Adsorción superficial y sus aplicaciones en la industria y la protección del medio ambiente
1.3 Tamaño y forma de las partículas de los carbones activados comerciales
Los carbones activados comerciales se producen en diversas formas. Por lo tanto, se clasifican en polvo, gránulos y moldeados en función de su tamaño de partícula y forma.
Los carbones activados en polvo (PAC) tienen tamaños de partículas muy pequeños (normalmente menos de 100 micrómetros de diámetro). Su ventaja sobre las partículas grandes es que existe una menor resistencia a la difusión de la adsorción y, por lo tanto, se logra una tasa de adsorción mucho mayor. Los carbones en polvo generalmente se preparan mediante la activación química del aserrín. Se utilizan preferentemente para la absorción desde la fase líquida y son sencillos de utilizar. El PAC se añade directamente a la solución, se agita, se deja en contacto durante un breve tiempo y posteriormente se separa por filtración.
Los carbones activados granulares (GAC) tienen un tamaño de partícula relativamente mayor en comparación con el PAC y, en consecuencia, tienen una superficie externa más pequeña. Por lo tanto, la difusión de los materiales adsorbidos es un factor importante. Aunque los carbones granulares o moldeados son más caros que los carbones en polvo, pueden ser más rentables si la tasa de uso es alta porque se pueden recuperar y reutilizar. Los carbones granulares o formados son más deseables para el procesamiento continuo o cíclico en operaciones de lecho fijo . La caída de presión sobre el lecho se puede controlar ajustando la distribución del tamaño de partícula. El tamaño del grano se selecciona en función de la altura del sustrato utilizado. Los GAC se pueden preparar mediante métodos de activación física utilizando una variedad de materias primas como carbón bituminoso, carbón subbituminoso, coque de petróleo y turba.
Los carbones activados extruidos se obtienen mezclando inicialmente materias primas carbonosas con un agente aglutinante, generalmente madera o alquitrán de hulla u otra tierra. Sin embargo, también se han intentado utilizar resinas, productos derivados del petróleo u otros materiales aglutinantes para este fin. El proceso de granulación implica la preparación de una pasta compuesta de polvo de carbón finamente molido y alquitrán, la extrusión de los gránulos y el secado. El método más común para producir gránulos cilíndricos implica la extrusión de una pasta plástica que incluye un agente aglutinante de carbón a través de una boquilla. Las hebras resultantes se cortan en cuentas cilíndricas de las dimensiones requeridas. Los gránulos formados se carbonizan después del secado. Se han desarrollado muchos métodos para granular carbones activados, que permiten la producción de gránulos esféricos. Estos gránulos presentan ventajas significativas sobre los gránulos cilíndricos o irregulares, estos últimos son particularmente propensos al colapso o la abrasión.
Procesos para reducir el impacto ambiental del acabado de tejidos
2.3.6 Tratamiento con carbón activado en polvo
Los compuestos tóxicos y agresivos presentes en las aguas residuales se pueden absorber utilizando carbón activado. El tratamiento con carbón activado en polvo (PAC) se utiliza principalmente para eliminar compuestos orgánicos persistentes (como pesticidas y biocidas) y compuestos orgánicos (como AOX, BTEX, MAH y PAH). En este tratamiento PAC, el proceso de degradación biológica ocurre sin perturbaciones y con un cambio en los compuestos infiltrados. El PAC se dosifica en el tanque de aireación. El óptimo se determina mediante la experimentación. A medida que aumentan las cantidades de lodos durante el proceso, puede ser necesario un sistema de tratamiento de lodos adicional. Dado que el tiempo de residencia del carbón activado agregado depende de la edad del lodo en el sistema, el proceso PAC es difícil de controlar.
La presencia de PAC mejora la sedimentación de los lodos. Cuanto más carbón activado se añade, más lodo se produce. Se debe tener cuidado con la formación de polvo. Un inconveniente es el color (residuo negro). La presencia de carbón activado puede afectar la posibilidad de eliminar el exceso de lodos.
La ciencia de la interfase en la purificación del agua potable
2.4.1. Carbón activado en polvo
El carbón activado en polvo (PAC) se puede agregar antes de la coagulación, durante la adición de productos químicos o durante la etapa de sedimentación, antes de la filtración con arena. En el primer caso, se elimina del agua durante el proceso de coagulación, y en el segundo caso, se elimina mediante filtración. Como su nombre lo indica, el PAC se presenta en forma de partículas y su tamaño de partícula suele estar entre 10 y 100 micrómetros de diámetro. Una ventaja del PAC es que puede aplicarse durante períodos cortos cuando surgen problemas y luego suspenderse cuando ya no es necesario. En el caso de problemas que sólo pueden surgir periódicamente, como las toxinas de las algas o el sabor y el olor, esto puede suponer una enorme ventaja en términos de costes. Una desventaja del PAC es que actualmente no se puede reutilizar y se elimina con lodos de tratamiento o agua de retrolavado.
Producción y rendimiento de carbón activado a partir de cáscara de arroz para la eliminación de materia orgánica natural del agua: una revisión.
9.1 Carbón activado en polvo
El carbón activado en polvo generalmente consta de tamaños de partículas de 10 a 100 μm de diámetro (Newcomb, 2006). Este tipo de carbón activado no está muy desarrollado porque propiedades como densidad, dureza e índice de desgaste suelen ser bajas. El costo de producción de PAC generalmente se minimiza porque generalmente se desecha después de su uso (Parsons et al., 2014). El PAC se utiliza a menudo para eliminar el NOM del agua potable, que causa olor y sabor (Carrière et al., 2009), pero es ineficaz para eliminar los precursores de DBP (Carrière et al., 2009). El PAC se puede aplicar en varias etapas del tratamiento del agua, incluso antes de la coagulación, durante la adición de productos químicos o en la etapa de sedimentación antes de la filtración con arena (Newcombe, 2006). Sin embargo, su uso plantea algunos problemas prácticos debido a la necesidad de separar el PAC del agua después de su uso (Gupta et al., 2009). Según Newcomb (2006), el PAC aplicado antes o durante la coagulación se puede eliminar del agua durante el proceso de coagulación, mientras que el PAC aplicado en la etapa de sedimentación antes de la filtración con arena se puede eliminar mediante filtración. Sin embargo, los estudios han demostrado que el uso de PAC antes de la coagulación da como resultado una mayor eliminación de NOM en comparación con cuando se aplican PAC y coagulación simultáneamente (Duane et al., 2003; Tomaszewska et al., 2004). Cuando la concentración de NOM se reduce mediante la adsorción de PAC, esto también reduce la dosis de coagulante. Por otro lado, el uso de PAC después de la coagulación (o en la etapa de sedimentación antes de la filtración con arena) produce un aumento de la turbidez porque el PAC no se incorpora a los flóculos. El PAC también se puede aplicar únicamente sin coagulación, aunque la eficiencia de eliminación de NOM es tan baja como 4-75% (Uyak et al., 2007). En general, la aplicación combinada de coagulación química con PAC puede ser una alternativa más rentable que la coagulación química sola para cumplir con los requisitos de la Etapa 1 de la Ley de Desinfectantes/DBP (Najm et al., 1998).
A partir de una revisión de la literatura, se encontró que se han realizado muy pocos estudios de adsorción sobre la eliminación de NOM utilizando carbón activado en polvo derivado de la cáscara de arroz.
Entre estos, podemos mencionar los estudios de El-demerdash et al. (2015) quienes estudiaron la eliminación de NOM y THM utilizando carbón activado en polvo de cáscara de arroz. En sus hallazgos, la eliminación de NOM osciló entre 9,7 y 76,1%, mientras que la eliminación de THM osciló entre 12,0 y 58,8% dependiendo de la dosis de carbón activado en mg L -1 . Kalderis et al. (2008a) investigaron la adsorción de ácidos húmicos en PAC derivado de la cáscara de arroz. Se logró una carga máxima de 11,59 mg de ácido húmico por gramo de carbón activado. Los autores atribuyeron la baja carga máxima a la microporosidad y al bajo contenido de Fe2O3 y CaO del carbón activado de cáscara de arroz. Esto es consistente con los hallazgos de Daifullah et al. (2004), quienes informaron que los carbones activados de cáscara de arroz con mayor mesoporosidad tenían una capacidad de adsorción de ácido húmico 20% mayor que los carbones con menor mesoporosidad. También se ha informado que la presencia de óxidos ácidos como SiO2 y P2O5 ( comúnmente presentes en las cenizas ) en la superficie del carbón aumenta la adsorción de ácidos húmicos al reducir el pH de la solución (Daifullah et al., 2004). Diamadopoulos et al. (1992) encontraron que los carbones activados sin cenizas tenían una baja capacidad de adsorción de ácidos fúlvicos. En su estudio, el carbón activado con una superficie de más de 1000 m2/ g /l tuvo una capacidad de adsorción significativamente menor para el ácido fúlvico en comparación con el carbón activado con alto contenido de cenizas y una superficie de menos de 300 m2/g / l . Los autores atribuyen el aumento de la capacidad de adsorción de ácido fúlvico con el aumento del contenido de cenizas del carbón activado a la capacidad del ácido fúlvico de interactuar con óxidos metálicos e iones metálicos que constituyen una parte significativa de las cenizas. Estos hallazgos indican que la presencia de ceniza en el carbón activado de cáscara de arroz puede tener un efecto significativo en la eliminación de NOM del agua. La Tabla 8 muestra estudios previos sobre la eficiencia de eliminación de NOM del carbón activado derivado de cáscara de arroz en comparación con el carbón activado comercial y otros adsorbentes de bajo costo.
Tabla 8 . Resumen de la eficiencia de eliminación de NOM mediante carbón activado de cáscara de arroz, en comparación con el carbón activado comercial y otros adsorbentes de bajo costo.
| Absorbente | Deducción NOMBRE/NOMBRE/DBP | Eficiencia de eliminación (%) | Remisión |
|---|---|---|---|
| PAC de cascarilla de arroz | Nombre | 9.7-76.10 | Al-Damardash y otros (2015) |
| Solo PAC comercial | Nombre | 71.20 | Joseph y otros (2012) |
| PAC de cascarilla de arroz | Trihalometano | 12-58.8 | Al-Damardash y otros (2015) |
| Alum + PAC comercial | Nombre | 19-92.0 | Joseph y otros (2012) |
| FeCl3 + PAC comercial | Nombre | 2,5-84,0 | Joseph y otros (2012) |
| PAC Palma de coco | DOC | 77,00 | Ribave Teixeira et al. (2017) |
| GAC a base de carbón bituminoso | THMFP | >85,00 | Iriarte-Velasco et al. (2008) |
| Carbón activado comercial | Tabla de contenidos | 42-45,00 | Lokkonen y otros (2014) |
| Carbón activado comercial | DOC | 58-68,00 | Lokkonen y otros (2014) |
| Carbón activado de cáscara de arroz | BACALAO | 70,00 | Kalderis y otros (2008a,b) |
Nota: THMFP es el potencial de formación de trihalometanos.
De los datos que se muestran en la Tabla 8, la eficiencia de eliminación de NOM mediante carbón activado derivado de cáscara de arroz se compara bien con la obtenida mediante la aplicación de carbón activado comercial. Por lo tanto, el carbón activado derivado de la cáscara de arroz puede servir como una alternativa potencial al costoso carbón activado comercial. Sin embargo, todavía es necesario colocar tanto el carbón activado derivado de cáscara de arroz como el carbón activado comercial en condiciones de agua completamente similares para obtener una mejor comparación entre los dos adsorbentes.
Tratamiento de aguas residuales aceitosas
Shahriar Jafarinejad, en Tratamiento de residuos petrolíferos y control de la contaminación , 2017
6.4.3.1.2 Tratamiento de lodos activados con carbón activado en polvo
El carbón activado (tanto el carbón activado en polvo (PAC) como el carbón activado granular (GAC)) se ha utilizado durante mucho tiempo en el tratamiento de agua y aguas residuales debido a su gran área superficial de adsorción (Tri, 2002; Jafarinejad, 2015e). El carbón activado en polvo tiene un diámetro de menos de 200 mallas (Tri, 2002). El tratamiento de lodos activados con PAC es similar al proceso AS convencional, pero en este proceso, el PAC se agrega al tanque de aireación o al licor mezclado. La eliminación de contaminantes se logra y mejora mediante una combinación de biodegradación y adsorción (Tri, 2002; IPIECA, 2010). En la Figura 6.6 se muestra un esquema de un proceso típico de tratamiento con carbón activado en polvo (PACT). La mayor parte del PAC se recicla con lodos activados, pero el sistema requiere la incorporación continua de carbón fresco.El proceso PACT se utiliza generalmente para aguas residuales de la industria petrolera, donde se deben cumplir estándares estrictos para contaminantes específicos (IPIECA, 2010). Según Tri (2002), el proceso PACT generalmente puede eliminar compuestos orgánicos con mayor eficacia de lo que se esperaría mediante biodegradación o adsorción por sí sola. La dosificación de PAC y la concentración de sólidos suspendidos – licor mezclado – PAC – están relacionadas con la edad del lodo de la siguiente manera:
Figura 6.6 . Esquema de un proceso típico de tratamiento con carbón activado en polvo (PACT).
Modificado de IPIECA, 2010. Uso y gestión del agua y tratamiento de aguas residuales. Serie de mejores prácticas operativas de IPIECA, Londres, Reino Unido.
donde X p es el contenido de PAC MLSS de equilibrio (mg/L), Xi representa la dosis de PAC (mg/L), θc es el tiempo de retención sólida (d) y θ representa el tiempo de retención hidráulica (HRT) ( d ) . La dosis de carbono suele estar entre 20 y 200 mg/L. La eliminación de materia orgánica por unidad de carbono aumenta con el aumento de la edad del lodo, lo que mejora la eficiencia del proceso (Tri, 2002).
Envejecimiento de la membrana durante el tratamiento del agua
Prueba de provocación con carbón activado en polvo
Una alternativa que reduce las desventajas de la prueba de desafío microbiano es la prueba de desafío con carbón activado en polvo (PAC). Esto se basa en el mismo principio que su contraparte microbiana, con la única diferencia de que se introducen dosis controladas de PAC en el sistema en lugar de bacteriófagos o sustitutos de esporas. El tamaño de partícula del PAC debe estar en el mismo rango de tamaño que Giardia y Cryptosporidium para imitar a los microbios (Van Hoof, Bruns, Nahrstedt, Panglisch y Gimbel, 2003). Este método se basa en un contador de partículas y, por lo tanto, presenta los inconvenientes del conteo de partículas. Además, la sensibilidad de la prueba se ve afectada en gran medida por la distribución del tamaño de las partículas de PAC y puede provocar ensuciamiento de la membrana si no se controla adecuadamente.
Estrategias para mejorar la eliminación de microcontaminantes de aguas residuales mediante biorreactores de membrana: avances recientes y perspectivas futuras
4.2 Aditivos externos para mejorar el rendimiento biológico y de las membranas
Se pueden agregar varios aditivos directamente al biorreactor para mejorar el tratamiento biológico y reducir la suciedad de la membrana, mejorando así el rendimiento general del MBR para el tratamiento de aguas residuales. Los aditivos comunes incluyen carbón activado, biocarbón, bioportadores e inóculos microbianos. El carbón activado en polvo (PAC) es un adsorbente ampliamente utilizado para proporcionar una alta superficie específica para mejorar la eliminación de microcontaminantes a través de la adsorción directa y una biodegradación mejorada mediante la formación de biopelículas (Gutiérrez et al., 2021). Asif et al. (2020b) agregaron 20 g/L de PAC en MBR y observaron que la eliminación general de los ocho microcontaminantes aumentó entre un 10 y un 40 % en comparación con un sistema de control. El carbón activado también puede ser granular y utilizarse como medio fluido en MBR. Lim et al. (2019) desarrollaron un MBR de lecho fluidizado anaeróbico de una sola etapa utilizando GAC para la eliminación completa de diclofenaco, ibuprofeno y sulfametoxazol en aguas residuales sintéticas de baja concentración. La mayor eliminación de estos microcontaminantes se puede atribuir a su adsorción en GAC y al aumento de la biodegradación por la biopelícula formada.
Recientemente se han utilizado biocarbón y otros biotransportadores para mejorar el rendimiento del MBR en un esfuerzo por reducir el costo del carbón activado. El biocarbón es un material de carbono microporoso y puede ser un adsorbente o bioportador para favorecer el crecimiento microbiano y eliminar aún más contaminantes en los procesos biológicos. Cheng et al. (2021) introdujeron 0,5 g/L de biocarbón derivado de cáscara de pomelo en un MBR anaeróbico para aumentar la eliminación de sulfadiazina y sulfametazina en más del 30%. Además, Yu et al. (2018) demostraron que el género Thermomonas podría enriquecerse eficazmente en MBR con bioportadores de plástico esponjoso para aumentar la eliminación de sulfadiazina y sulfametoxazol en un 15 y 17%, respectivamente. Es de destacar que el tratamiento biológico se puede mejorar directamente inoculando reactivos microbianos para desarrollar MBR biológico. Por ejemplo, Aydin y Ken (2020) agregaron un cóctel Pyophage con 3 × 108 unidades formadoras de placa /mL en MBR para aumentar el metabolismo y la adsorción del lodo, lo que resultó en la eliminación de eritromicina y sulfametoxazol hasta en un 99%.
Estos aditivos de carbono y bioportadores también son eficaces para controlar el ensuciamiento de la membrana y mantener el rendimiento del MBR. Cheng et al. (2021) demostraron que la adición de biocarbón puede reducir el aumento de la presión de la membrana al adsorber SMP y EPS en el lodo y aumentar el ciclo de ensuciamiento de la membrana de 12 días a 19 días. Sin embargo, las dosis de estos aditivos deben ajustarse al tratamiento de diferentes flujos de residuos para reducir los costos operativos y evitar daños a la membrana. Akram y Stuckey (2008) informaron que aumentar la adición de PAC de 1,6 a 3,4 g/L podría aumentar la viscosidad del licor mezclado para reducir el flujo de la membrana en un 44%. (Son et al., 2021).
La ciencia de la interfase en la purificación del agua potable
2.4. Aplicación del carbón activado para la purificación del agua potable
En la purificación de agua potable se utilizan comúnmente dos formas de carbón activado: carbón activado en polvo y carbón activado granular.
2.4.1. Carbón activado en polvo
El carbón activado en polvo (PAC) se puede agregar antes de la coagulación, durante la adición de productos químicos o durante la etapa de sedimentación, antes de la filtración con arena. En el primer caso, se elimina del agua durante el proceso de coagulación, y en el segundo caso, se elimina mediante filtración. Como su nombre lo indica, el PAC se presenta en forma de partículas y su tamaño de partícula suele estar entre 10 y 100 micrómetros de diámetro. Una ventaja del PAC es que puede aplicarse durante períodos cortos cuando surgen problemas y luego suspenderse cuando ya no es necesario. En el caso de problemas que sólo pueden surgir periódicamente, como las toxinas de las algas o el sabor y el olor, esto puede suponer una enorme ventaja en términos de costes. Una desventaja del PAC es que actualmente no se puede reutilizar y se elimina con lodos de tratamiento o agua de retrolavado.
2.4.2. Carbón activado granular
El carbón activado granular (CAG) se utiliza ampliamente en Europa y Estados Unidos para eliminar microcontaminantes como pesticidas, productos químicos industriales y sabores y olores. También se utiliza más en Australia, particularmente para eliminar el sabor y el olor y protegerse contra la posibilidad de floraciones de algas tóxicas en la fuente de agua. El tamaño de partícula es mayor que el del PAC, normalmente entre 0,4 y 2,5 mm. El carbón activado granular se utiliza generalmente como paso de acabado final, después del tratamiento convencional y antes de la desinfección. Las ventajas del GAC son que proporciona una barrera constante contra episodios inesperados de contaminación de fuentes de agua y la gran masa de carbono crea una superficie muy grande. Su desventaja es que tiene una vida útil limitada y debe ser reemplazado o reconstruido cuando su rendimiento ya no es suficiente para proporcionar agua potable de alta calidad. El reemplazo regular de GAC genera altos costos de tratamiento continuo. El proceso de regeneración implica calentar el carbón a temperaturas muy altas para vaporizar los compuestos adsorbidos.Los costos asociados con este proceso incluyen los costos de capital para establecer una instalación de recuperación o el transporte a una instalación existente, los costos de energía y la pérdida de parte del CAG debido a la erosión.
La filtración a través de GAC se utiliza a menudo junto con el ozono. Cuando se utiliza junto con el ozono, a veces se le llama BAC o carbón biológicamente activado. Sin embargo, esto es un nombre inapropiado porque todos los filtros GAC funcionan como filtros biológicos al cabo de unas pocas semanas o meses de su instalación.
Tratamiento de emisiones fugitivas de disolventes tipo “tubo de escape”.
John B. Durkee II, en Limpieza con disolventes: métodos y maquinaria , 2014
4.3 Características de un adsorbente de carbón activado
El carbón activado es un producto global E , F. Existe un mundo real de sustratos G , H que son productos dañados y pueden convertirse en carbono y luego activarse a través de varios procesos.
La razón de esta abundancia es que existe un mundo real de aplicaciones para el carbón activado. Esto incluye la eliminación de al menos H2S , SO2 , NOX , HCN , HCOH (formaldehído), NH3 , mercurio y CO2 de grandes volúmenes de corrientes de aire residual, como emisiones de centrales eléctricas o refinerías, así como el controlEmisiones de gases de efecto invernadero derivadas de las operaciones de limpieza. Además de las aplicaciones que implican la purificación del aire con GAC, es probable que haya más aplicaciones para la purificación del agua utilizando PAC.
Cada una de las aplicaciones de adsorción mencionadas anteriormente se realiza mejor con un adsorbente activo diferente. Puede elegir entre un producto con diferentes cosas: diámetro de poro más pequeño, tamaño de poro y distribución de volumen, área de superficie total por carga volumétrica 8 . Y especialmente , el método de activación I.
Para el usuario, esta es una buena noticia. Existe un gran número de proveedores de carbón activado 9 capaces, experimentados y competitivos . No hay razón para trabajar con una empresa que no parece ser así.
La mala noticia es que la preparación, el uso y la recuperación de carbón activado es un negocio global que vale al menos 4 mil millones de dólares, y la cantidad gastada en la recuperación o recuperación de solventes de o para operaciones de limpieza es insignificante en ese volumen de negocio.
En la medida en que el tratamiento de difusión de vapor se utiliza para recuperar solventes a escala comercial, está (o ha estado) asociado con las emisiones de gases de efecto invernadero de las estaciones de servicio, particularmente en California, la recuperación de solventes utilizados en la industria de la cinta (cinta de sellado), la impresión en huecograbado y los envases celulósicos para cigarrillos.
La mayor parte del comercio mundial de carbón activado tiene como objetivo eliminar la cloramina del agua para hacerla apta para beber.