Preparación de carbón activado mediante la activación química de carbón mineral

Autores:
Carmen Sarmiento, Jorge Sánchez, Cézar García, Yolanda Rincón, Alismara Benítez y Jorge Ramírez
Ciclo Básico de la Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Química y División de Postgrado de la Facultad de Ingeniería. Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela
Recibido: 18-10-02   Aceptado: 30-03-04

Resumen
 En este trabajo se presenta la preparación y caracterización de carbón activado mediante la activación química con ácido fosfórico como agente activante, obtenido de carbón mineral de la cuenca carbonífera de Guasare.
Se estudiaron las siguientes variables de preparación: granulometría del carbón, temperatura y tiempo de carbonización. La capacidad adsortiva del carbón activado, se determinó con las técnicas del número de yodo y de azul de metileno.También se midió la adsorción de fenol y se realizó un análisis termogravimétrico del carbón activado fresco y tratado con benceno. El aumento en la temperatura y el tiempo de carbonización no optimizaron grandemente la eficiencia en la capacidad de adsorción del carbón.
 Palabras clave: Activación química; carbón activado; carbón mineral.

Preparation of activated coal through chemical activation of mineral coal
Abstract In this research work its presents the preparation and characterization of activated coal through acid phosphoric impregnation of mineral coal from Guasaremine. The following variables of preparation were studied: size of coal particles, temperature and time of carbonization. The adsorptive capacity of activated coal was determined by the measurements of iodine number and blue methylene. Also, the phenol adsorption was measured and a thermogravimetric analysis of fresh activated coal and time of carbonization did not improve the efficiency of adsorption capacity of coal. Key words: Activated coal; chemical activation; mineral coal.

Introducción 

El carbón activado es un material poroso carbonáceo con una gran área superficial, es capaz de adsorber una gran diversidad de sustancias tanto gaseosas como líquidas (1), y es conocido desde principios del siglo pasado, por sus propiedades absorbentes. En la actualidad es ampliamente utilizado para remover el color, olor, sabor y un sinnúmero de impurezas orgánicas durante el tratamiento de agua para el uso domestico e industrial. También se usa en la recuperación de solventes, en la remoción del color en diversas esencias azucaradas, en el control de la contaminación ambiental, en la industria farmacéutica y médica (1, 2). La capacidad que tiene el carbón activado para la remoción de sustancias se debe a 1a alta superficie interna que posee si bien la porosidad y la distribución de tamaño de poros juegan un papel bien importante (1). Actualmente el 60% de los carbones activados producidos a nivel mundial se obtienen a partir de carbón mineral. La cantidad de carbón utilizado para producir carbones activados se estima para 1998 en 2.105 t/año. Una parte de este carbón activado se destina a la eliminación de contaminantes procedentes de sectores muy variados, tanto en gases (sulfuro de hidrógeno. dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno. vapores de gasolina), como en líquidos (aguas industriales. aguas residuales, tintorerías) (1). En Venezuela, específicamente en el Estado Falcón se produce carbón activado pero no satisface la demanda nacional por lo que se puede afirmar que en el país la producción de carbón activado no se ha desarrollado, aún conociendo que este producto es utilizado en muchas de las industrias básicas, tales como: la industria azucarera, productos alimenticios, productos farmacéuticos, entre otras que lo utilizan como material adsorbente para 1a eliminación de impurezas, muchas de ellas en concentraciones tan pequeñas que no se detectan con un análisis ordinario. El uso del carbón activado en el país ha mantenido un ritmo creciente,pero su costo actual se ha elevado tanto que resulta muy costosa su importancia, por lo que se hace necesario producir carbón activado utilizando materia prima nacional que hasta el presente no ha sido aprovechada. Venezuela cuenta con una gran variedad de recursos de naturaleza carbonácea los cuales pueden ser utilizados como materia prima para la producción de carbón activado, entre ellos se encuentran: carbón mineral, madera, aserrín, 1eña y desechos agrícolas (conchas de coco, bagazo de caña de azúcar, cáscaras de café y de uva). Actualmente el país cuenta con diferentes reservas de carbón. Siendo una de las principales la reserva de Guasare ubicada en el Estado Zulia. Este carbón mineral posee características adecuadas para ser utilizado en 1a producción de carbón activado de uso nacional y de exportación (3). Debido a este hecho resulta muy importante el interés de realizar estudios a escala de laboratorio, dirigidos a la obtención de carbón activado a partir de carbón mineral venezolano. 

El objeto del presente trabajo es la preparación de carbón activado mediante el método de activación química. Usando ácido fosfórico como agente activante y carbón mineral de la cuenca carbonífera de Guasare como materia prima y se estudiaran 1as siguientes variables: granulometría del carbón,temperatura y tiempo de carbonización Es importante destacar que la parte fundamental del presente estudio esta enmarcada en la evaluación de la capacidad adsortiva del carbón una vez activado, mediante las técnicas del número de yodo y de azul de metileno. También se midió la adsorción de fenol y se realizó un análisis termogravimétrico del carbón activado fresco y tratado con benceno La producción de carbón activado a partir de carbón mineral venezolano tiene gran importancia económica y se enmarca dentro de los proyectos que de una manera u otra contribuyen a un mejor y oportuno aprovechamiento de los recursos y en particular a los de naturaleza carbonácea y así poder colaborar en la sustitución de importaciones. Investigaciones han demostrado la factibilidad de producir carbón activado utilizando carbón mineral. Amado preparó carbón activado a escala de laboratorio, mediante activación física y química con carbón de la región de Lobatera y concluyó que las características de carbón activado dependen de la temperatura de carbonización, tiempo y modo de activación y además que a temperaturas de carbonización muy altas se obtiene un producto con bajo poder de retención, debido al alto contenido de cenizas que se encuentran presentes a esas condiciones(3) González aplicó un conjunto de métodos experimentales para evaluar y caracterizar la capacidad del carbón activado aplicando los métodos del número de yodo, número de melaza, número de azul de metileno, cenizas, humedad, análisis de tamiz, densidad aparente y también determinó las condiciones óptimas de la activación física y química con carbón de la cuenca carbonífera del Guasare, sometiendo el carbón acarbonización a dos temperaturas, y luego el residuo a una activación física con vapor de agua (4, 5). 

Metodología Experimental 

Se utilizo carbón mineral (16-40 mesh, 60-100 mesh y mayor de 4 mesh), carbón activado Darco G-60 (Fischer D-127), carbón activado Norit-A (Brian Chemical), tamaño de partícula mayor de 74 µm (1520%); mayor de 10 µm (75- 80%). El carbón mineral usado como materia prima procede del Manto IV (Paso Diablo) de la Cuenca Carbonífera Guasare Edo. Zulia Venezuela. Previamente fue triturado en un molino de mandíbula, y una segunda trituración se hizo en un molino de disco, se parándolo en fracciones de granulometrías: +16-40 mesh, +60-100 mesh y mayor de 100 mesh. Una vez preparada la muestra de carbón, se sometió a un proceso de caracterización, realizando los respectivos análisis inmediatos: humedad (ASTM D3173-87), materia volátil (ASTM D3175-82), y cenizas (ASTM D31 74-89). Los análisis elementales se realizaron según las siguientes normas: para carbono, ASTM D3178-73; para hidrógeno, ASTM D3178-73;para azufre, MétodoLecoIR-33y para nitrógeno ASTM D3179-73 La activación química se llevó a cabo, utilizando como agente activante una solución acuosa de ácido fosfórico al 85%, se tomaron 300gramos de carbón y se impregnaron con 300 mL de la solución de ácido fosfórico, luego se agitó y calentó a 120°C por un tiempo de 24 horas para optimizar el proceso de impregnación. Finalizado el tiempo de impregnación, se llevo a cabo la carbonización, calentando las muestras impregnadas en ausencia de aire a diferentes temperaturas de 500, 700 y 900°C y a diferentes intervalos de tiempo de 1, 2 y 3 horas. Esta etapa se realizó de la siguiente manera: la muestra se introdujo en un horno tipo mufla a temperatura inicial de 100°C. Una vez cargada la muestra se fijó la temperatura deseada. Al alcanzar dicha temperatura se comenzó a medir el tiempo y al finalizar el tiempo seleccionado se retiró la muestra, rociándose inmediatamente con agua para evitar pérdidas por combustión (6). Los carbones activados producidos por la activación del carbón del Guasare y los carbones comerciales fueron caracterizados con las siguientes técnicas: número de azul de metileno, número de yodo y adsorción de fenol. También se llevó a cabo un análisis termogravimétrico de carbón activado para determinar la estabilidad térmica del carbón activado y su capacidad de adsorciónde benceno (7).

Resultados y Discusión La caracterización del carbón mineral utilizado como materia prima incluyó análisis inmediatos y elementales, de acuerdo a las normas ASTM mencionadas anteriormente y resultaron en los siguientes porcentajes: carbono 74,98; hidrógeno 5,59; azufre 1,59; nitrógeno 1,62; humedad 3,12; materia volátil 37,53 y cenizas 6,32.

Conclusión: 

El carbón activado preparado por activación química carbón de Guasare por impregnación de ácido fosfórico presenta una alta capacidad de adsorción de azul de metileno, yodo, fenol y benceno. La adsorción de azul de metileno y de yodo aumenta cuando el tamaño de la partícula de carbón es menor. El carbón activado químicamente tiene mayor estabilidad que los carbones activados comerciales.

Al aumentar la temperatura de carbonización no se observa una optimización en la capacidad de adsorción ya que las concentraciones finales están todas en el mismo orden, en cambio al aumentar el tiempo de carbonización aumenta la capacidad de adsorción. 

Glosario 

Ci: Concentración inicial 

Cf: Concentración final 

X: Miligramos adsorbidos por gramo de carbón

Referencias Bibliográficas

1. PIS J., PARRA J., DE LA PUENTE G., RUBIERA F., PAJARES J. Fuel 77(6): 625630, 1998. 

2. LOBOS.P.CaracterizacióndeCarbonesActivados Preparados a partir de Materia vegetal (Trabajo Especial de Grado). Universidad del Zulia, Maracaibo (Venezuela), p 73, 1993. 

3. AMADO I. Obtención de Carbón Activado a partir de Carbón Mineral (Trabajo Especial

de Grado). Universidad del Zulia, Maracaibo (Venezuela), p 74, 1993. 

4. GONZÁLEZ J. Metodología sobre la Evaluación de la Capacidad Adsortiva de Carbón Activado (Trabajo de Ascenso). Universidad delZulia.Maracaibo(Venezuela),p75,1992. 

5. GONZÁLEZ J. Estudio Comparativo de la Capacidad de Adsorción de Carbones Activados(TrabajoEspecialdeGrado)Universidad del Zulia. Maracaibo (Venezuela), p 70, 1996.

Scientific Journal from the Experimental Faculty of Sciences, at La Universidad del Zulia Volume 12 Nº 1, January-March 2004 62 Activación química de carbón mineral

6. BENÍTEZ A., RAMÍREZ J. Análisis de la Capacidad Adsortiva del Carbón Activado Químicamente por Impregnación de Ácido Fosfórico (Trabajo Especial de Grado). Universidad del Zulia. Maracaibo (Venezuela), p 80, 2001. 7. MOLERO N. Propiedades de los Carbones de la Cuenca del Guasare. (Trabajo de Ascenso). Universidad del Zulia. Maracaibo (Venezuela), p 62,  1984. 8. PÉREZ M., GUERRERO C. Carbonización, Activación y Propiedades Adsorbentes de un Carbón Mineral (Trabajo Especial de Grado). Universidad Simón Bolívar. Caracas (Venezuela), 1997.

tomado de 

CIENCIA 12(1), ´paginas52 - 63, "Preparación de carbón activado mediante la activación química de carbón mineral" 2004 Maracaibo, Venezuela