El carbón activo se fabrica a partir de diversas sustancias carbonosas de origen animal, vegetal o mineral. Frecuentemente, se emplea antracita, carbones grasos o bituminosos, coque de petróleo, turba, madera, cáscara de nuez, coco o almendra, huesos, así como otros productos residuales de naturaleza lignocelulósica. La materia de partida es amorfa y la estructura porosa se produce durante la activación. Las propiedades del carbón activo final dependen tanto de la materia prima como del método de activación empleado. Por ejemplo, los carbones obtenidos a partir de cáscara de coco tienen mayor densidad y presentan distribución de tamaño de poro más estrecha, lo que hace que estos carbones sean muy adecuados para la adsorción de moléculas pequeñas, como en las aplicaciones de purificación de gases.
En la preparación se aplican procesos térmicos que implican la deshidratación del material y la calefacción en ausencia de aire (carbonización), seguidos por el tratamiento oxidante (activación) a alta temperatura (200-1000 ºC), que desarrolla una estructura porosa en el carbón y crea una gran superficie interna. La activación consiste, esencialmente, en una oxidación selectiva de los hidrocarburos residuales en el sólido, que se realiza con anhídrido carbónico, vapor de agua, aire u otro agente oxidante También se puede emplear un tratamiento químico húmedo a más bajas temperaturas mediante agentes tales como el ácido fosfórico, el hidróxido potásico o el cloruro de zinc.
El carbón activo se puede considerar constituido por un aglomerado rígido de microcristales, cada uno de los cuales está formado por una pila de planos grafíticos. Cada átomo dentro de un determinado plano está unido a cuatro átomos de carbono adyacentes. Así, los átomos de carbono en los bordes de los planos presentan una alta actividad disponible. En estos “sitios”, que consisten en una serie compleja de planos de base y bordes de microcristalitos, tiene lugar la adsorción. A medida que los sitios se van llenando, se va alcanzando el equilibrio de adsorción y la calidad del efluente va disminuyendo. La química de la superficie de un carbón influye sobre la velocidad y la capacidad de la adsorción debido a la interacción entre superficie y adsorbatos. Los gupos funcionales sobre esta superficie tienen gran influencia sobre las propiedades adsorbentes respecto de los posibles adsorbatos. Estos grupos pueden ser carboxílicos, fenólicos, hidroxilo, carbonilo o peróxidos, entre otros.
El carbón activo se utiliza en forma de gránulos y de pastillas, o en polvo. El diámetro de las partículas del carbón en polvo es generalmente inferior a 0,1 mm, siendo normales carbones en polvo con partículas comprendidas entre 10 y 50 micras, mientras que en los carbones granulares comerciales el tamaño medio de partícula varia usualmente ente 0,2 y 1,7 mm.
Tabla 1: Rango de valores para algunas propiedades de los carbones activos comerciales
| Área especifica, BET (m2/g) | 600 – 1.500 |
| Idem macroporo (m2/g) | 100 – 800 |
| Volumen de poro total (cm3/g) | 0,6 – 1,8 |
| Idem macroporo (cm3/g) | 0,2 – 1,3 |
| Densidad aparente (comprimido) (g/cm3) | 0.3 – 0.7 |
| Granularidad (mm): a:polvo b:granular |
0,05 – 0,1 0,1 – 2 |
| Coeficiente de uniformidad (grano) | 1,4 – 2 |
| Porcentaje de cenizas (%) | 1 – 12 |
Para los carbones granulares (GAC) las propiedades físicas más importantes son la dureza y el tamaño de partícula. Buena parte del coste de operación con los carbones en grano se debe a las pérdidas por atrición durante el manejo y la regeneración. Las pérdidas son menores en los carbones más duros. También la friabilidad del carbón usado en los lechos determina la velocidad con que las partículas se rompen y se hacen más pequeñas, perdiéndose durante la operación de lavado del lecho o escapando del mismo durante el funcionamiento normal, como sucede con otros medios porosos.
Las propiedades físicas de un carbón activo en polvo (PAC) más importantes son la filtrabilidad y la densidad global o aparente. Si el carbón atraviesa un filtro, contamina el agua tratada. La capacidad de un carbón para ser separado por filtración se controla a través de la forma de sus partículas y de la distribución de tamaños. La densidad aparente es la masa de carbón por unidad de volumen. A mayor densidad global, mayor capacidad para eliminar un adsorbato por unidad de volumen de adsorbente.
Las propiedades adsorbentes de un carbón han de ser consideradas a la hora de elegir el carbón y hacer el estudio de diseño.
Mediante el empleo de técnicas apropiadas y por un coste razonable, pueden conseguirse sustratos carbonosos con superficies específicas muy elevadas (700 a 1.500 m2/g). El área específica total puede ser determinada por el método BET, que permite medir el volumen de una monocapa de átomos de nitrógeno que cubren una superficie. No obstante, el área efectiva disponible para un adsorbato dado depende del tamaño mínimo de poro que puede ser atravesado por las moléculas de ese compuesto, teniendo gran importancia, por tanto, la distribución en los tamaños de poro.
Mediante las técnicas de penetración de mercurio puede obtenerse una representación gráfica del volumen de poro frente al diámetro de poro y, a partir de ésta, se puede conocer la distribución de diámetros de poro. La superficie electiva de los GAC tiene un límite superior de alrededor de 1.500 m2/g, pues un aumento mayor durante la activación producirá poros menores de 1 mm, que son inaccesibles a la mayoría de los adsorbatos.
En la Tabla 1 se indican valores característicos de algunas propiedades importantes de los carbones activos. Los amplios intervalos reseñados dan idea de la variedad posible de productos finales.
Además de las indicadas, son de enorme interés: la densidad real, la densidad de partícula, el número de iodo y el contenido en humedad, entre otras.