ANALISIS FISICOQUIMICO DE UNA MUESTRA DE CARBÓN ACTIVADO
1. OBJETIVOS
1.1. Objetivo General
Realizar un analisis fisicoquímico y estadístico de una muestra de Carbón activado
1.2. Objetivos Específicos
Determinar para una muestra de carbón activado los siguientes parametros
1.2.1. Porcentaje de Cenizas
1.2.2. Índice de yodo
1.2.3. Índice Relativo de melaza
1.2.4. Isoterma de Adsorción de tartrazina

2. INTRODUCCIÓN
El nombre de carbón activado se aplica a una serie de carbones porosos preparados artificialmente mediante el tratamiento de un carbonizado con gases oxidantes o por carbonización de materiales carbonosos impregnados con deshidratantes químicos para que exhiban un elevado grado de porosidad y una alta superficie interna.

Estas características son las responsables de sus propiedades adsorbentes, y junto con la posibilidad de preparar estos materiales en una gran variedad de formas físicas, tales como polvo, granular, extrusionado, fibra, fieltro e incluso tela permitan satisfacer las necesidades específicas de la industria.
Cuando se obtiene un carbón activado, un parametro que se debe considerar es su contenido de materia mineral, que debe ser lo menor posible. Esta materia mineral esta compuesta principalmente por óxidos de metales alcalinos y/o alcalino-térreos, influyen de forma negativa ya que disminuyen al area superficial específica y la porosidad, también pueden modificar la velocidadde gasificación. Los carbones comerciales con bajo contenido de cenizas se preparan ya sea por lavado acido o por una adecuada selección de la materia prima entre las que se encuentran los materiales lignocelulósicos. [3]

El proceso de obtención determinara finalmente las propiedades adsorbentes del material. El proceso se puede dividir simplificadamente en 2 etapas: carbonización y activación.
La carbonización es un proceso en el cual el precursor es sometido a elevadas temperaturas (alrededor de los 800 ºC) en ausencia de aire, para eliminar las sustancias volatiles y dejar un residuo carbonoso que sera el que se someta a la activación. Durante la desvolatilización, la salida de los gases y vapores del precursor produce una porosidad” en el carbonizado, la cual se desarrolla aun mas durante la etapa de activación.


Figura 1. Carbonización y activación [1].
La activación se puede producirse mediante dos tipos de procesos de activación
Activación térmica (Física): el material carbonizado se trata con una mezcla de gases de combustión y vapor de agua a una alta temperatura para que se active.
Activación química: Se desarrolla en una única etapa a temperaturas que pueden variar entre 450 y 900 ºC. Donde el precursor se hace reaccionar con un agente químico activante, los mas usados industrialmente son el cloruro de zinc (ZnCl2), el acido fosfórico (H3PO4) y el hidróxido de potasio (KOH).Posteriormente serealiza el lavado del carbón activado para eliminar los restos del agente activante [2

Figura 2. Activación química [1


Tipos de carbones activados
Los carbones activos se clasifican de acuerdo al tamaño de las partículas en carbón activado en polvo (CAP) y carbón activado granular (CAG).
Los CAP presentan tamaños menores de 100 mm, siendo los tamaños típicos entre 15 y 25 mm. Los CAG presentan un tamaño medio de partícula entre 1 y 5 mm. Los CAG pueden dividirse en dos categorías: (i) carbón activado troceado (o sin forma) y (ii) carbón activado conformado (o con una forma específica, cilindros, discos, etc.) [1

Propiedades físicas y químicas
Los carbones activados se caracterizan como se menciono inicialmente por presentar a una alta area superficial puede tener un area superficial mayor de 500 m²/g, y también una alta capacidad de adsorber materiales tanto sólidos como líquidos, fijandolos mediante fuerzas de Vander Waals.
Sus características son
Número de yodo: Es un índice del area superficial de un carbón activado. Esto se debe a que el yodo se absorbe con mucha eficiencia en una capa mononuclear. Es una medida del nivel de actividad, a menor número de yodo mayor grado de saturación del carbón. Sirve también para estimar la vida útil del carbón ; cuando el número de yodo llega al 50% de su valor original hay que cambiar el carbón. Los rangos de valores típicos según la norma ASTMD-4607 para el índice de yodo son: 500 a 1200 mg/g de carbón.
Número de dureza/ abrasión: Es una medida de la resistencia del carbón al desgaste. Es un importante indicador de la capacidad del carbón activado para mantener su estructura física cuando es expuesto a fuerzas de fricción.
Contenido de ceniza: Da cuenta de la actividad total del carbón activado. Ya que la materia mineral presente reduce la eficiencia de reactivación.
Distribución de tamaño de partícula: Permite identificar el area superficial del carbón activado cuanto mas fino es el tamaño de las partículas de un determinado carbón activado, mejor es el acceso al area superficial y mas rapida es la tasa de cinética de adsorción. Esta distribución es posible obtenerla mediante las isotermas de adsorción.
En 1940, se propuso una clasificación isotérmica, que constaba de cinco formas

Figura 3. Formas de isotermas de adsorción
Isotermas de tipo 1: llegar a la maxima absorción sin inflexiones y son características de los carbones activados que contienen alta microporosidad. El gradiente de la isoterma inicial es indicativo de las dimensiones de la microporosidad, a mayor pendiente de la grafica, mayor es la anchura media de microporos.
Isotermas de tipo 2: muestran un cambio a una presión parcial del adsorbato de aproximadamente 0 y otro de 0,9, donde el grado de adsorción transcurre rapidamente. Estas isotermas permiten describir las superficies deadsorción abiertas con la formación de varias capas de adsorbato en la etapa final del proceso.
Isotermas de tipo 3: son característicos de los sitios de adsorción con poco potencial de adsorción, tales como la adsorción en las superficies de polímeros organica.
Isotermas de tipo 4: son similares a los de tipo 2, pero en lugar de adsorción se producen en la superficie abierta y una presión parcial alta, la adsorción se produce antes de los mesoporos.
Isotermas de tipo 5: son aquellas en las que la energía implicada en el proceso es mas pequeño y se produce en las superficies de sólidos homogéneos, algunas formas se asocian a menudo con propiedades especiales del adsorbente o el adsorbato.
El carbón activado con algún con porosidad de algunas moléculas de diametro a menudo causa una isoterma de tipo isotérmico 1 o de Langmuir [2].
Química superficial
La superficie de los carbones, en particular los atomos de carbono de los bordes de los planos basales, pueden encontrarse combinados en mayor o menor proporción con otros atomos distintos al carbono, dando lugar a diferentes grupos superficiales. La presencia o ausencia de estos, así como el mayor o menor grado de deslocalización de los electrones p afecta a las interacciones del carbón con otros elementos o compuestos. Ademas del número, de la concentración de estos grupos y de la fuerza como acido o base dependera que un carbón sea globalmente acido o basico [3].