticos
Medical applications:
- Antídotos
- Blood purification
- Apósitos para traumatismos
¿Cómo Elegir el Carbón Activado Granular Adecuado?
Seleccionar el carbón activado granular adecuado es fundamental para garantizar su rendimiento en una aplicación determinada. He aquí algunos factores clave que debe tener en cuenta al hacer su selección:
Determinar los requisitos de la aplicación
El carbón activado granular tiene una amplia gama de usos, y diferentes aplicaciones requieren diferentes propiedades. Por ejemplo
- Water treatment: seleccione carbón activado granular con alto valor de yodo, alta superficie específica y bajo contenido de cenizas para garantizar una fuerte capacidad de adsorción y una larga vida útil.
- Air purification: normalmente se requiere carbón activado con alta tasa de adsorción de CTC para garantizar la eliminación eficaz de compuestos orgánicos volátiles (COV).
- Extracción de oro: se selecciona coconut shell activated carbon con alta resistencia y estructura microporosa desarrollada para garantizar la resistencia a la abrasión y una alta capacidad de adsorción.
Preocupaciones sobre el tamaño de las partículas y la estructura de los poros
El tamaño de las partículas y la estructura de los poros afectan directamente a la eficacia de adsorción y al flujo de fluido del carbón activo:
- Partículas pequeñas: proporcionan velocidades de adsorción más rápidas, pero pueden aumentar la caída de presión del sistema.
- Las partículas grandes tienen una menor resistencia a los fluidos y son adecuadas para sistemas que requieren caudales elevados.
Además, las estructuras microporosas son adecuadas para la adsorción de moléculas pequeñas, mientras que las estructuras de poros medianos y grandes son adecuadas para la adsorción de contaminantes grandes.
Considerar las métricas de rendimiento de adsorción
Concéntrese en los siguientes indicadores clave:
- Valor de yodo: Indica el contenido microporoso del carbón activado; cuanto mayor sea el valor de yodo, mayor será la capacidad de adsorción.
- Valor de azul de metileno: Se utiliza para medir la capacidad de adsorción del carbón activado para moléculas grandes.
- Dureza y tasa de desgaste: Indica la resistencia mecánica del carbón activado, a mayor dureza, mayor vida útil.
Elección de un proveedor fiable
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Summary
El carbón activado granular se ha convertido en un material clave en varias industrias debido a sus excelentes propiedades de adsorción. Desde el tratamiento del agua hasta el refinado del oro, sus aplicaciones son amplias y vitales.
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