República Bolivariana de Venezuela Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica de la uerza !rmada Puerto P"ritu # Edo !nzo$te%ui
DISEÑO DE FILTRO CON CARBON ACTIVO Trabajo Trabajo de grado como requisito ara arobar materia
Profesora& 'n%( )arla *uriel !utores& +eisson +eisson pare,o p are,o -rte%a Darlimar .éctor /e0n 1osé /e0n +erald +e rald !bano )evin *$rdenas E%dual2s 3uerra Rober Paravabire Marbin *ampos No4el2 3arcia
Puerto Piritu anzoate%ui 5678
!NDICE "ENERAL !NDICE 9:ndice %eneral 9 :ndice de i%uras
Ca#tu$o I 'N;R-DU**'( -btenci0n del carb0n activado 7(?( !plicaciones del carb0n activado
Ca#tu$o II -B1E;'V-@ + P/!N DE ;R!B!15(7( -b,etivos 5(5( Plan de traba,o
Ca#tu$o III ME;-D-/-3:! EAPER'MEN;!/ >(7( Preparaci0n de los carbones activados >(5( Material de partida >(>( Diseo experimental >(?( *aracterizaci0n f"sico9=u"mica de los carbones activados
INTROD%CCI&N
Ca#tu$o I 'N;R-DU**'
l$minasC es decirC los planos se encuentran desplazados unos respecto a otros 2 solapando entre siC por lo =ue presentan un elevado porcenta,e de la estructura altamente desordenada( De esta falta de orden les viene la denominaci0n de carbones no %raf"ticos( /os carbones activadosC activadosC adem$s son no %rafitizablesC %rafitizablesC es decirC debido a este ordenamiento ordenamiento al azar de las capas 2 al entrecruzamiento entrecruzamiento entre ellas no se pueden transformar transformar en %rafito por un tratamiento térmico por encima de los b>666 ) a presi0n atmosférica o menor(
'ma%en 7( Estructura de un carb0n activado( Esta estructura del carb0n activadoC constituida por un con,unto irre%ular de capas de carbono con espacios producidos por los 4uecos creados por el ple%amiento de las capasC es lo =ue constitu2e la porosidad( Esta estructura se muestra en la ima%en 5(
'ma%en 5( Representaci0n es=uem$tica de la estructura de un carb0n activado(
'(,( -roiedades .#sicas / qu#micas de $os carbo*es acti+ados /os carbones carbones activados activados son materiales materiales macrosc0picam macrosc0picamente ente desordenados desordenados aun=ue poseen dominios microcristalinos con un cierto %rado de ordenamiento( El proceso de activaci0n activaci0n al =ue se someten someten los carbones activados activados implica la desaparici0n desaparici0n de carbono de los espacios situados entre las formaciones cristalo%r$ficas compuestos de carbono no or%a or%ani nizad zadoC oC 4acie 4aciend ndoo =ue =ue se forme formenn una %ran %ran cant cantid idad ad pe=ue pe=ueo oss espac espacio ioss entre entre las las part"culas =ue se denominan porosC lo =ue produce =ue estos materiales posean una %ran superficie interna en comparaci0n con la superficie externa o %eométrica( Esta estructura porosa internaC tan desarrollada 2 accesible a los procesos de adsorci0nC confiere a los carbones activados su principal caracter"sticaC su %ran capacidad adsorbente( /os carbones activados son adsorbentes mu2 vers$tiles debido a =ue el tamao 2 la distribuci0n de los poros pueden ser controlados mediante la elecci0n del precursor C el
método de activaci0n 2 el control de las condiciones de preparaci0n C consi%uiendo as" satisfacer necesidades concretasC esto es lo =ue se conoce como el concepto tailorin%( De acuerdo a la clasificaci0n clasificaci0n de la 'UP! 'UP!*C los poros se clasifican en funci0n de su tamao de di$metro en tres %rupos principalesC como se muestra en la 'ma%en >& • • •
Microporos& di$metro de poro menor de 5 nm( Mesoporos& di$metro de poro entre 5 nm 2 86 nm( Macroporos& di$metro de poro ma2or de 86 nm(
'ma%en >( 3r$nulo de carb0n activado( !un=ue los principales responsables de la adsorci0n en un carb0n activado so los microporos C 2a =ue son los =ue contribu2en en ma2or medida a la superficie espec"fica del carb0nC los mesoporos 2 macroporos son i%ualmente importantesC 2a =ue facilitan el acceso de los adsorbatos a los microporos( /as propiedades adsorbentes de los carbones activados no se ven s0lo determinados por su estructura porosa sino también por su naturaleza =u"micaC 2a =ue contienen en su estruc estructu tura ra pe=ue pe=uea ass canti cantida dades des de 4eter 4etero$t o$tom omos os tale taless como como ox ox"% "%en enoC oC 4idr 4idr0%e 0%eno no o nitr0%e nitr0%enoC noC lo =ue permite permite =ue sustanci sustancias as polares polares sean débilme débilmente nte reteni retenidas das sobre sobre la superficie del carb0n activado( Fsto es debido a =ue los $tomos de carbono situados en los bordes de los planos presentan una alta actividad ac tividad disponibleC 2a =ue no est$n saturados de $tomos de carbono 2 poseen electrones libres( Estos sitios est$n normalmente unidos a 4etero$tomos dando lu%ar a %rupos funcionales superficiales =ue pueden modificar sus propiedades adsorbentes( De estos %rupos superficiales los =ue contienen ox"%eno son los m$s usuales( Dada el $rea relativamente alta de fin de plano de los carbones activados presentan una fuerte propensi0n a =uimisorber ox"%eno( Este ox"%eno molecular =uimisorbido puede disociarse en $tomos =ue reaccionen =u"micamente con $tomos de carbono para formar compuestos oxi%enados superficiales( Este proceso de oxidaci0n es m$s si%nificativo en carbones activados tratados aaltas temperaturas( El contenido superficial del ox"%eno no se debe s0lo a reacciones con
ox"%enoC sino =ue puede reaccionar con otros %ases o disoluciones oxidantes( !s"C la superficie del carb0n activado se conforma por oxidaci0n con diferentes a%entes oxidantes para crear %rupos oxi%enados superficialesC o mediante su eliminaci0n por tratamiento térmico( /os $tomos de carbono de los planos basalesC poseen orbitalesC =ue contienen electrones m$s o menos deslocalizado deslocalizadoss dentro de estos planos basales( basales( /a presencia presencia o ausencia ausencia de los %rupos superficialesC as" como el ma2or o menor %rado de deslocalizaci0n de los electronesC afecta a las interaccionesdel carb0n con otros elementos o compuestos( En la 'ma% 'ma%en en ? se muest muestra rann una repres represent entaci aci0n 0n es=uem es=uem$t $tic icaa de los los %rupo %ruposs superficiales m$s importantes =ue pueden encontrarse en un carb0n activado(
'ma%en ?( Principales %rupos funcionales presentes en la superficie de un carb0n activado( /a =u"mica superficial del carb0n activado tiene una naturaleza anf0tera debido a la coexistencia de %rupos superficiales $cidos 2 b$sicos( Gue un carb0n sea %lobalmente $cido o b$sico depender$ de la concentraci0n concentraci0n de estos %rupos 2 de afuerza como $cido o base de los mismos( El contenido de 4etero$tomos también puede modificar las propiedades $cido9 base de las disoluciones =ue se ponen en contacto con el carb0nC o puede aumentar la acidez superficialC posibilitando su actuaci0n como catalizador( -ptimizar la porosidad 2 la =u"mica superficial de un carb0n activado puede resultar complicado debido a la interrelaci0n de ambas propiedades(
'(0( Obte*ci)* de$ carb)* acti+ado Para la preparaci0n de carbones activados se pueden utilizar una %ran variedad de materiales or%$nicosC denominados precursoresC ricos en carbono( /os m$s comunes son del tipo celul0sico o li%nocelul0sicoC utilizados tanto para aplicaciones en fase l"=uida como en fase %aseosa( Dentro de estos precursores se encuentran maderas o restos de podas de la re%i0nC residuos de la a%ricultura como son restos de frutasC bien sean 4uesos de olivaC de melocot0n o de d$til e incluso la piel de al%una frutaC o c$scaras de frutasC principalmente c$scara de cocoC pero también es mu2 mu2 utilizada la c$scara de arroz 2 de frutos secos como de pistac4oC de nuezC de almendraC de avellana o de caca4uete( ;ambién se emplean en la preparaci0n de carbones activados diversos tipos de carb0nC principalmente bituminosos 2 subituminososC celulosas comerciales o li%nina(
/a elecci0n del precursor es importante 2a =ue es un factor =ue influ2e en el desarrollo textural del carb0n activadoC en funci0n del precursor ele%ido se disear$ el proceso de preparaci0n teniendo en cuenta la aplicaci0n final del carb0n activado( ;ambién va a ser fundamental en su elecci0n la disponibilidad 2 el precio de éste( /a principal venta,a del uso de materiales li%nocelul0sicos como precursores radica en su ba,o precioC 2a =ue son considerados residuos en muc4os casos =ue no tienen aplica aplicaci0 ci0nn nin%una nin%una(( !d !dem$ em$ss los materia materiales les li%noc li%nocelu elul0s l0sico icoss =ue se emplea empleann para para la preparaci0n de carbones activados estar$n %eneralmente producidos en la misma zona en la =ue se va a preparar el carb0nC 2 de una forma peri0dicaC por lo =ue se reduce en costesC produciendo un beneficio econ0mico( ;ambién ;ambién se produce un beneficio medioambientalC 2a =ue permite la valorizaci0n valorizaci0n de un residuo 2 su carbonizaci0n carbonizaci0n no contribu2e contribu2e al aumento aumento de las emisiones de *-5 por tratarse de un material li%nocelul0sico( Para preparar un carb0n activado el precursor se debe someter a un proceso de carbonizaci0nC carbonizaci0nC eliminando eliminando elementos como el ox"%eno 2 el nitr0%eno por descomposici0n descomposici0n pirol"tica en atm0sfera atm0sf era inerte para p ara des4idratar el material 2 eliminar sustancias vol$tiles( v ol$tiles( @e obtiene un material en el =ue el carbono sea %rupa en forma de microcristales %raf"ticos elementalesC or%anizado entre s" irre%ularmente lo =ue produce 4uecos intersticiales libre =ue pueden =uedar taponados por al=uitranes 2 residuos de carbonizaci0nC presentando por lo tanto una ba,a capacidad de adsorci0n( Para me,orar la capacidad de adsorci0n del producto de carbonizaci0n se debe someter a un proceso de activaci0nC =ue va a permitir eliminar los al=uitranes 2 desblo=uear los poros( El proceso de activaci0n activaci0n aumenta la superficie superficie internaC el volumen de poro 2 de microporos de los carbonesC aumentando la capacidad de adsorci0n del carb0n activado( En funci0n del a%ente activante empleado en el procesoC as" como en el rendimiento =ue se obtieneC se pueden distin%uir dos tipos de activaciones& f"sica 2 =u"mica( En la acti+aci)* .#sica1 el precursor es previamente carbonizado en atm0sfera inerte H%eneralmente de nitr0%enoI a una temperatura entre >66J* 2 K66J* durante un tiempo entre entre 76 minu minuto tosC sC para para des4i des4idr drat atar ar el mate materia riall 2 elim elimina inarr las las sust sustan ancia ciass vol$t vol$til iles es(( PosteriormenteC es activado mediante un a%ente oxidanteC los a%entes m$s utilizados en la activaci0n f"sica son el vapor de a%ua se%uido del di0xido de carbon 2 el aireC a una temperatura del orden entre L66J* 2 K66J* C %eneralmente superior a la alcanzada en la etapa de carbonizaci0nC durante tiempos entre >6 minutos 2 varias 4oras( Durante la activaci0n se produce una reacci0n entre el %as 2 los $tomos de carbono m$s reactivosC es decirC los m$s insaturadosC elimin$ndolos como mon0xido de carbono( /a pérdida selectiva de $tomos de carbono produce un ensanc4amiento de la porosidadC de forma =ue los microporos microporos del carbonizado se 4acen accesibles accesibles a las sustanciasC sustanciasC 2 aumenta aumenta el volumen volumen de poros tanto m$s cuanto m$s se prolon%ue la activaci0n( ;ambién es posible preparar un carb0n activado en una sola etapa de carbonizaci0n9 activaci0n( activaci0n( Es lo =ue se conoce como acti+aci)* qu#mica( Este tipo de activaci0n consiste en adicionar un a%ente activante al precursor antes de realizar la carbonizaci0nC con el fin
de reducir la formaci0n de materia vol$til 2 al=uitranes 2C por lo tantoC evitar la obstrucci0n de los poros consi%uiendo también un aumento en el rendimiento en carbono s0lido( En primer lu%ar se mezcla el precursor con el a%ente activante durante varias 4oras %eneralmente con a%itaci0n( En cuanto a la utilizaci0n de residuos li%nocelul0sicos como precursoresC el primer a%ente activante empleado fue el n*l5C =ue todav"a se usa en la actualidadC 2 =ue permite la obtenci0n de carbones activados con buenas propiedades( @u uso se mantuvo durante muc4os aosC pero actualmente debido a los problemas ambientales =ue presenta se 4a visto parcialmente desplazado por el .>P-? En menor proporci0n también se utilizan como a%entes activantes el Na-.C el )-.C el .5@-? el .N-> o el .5-5( /as temperaturas temperaturas de activaci0n empleadas empleadas var"an en funci0n del a%ente activante empleadoC 2 suelen ir desde 566J* a K66J*C en el caso del .>P-? se emplean temperaturas de activaci0n m$s ba,as =ue para otros a%entes activantes( En la ma2or"a ma2or"a de los casos la activaci0n activaci0n =u"mica =u"mica de los carbones se realiza ba,o atm0sfera inerteC 4aciendo pasar una corriente de nitr0%eno a través de la mezclaC pero puede utiliz utilizarse arse una atm0sfe atm0sfera ra oxidan oxidante( te( En este este tipo tipo de activac activaci0n i0n es necesari necesariaa una etapa etapa posterior de lavado del carb0n para eliminar los restos de a%ente activanteC esta etapa se puede realizar con a%ua destilada o mediante un sox4let( /a activaci0n =u"mica es el tipo de activaci0n m$s utilizado cuando el precursor es un mate materi rial al li%n li%noce ocelu lul0 l0si sico co debi debido do a las las alta altass $reas $reas super superfi fici cial ales es =u =uee se ob obti tiene enenn %eneralmente( @in embar%oC la activaci0n f"sica de materiales li%nocelul0sicos se si%ue empleando a escala industrial para la preparaci0n de carbones activados debido a =ueC al no re=ue re=ueri rirr a%en a%ente tess =u"m =u"mic icos os para para la acti activa vaci ci0n 0nCC est$ est$ resul resulta ta m$s m$s econ0 econ0mi mica ca 2 meno menoss contaminante(
'(2( A$icacio*es de$ carb)* acti+ado El carb0n activado es un adsorbente mu2 vers$til 2a =ue sus caracter"sticas Hel tamao 2 distribuci0n de poro 2 la =u"mica superficialI pueden se controladas durante la producci0n del carb0n( En la actualidad los carbones activados tienen múltiples usosC tanto en fase %as como l"=uidaC aun=ue el ma2or consumo es para las aplicaciones en fase l"=uidaC =ue en el caso de E(E(U(U( suman aproximadamente un 6O del total( .o2 d"a d"a encue encuent ntra ra sus sus princi principal pales es aplic aplicac acio ione ness en las las indu indust stri rias as =u =u"m "mic icasC asC farm farmac acéu éuti tica cass 2 alim alimen enti tici cias as(( 'ndu 'ndust stri riaa =u"m =u"mic ica& a& recu recupe pera raci ci0n 0n de diso disolv lven ente tesC sC desodorizaci0n del aireC mascarillas de %asC desulfuraci0n de %ases industrialesC tratamiento de a%uas potables 2 cat$lisis entre otros(
'ndus 'ndustri triaa farma farmacéu céuti tica ca&& adsor adsorben bente te de uso %en %enera erall Hpara Hpara la pu puri rifi ficac caci0 i0nn de antibi0ticosC vitaminas 2 otros productosIC ve4"culo excipiente en f$rmacosC tratamientos contra intoxicacionesC etc( 'ndustria alimenticia& decoloraci0n de alimentos Hmu2 importante en la fabricaci0n de azúcaresIC tratamiento de a%uasC tratamiento de bebidas alco40licasC desodorizaci0n de alimentos Dentro de las aplicaciones en fase %as una de las m$s importantes es la purificaci0n de %ases( /os carbones activados se utilizan en la industria =u"mica para la producci0n de %ases puros reduciendo los %ases contaminantes a concentraciones mu2 ba,as en una solo etapa Hdesulfuraci0nIC como protecci0n contra %ases t0xicos =ue van a ser respirados por el 4ombreC en aires acondicionados o para eliminar aceite de aire comprimido( -tra de aplicaci0n aplicaci0n de los carbones activados es la limpieza de %ases de salidaC salidaC como es en vapores =ue ven ventea teann tan=ue tan=uess atmosfé atmosféric ricos os de compuest compuestos os or%$ni or%$nicos cos vol$ti vol$tiles les H%asoli H%asolinera nerass e industriasI o en salidas de %ases de producciones industriales Hrecubrimientos 2 pinturasI( ;ambién est$ mu2 extendido su uso en el control de oloresC 2a sean %enerados por procesos industriales o plantas de tratamiento de a%uaC en el transporteC o en lu%ares cerrados como bode%as o en los 4o%ares(
Ca#tu$o II -B1E;'V-@ + P/!N DE ;R!B!1,('( Objeti+os -b,etivo 3eneral& El ob,etivo principal de esta investi%aci0n es desarrollar carbones activados a partir de c$scara de coco para la adsorci0n 2 recuperaci0n de a%ua purificada( -b,etivo Espec"ficos& Para la consecuci0n del ob,etivo principalC se 4a profundizado en los si%uientes aspectos&
9-ptimizaci0n de la metodolo%"a de obtenci0n de los carbones activados a partir de la c$scara de coco( 9Estudio de la adsorci0n unicomponente a%ua de lluvia en modo dinamico( 9Estudi 9Estudiar ar la adsorci0n adsorci0n multico multicompo mponent nentee de compuesto compuestoss or%$ni or%$nicos cos en modo modo din$micoC en presencia de 4umedad( 9Estudiar 9Estudiar la %eneralidad %eneralidad de los carbones carbones activados( Va Valoraci0n loraci0n de las propiedades propiedades de los carbones activados después de varios ciclos de adsorci0n( 5(5( Plan de traba,o /as etapas de desarrollo se%uidas en este traba,o para la obtenci0n de los resultados presentados 2 la consecuci0n de los ob,etivos propuestos 4an sido las si%uientes& 9En un primer lu%ar se prepararon los carbones activados si%uiendo el diseo experimental propuesto =ue se presenta en el presente traba,o( 9/os carbones activados obtenidos se caracterizaron mediante diferentes técnicas anal"ticas e instrumentales cu2os resultados se encuentran en el traba,o( 9/as capacidades m$ximas de adsorci0n de los carbones activados se obtuvieron mediante pre9pruebas( 9Elaboramos el filtro de forma ecol0%ica utilizando una botella pl$stica como material reciclable pl$stico( 9Para una me,or absorci0n de los a%entes contamiantes presentesen el a%ua se procedi0 a usar varias capas de los distintos materiales =ue forman el filtro(
Ca#tu$o III ME;-D-/-3:! EAPER'MEN;!/ 0(' -rearaci)* de $os carbo*es acti+ados >(7(7( Material de partida El material de partida para la preparaci0n de los carbones activados en este traba,o es c$scara de *ocoC triturada ( El porcenta,e de cenizas del precursor es de 5C?OC encontr$ndose en ese traba,o m$s detalles de la caracterizaci0n del precursor empleado( *omo a%ente activante para la preparaci0n de los carbones activados se emplea a%ua destilada( -tros materiales también usados son& 3asa& !l%od0n !rena Ma2a • • • •
Esto Estoss mate materia riale less fuero fueronn ele% ele%id idos os deb debid idos os a su comp compor orta tami mient entoo en cuant cuantoo a adsorci0n de li=uidos >(7(5( Diseo experimental
/as condiciones de preparaci0n de los carbones se obtuvieron mediante un diseo experimental simple con experimentos en el centro( /os par$metros considerados para el diseo experimental son la temperatura de activaci0n( El ran%o de la temperatura de entrada al diseo experimental fue de ?66J* a 66J*C 2a =ue en la biblio%raf"a consultada los valores de temperatura %eneralmente empleados se encuentran en este ran%o( El ran%o de tiempo isotermo de carbonizaci0n9activaci0n de los carbones es de 6C8 # 5 4orasC tiempo medio encontrado en la biblio%raf"a consultada(
CONCL%SI3N
BIBLI"RAFIA