Cuando el agua residual fluye a través de una columna de carbón activo, los contaminantes se separarán gradualmente y el agua residual se va purificando progresivamente. No hay separación neta entre el agua depurada y la de alimentación. Se forma una zona de transición en la cual la concentración de contaminante varía desde un máximo, al final de la zona , hasta prácticamente cero en la parte inicial de la misma. Esta zona es la porción activa de la columna, y se denomina "zona de adsorción". El movimiento progresivo de esta zona de adsorción puede verse mediante la representación de las llamadas "curvas de rotura" (Fig. 1). Las ordenadas de una curva de rotura corresponden a la concentración del efluente; por ejemplo en mg / l de DQO (Demanda Química de Oxígeno), y las abscisas corresponden a la duración del flujo a través de la columna; por ejemplo, en horas de flujo. Con frecuencia las abscisas se expresan también en función de los volúmenes de lecho de flujo total; por ejemplo, en cientos de volúmenes de lecho (BV).
Figura 1. Curva de rotura típica en columna de adsorción
Normalmente, la operación de una columna de adsorción no se prolonga hasta su agotamiento. Puede decidirse parar la operación cuando la concentración del efluente alcanza un valor dado. Esta concentración se denomina ''concentración de rotura (Ce)". Si la concentración del efluente alcanza el valor de rotura y ésta corresponde a un tiempo de flujo de flujo que dista mucho del correspondiente a la concentración del soluto en el efluente (tiempo necesario para el agotamiento), no resulta económico en esas condiciones enviar el contenido de la columna a la sección de regeneración. Se evita este inconveniente utilizando varias columnas operando en serie, de forma que el efluente de una columna sea la alimentación de la siguiente. En un sistema bien diseñado, cuando la concentración del efluente de la última columna de la serie alcanza la de rotura, el adsorbente de la primera columna se enviaría a la sección de regeneración y el afluente se aplicaría a la siguiente columna de la serie. Simultáneamente, una columna fresca, ya regenerada, se colocara a continuación de la columna para la cual se hubiese alcanzado la concentración de rotura. De esta forma, la concentración final del efluente de la serie de columnas nunca superará la concentración de rotura especificada (CE).
En la mayoría de las ocasiones, la adsorción en carbón activo se realiza en columnas sin que nunca se establezcan las condiciones de equilibrio ni de estado estacionario. En estas columnas de adsorción se emplea carbón activo granulado. La capacidad de adsorción obtenida en ensayos discontinuos en condiciones de equilibrio no puede aplicarse a la operación en columnas.
La única forma segura de diseñar un sistema de adsorción con carbón es llevar a cabo ensayos a escala semipiloto en columna bajo condiciones similares a las de operación a escala real. El estudio considera una columna de adsorción carbón activo a la que se alimenta agua a tratar, con una concentración de soluto Co, (mg/l). Se desea reducir la concentración hasta un valor igual o inferior a Ce (mg/l), Al comienzo de la operación -con el adsorbente fresco- la concentración del efluente es menor que la concentración permisible Ce Transcurrido un tiempo (t) se alcanza la concentración Ce correspondiente al punto de rotura. El modelo supone una velocidad de adsorción de acuerdo a una cinética de primer orden.
r = K·C
El funcionamiento en continuo de las columnas de carbón activo puede evaluarse mediante la ecuación desarrollada por Bohart y Adams.
En la que K es la constante de velocidad, No la capacidad de adsorción (Kg de soluto/ m3 de carbón); D la profundidad de lecho de carbón (m); V la velocidad lineal (m/h) y t el tiempo de servicio (h).
A tiempo cero (t=0) , la profundidad teórica de carbón suficiente para evitar la concentración de soluto en el efluente exceda el valor de Ce se denomina profundidad crítica del lecho: Do (m). Evidentemente, Do será menor que D.
Do se obtiene de la ecuación anterior haciendo t=0 y despejando D, que en este caso es igual a Do. Como el término exponencial es mucho mayor que la unidad, se desprecia el término unidad entre paréntesis en el primer miembro. El resultado final es:
El tiempo en servicio se obtiene despejando t y despreciando el término unidad entre paréntesis en el primer miembro al compararlo con el término exponencial. Se obtiene:
Esta expresión es la base para la determinación experimental de los parámetros No y K en columnas a escala semipiloto.