El carbón activo como adsorbente

Introducción

La adsorción es un proceso de separación y concentración de uno o más componentes de un sistema sobre una superficie sólida o líquida. Los distintos sistemas heterogéneos en los que puede tener lugar la adsorción son: sólido-liquido, sólido-gas y líquido-gas. Como en otros procesos de este tipo, los componentes se distribuyen selectivamente entre ambas fases.

La adsorción constituye uno de los procesos más utilizados dentro de los sistemas de tratamiento terciario de las aguas residuales. Se emplea, fundamentalmente, para retener contaminantes de naturaleza orgánica, presentes, en general, en concentraciones bajas, lo que dificulta su eliminación por otros procedimientos. Cabe citar la eliminación dc compuestos fenólicos, hidrocarburos aromáticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloreadas, así como otras que comunican olor y sabor a las aguas. La operación es menos efectiva para sustancias de pequeño tamaño molecular y estructura sencilla, que suelen ser fácilmente biodegradables y, por ello, susceptibles de tratamiento biológico.

Los adsorbentes más empleados son el gel de sílice, la alúmina y, sobre todo, el carbón activo y determinadas resinas sintéticas. Estas últimas son particularmente interesantes para la eliminación de compuestos polares. Además, son fácilmente regenerables, lo que las hace competitivas frente al carbón activo en muchos casos. El adsorbente más ampliamente utilizado para el tratamiento de aguas residuales es, no obstante, el carbón activo. Los primeros estudios sobre la aplicación de este adsorbente al tratamiento de aguas residuales se remontan a 1935; en la década de los años 50 ya se utilizaba para el tratamiento de efluentes industriales procedentes de la fabricación de pesticidas y, hacia 1960, comienza a considerarse de interés su posible aplicación al tratamiento de aguas residuales urbanas.

Entre los aspectos positivos de la adsorción como método de tratamiento de aguas residuales cabe señalar: su capacidad para trabajar eficazmente a concentraciones bajas de contaminante, su flexibilidad frente a las variaciones de caudal y concentración, sus moderadas necesidades de espacio, la facilidad de automatización, la posibilidad de regenerar el adsorbente y la posibilidad de recuperar sustancias retenidas cuando ello resulte de interés económico.

Entre los aspectos negativos hay que señalar que el coste de operación suele ser comparativamente alto y, por esta razón, su empleo queda restringido, en general, a los casos de necesidad o a otros en que convenga reutilizar las aguas tratadas o, como se ha indicado, recuperar algún producto de las mismas.

Factores característicos de los procesos de adsorción

Los factores a considerar en un proceso de adsorción son los siguientes:

1. El sistema adsorbente-adsorbato, en lo relativo a:

  1. Superficie específica y porosidad del sólido.
  2. Tamaño de partícula.
  3. Tamaño, estructura y distribución de los poros.

Estas características son muy importantes en las etapas de transferencia de masa por adsorción:

  • Difusión del soluto desde el seno de la fase fluida hasta superficie externa del adsorbente.
  • Difusión de las moléculas de adsorbato hasta el interior de los poros para alcanzar la superficie libre de los mismos.
  • Adsorción de las moléculas de soluto sobre la superficie del sólido, por fuerzas de tipo físico o químico.

En general, la etapa de adsorción es muy rápida en relación con los procesos de difusión. En sistemas hidrodinámicos bien agitados (elevada velocidad relativa entre fases) la difusión externa es muy rápida y resulta cinéticamente controlante el proceso de difusión interna, siendo determinante al respecto, el tamaño de las partículas del adsorbente y el diámetro de poro del mismo.

  1. Afinidad respecto del adsorbato, que depende de los grupos funcionales existentes en la superficie del adsorbente.
  2. Presión parcial o concentración del adsorbato en la fase fluida.

La capacidad final del adsorbente para un determinado soluto puede utilizarse o no plenamente en las condiciones del proceso real. En el límite, se establece un equilibrio entre la concentración del adsorbato en disolución y la masa del mismo adsorbida por unidad de masa (o de superficie) del adsorbente; en muchos casos esta relación de equilibrio se puede formular mediante ecuaciones relativamente sencillas, como la debida a Freundlich. Es importante el carácter más o menos polar de las moléculas de adsorbato, así como el tamaño de las mismas. Se puede decir que el soluto se adsorberá más fácilmente cuando la afinidad de aquél por la superficie sea superior a su afinidad por el disolvente. Por tanto, la energía de unión entre la superficie y la sustancia considerada depende de la naturaleza de los solutos que han de adsorberse.

Por ello, hay que conocer los aspectos cinéticos y termodinámicos del proceso, con los mecanismos y las resistencias que los regulan, pues éstas determinan el tiempo de contacto necesario y, así, el tamaño de las instalaciones.

2. Las condiciones del medio

a) El pH que afecta al grado de ionización de los compuestos ácidos o básicos. Es frecuente que un pH ácido facilite la adsorción sobre carbón activo.

b) La temperatura, que influye sobre la velocidad del proceso y el estado final de equilibrio.

3. Los factores económicos.

Desde el punto de vista industrial, las consideraciones económicas del proceso han de tener en cuenta tanto la inversión necesaria, incluida la planta de regeneración del adsorbente si la hubiese, como los costes de operación. Cabe destacar el precio del adsorbente, la capacidad del mismo que determina la dosis necesaria y las posibilidades técnico-económicas de su regeneración.

La adsorción como tratamiento para las aguas

La adsorción en disoluciones fue observada por primera vez por Lowitz en 1785 y pronto se aprovechó para la decoloración del azúcar en su etapa de refino. En la segunda mitad del siglo XIX ya se utilizaban en América filtros de carbón vegetal en las plantas de tratamiento de aguas.

Durante la Primera Guerra Mundial se fabricaron grandes volúmenes de carbón activo granular (GAC) para emplearse en las máscaras de gas. Las primeras unidades con carbón activo granular usadas para el tratamiento de aguas de abastecimiento público fueron construidas en Hamm (Alemania) en 1929.

El carbón activo en polvo (PAC) se utilizó por primera vez para aguas públicas en New Milford (Nueva Jersey, EE.UU.), en 1930.

Durante las siguientes décadas, el interés de la adsorción como proceso para eliminar compuestos orgánicos presentes en las aguas potables aumentó progresivamente junto a la creciente preocupación sobre la contaminación de los recursos hídricos debida a los residuos industriales, productos químicos usados en la agricultura y a las descargas de las alcantarillas. Una preocupación observada desde los años 70 se refiere al hecho comprobado de la formación de trihalometanos (THMs) y otros agentes sospechosos de ser cancerígenos durante la cloración del agua que contenga sus precursores orgánicos. Actualmente, en los Estados Unidos se aplica la adsorción en el tratamiento de aguas potables, especialmente, con el objeto de controlar su color, sabor y olor. También se considera este proceso para la eliminación de compuestos químicos orgánicos, compuestos clorados, así como de los coproductos de la desinfección. Por otro lado, algunos compuestos inorgánicos perjudiciales para la salud, como algunos metales pesados, se pueden separar por adsorción.

En Europa hay larga experiencia con carbón activo granular para el tratamiento de aguas procedentes de ríos contaminados. Se espera que en el futuro las aplicaciones de la adsorción para el control de la contaminación de las aguas potables debida a compuestos tóxicos o cancerígenos en pequeñas concentraciones, aumenten progresivamente.

Dom, 25/06/2006 - 19:06