Número de yodo como variable para evaluar la capacidad operativa de carbones activados granulares (o peletizados).
En la mayoría de las aplicaciones, el carbón activado se utiliza para adsorber moléculas formadas por una alta proporción de enlaces covalentes: como los enlaces carbono-carbono o carbono-hidrógeno de compuestos orgánicos. El carbón activado también se utiliza como reactivo o catalizador, como ocurre en la decloración del agua, que es uno de los usos más comunes del carbón activado en México. La reacción de descloración (eliminación de cloro libre para convertirlo en iones de cloruro) es la siguiente:
HOCl(l) + C(s) ➜ CO* + H+(l) + Cl–(l)
donde HOCl(l) es ácido hipocloroso, C(s) es carbón activado y CO* representa un óxido de carbono que puede estar unido a la superficie del carbón activado o puede disolverse en solución como ácido carbónico.
La reacción anterior no es la única que ocurre cuando se descarga agua a través de carbón activado. Hay otros casos en los que el carbono participa como reactivo o como catalizador.
Digamos que la “capacidad operativa” de un carbón activado es la cantidad de fluido (gas o líquido) que puede tolerar para lograr una calidad determinada. Esta calidad se puede medir en términos de demanda química de oxígeno (DQO), color, olor, cloro libre o algún compuesto o familia de compuestos específicos. El “punto de ruptura” se produce cuando el efluente del equipo que contiene carbón activado es de calidad inaceptable. En este punto, es necesario reemplazar el carbón porque su vida útil ha expirado. El carbón usado debe eliminarse o reactivarse.
La única forma de evaluar con precisión la capacidad operativa del carbón activado granular es en el campo.
Los fabricantes y usuarios de carbones activados granulares buscan variables fisicoquímicas que sean fáciles de medir y que reflejen la capacidad operativa del carbón. Estas variables incluyen la capacidad de adsorción de yodo, fenol, azul de metileno, melaza, tetracloruro de carbono, butano, etc.
La variable más aceptada comercialmente es el número de yodo (índice de yodo), que es el número de miligramos de yodo que serán absorbidos por un gramo de carbono (en base seca) cuando la concentración de yodo residual en solución es de 0,02 N.
¿Por qué el carbón con un índice de yodo más elevado tiene precios más altos?
El índice de yodo está tan ampliamente aceptado que el precio de la mayoría de los carbones activados estándar del mercado se basa en gran medida en su valor. Hay dos razones por las cuales el índice de yodo ha sido aceptado como una variable para la evaluación del carbón: (a) Para ciertos tipos de carbón activado bajo ciertas condiciones, se ha demostrado que el índice de yodo es relativamente proporcional al área superficial del carbón. (área determinada por la absorción de nitrógeno); y (b) los materiales y reactivos para medir el índice de yodo son económicos y el tiempo necesario para realizar el análisis es relativamente corto.
Desafortunadamente, la realidad es que el índice de yodo está lejos de reflejar la superficie del carbón activado y su capacidad operativa. Hasta el punto de que en el campo de la ciencia, el número de yodo no se utiliza como variable para evaluar el carbono.
¿El índice de yodo determina la capacidad de adsorción del carbón activado?
1. El índice de yodo sólo es proporcional a la superficie del carbón activado.
Para determinar el número de yodo, la molécula que se adsorbe en el carbono es el ion triyoduro: I 3 -1 . Como se trata de un anión, los óxidos superficiales del carbón activado lo repelen. Por lo tanto, cuanto más óxidos superficiales contenga un carbón activado, menor será su índice de yodo, aunque su área superficial no cambiará.
2. Aunque el número de yodo es proporcional al área superficial de cada carbón activado, la capacidad de adsorción de yodo no es proporcional a la capacidad de adsorción de otras moléculas.
Esto se debe a dos razones:
2.1 La capacidad de adsorción del carbón activado depende de la relación entre el tamaño de la forma molecular a retener y la distribución del tamaño de poro del carbón.
Las moléculas más grandes que el diámetro de los poros no entran. Y las moléculas mucho más pequeñas que el diámetro del poro se adsorben con menos fuerza y, por lo tanto, son menos eficientes.
2.2 La capacidad de adsorción del carbón activado depende de la estructura química de la molécula a retener y de la química de la superficie del carbón.
Por esta razón, un mayor índice de yodo no corresponde necesariamente a una mayor capacidad de adsorción de la molécula (o familia de moléculas) que queremos adsorber. Es común encontrar en la literatura gráficos como el siguiente:
3. En la mayoría de las aplicaciones de los carbones activados granulares, su capacidad operativa depende no sólo de su capacidad de adsorción (más correctamente “capacidad de adsorción en equilibrio” o “capacidad de adsorción cuando se alcanza el equilibrio”), sino también de su cinética (velocidad). Ellos trabajan.
La cinética con la que actúa el carbón activado granular depende de lo siguiente:
3.1 Su distribución del tamaño de poro así como el diámetro de poro dominante. Cuanto mayor sea el diámetro del poro, mayor será la cinética con la que trabaja el carbón activado.
3.2 Distribución del tamaño de partículas del carbón activado granular. Cuanto menor sea el tamaño de las partículas, mayor será la cinética del carbón activado granular.
Una forma de ilustrar esto último es a través del siguiente esquema, donde se alimentan dos columnas de carbón activado granular con la misma solución, el mismo flujo instantáneo y el mismo tipo y cantidad de carbón activado. La única diferencia entre las dos columnas es que el tamaño promedio de las partículas de carbono en la columna de la derecha es más pequeño. Si mide la profundidad del lecho de carbono donde tiene lugar el proceso de adsorción (una profundidad llamada «zona de transferencia de masa», MTZ), encontrará que cuanto menor sea el tamaño de la partícula, menor será la altura de la MTZ. Y como el MTZ es más bajo para el carbono con un tamaño de partícula más pequeño, el punto de falla ocurre más tarde y este carbono tendrá una mayor capacidad operativa.
Resultado:
De lo anterior se puede concluir que el índice de yodo no es una variable con la que se pueda medir directamente la capacidad del carbono para adsorber una molécula distinta al ion triyoduro. Y mucho menos, puede ser una variable con la que se pueda predecir la capacidad operativa de un carbón activado granular.
Lo que puede ser útil para predecir la capacidad operativa restante de un carbón activado en uso es medir el número de yodo en el momento en que ocurre el punto de falla y utilizar estos datos para predecir el tiempo aproximado del punto de falla para futuros ciclos operativos. Siempre que se utilice el mismo carbón activado granular comercial y siempre que no se modifique sustancialmente la composición de la solución tratada con el carbón activado.