Descripción: Resumen En este trabajo se presentan los resultados obtenidos sobre la reactivación de carbón activado u...
RECICLADO DE CARBON REACTIVADO Oscar Arroyo Porras Facultad de Ingeniería Química - BUAP
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Palabras clave
Reciclado, reactivación, carbón agotado, tiempo de vida.
Resumen
En este trabajo se presentan los resultados obtenidos sobre la reactivación de carbón activado utilizado en la industria química y refresquera. Encontrándose que es costeable y viable técnicamente y el número de veces que se puede reciclar obedece a un modelo lineal, sin importar el uso que se le de al carbón activado.
Actualmente el carbón agotado es desechado sin ningún tratamiento previo o utilidad futura, contribuyendo de esta forma a incrementar la contaminación debida a desechos industriales y los costos de operación.
Materiales y Métodos
Reactor biológico 3 l
Clarificador 2 l
Matraz Kitazato 1 l
Extractor Soxhelet
Matraces Erlenmeyer de cuello esmerilado con tapón.
Pipetas graduadas de 10 y 15 ml.
Una bureta de 50 ml.
Vasos de precipitados de 200 ml.
Papel filtro Whatman Nr 5895 Rotband diámetro 15 cm.
Pinzas para bureta.
Agitador de vidrio.
Plancha eléctrica.
Embudo de vidrio.
Mufla.
Reactivos
Hipoclorito
Ácido clorhídrico al 5% en peso.
Solución de tiosulfato de sodio 0.10N estandarizado.
Solución de yodo 0.10N estandarizado.
Solución de almidón.
Muestra
Dependiendo de la actividad del carbón agotado, se pesan 0.700 a 2.000 g. de carbón seco (pulverizado con diámetro menor de 0.1mm y secado a 150°C a peso constante)
Prueba de yodo
La determinación del número de yodo es una simple y rápida prueba, que da una indicación del área superficial interna del carbón activado.
El número de yodo se define como el número de mg. de yodo adsorbidos de una solución acuosa por g. de carbón activado cuando la concentración de yodo del filtrado residual es 0.02N. Se ponen 10ml de HCI al 5% dentro del matraz y se agita hasta que el carbón activado esté completamente mojado. Se coloca el matraz en la plancha caliente, se lleva el contenido hasta ebullición, durante 30 seg. para eliminar cualquier presencia de azufre que pueda interferir con los resultados. Se deja enfriar el contenido a temperatura ambiente, después se agrega con pipeta 100 ml de solución de yodo 0.10 N. Se tapa el matraz e inmediatamente después se agita vigorosamente durante 30 seg. Se filtra por gravedad y se descartan los primero 20 ml del filtrado y se colecta el resto en un vaso de precipitados limpio. El filtrado se agita y se pipetean 50ml dentro de otro matraz Erlenmeyer. Se titulan los 50 ml de muestra con la solución de tiosulfato de sodio 0.10 N hasta que el color amarillo casi haya desaparecido. Posteriormente se agrega solución de almidón y se continúa la titulación hasta que el color azul del indicador desaparezca. Se registra el volumen de la solución de tiosulfato de sodio utilizado. Para calcular el número de yodo (In) del carbón se emplea la ecuación siguiente:
In = X*A / M
donde:
X = mg de yodo absorbidos por el carbón activado. M = masa del carbón activado en gramos. A = factor de correlación después de la normalidad residual. Solución de tiosulfato de sodio 0,1 N: En un matraz volumétrico de 1 litro, disolver 24,82 g de tiosulfato de sodio, (Na2S2O35H2 O), en agua, adicionar 0,1 g de carbonato de sodio y aforar a 1 litro. Transferir a un recipiente de plástico opaco (Véase Nota 4).
NOTA 4.- Dejar reposar la solución por 5 días antes de valorarla.
Solución de Yodo 0,1000 +/- 0,0010 N: Disolver 19,1 g de yoduro de potasio, KlO 3, y 12,7 g de yodo, en agua. Esto se realiza empleando pequeñas cantidades de agua hasta que los cristales queden completamente disueltos; la operación puede tomar un mínimo de 2 hrs. Aforar la solución a 1 litro con agua en un matraz volumétrico. Es importante para la prueba que la relación en peso de yoduro y yodo este a razón de 1,5:1 de la solución estándar de yodo (Véase Nota 2). NOTA 2.- Esta solución debe almacenarse en frasco de vidrio color ámbar. Solución de yodato de potasio 0,1 N: Pesar 3,5667 g de yodato de potasio, KIO3 previamente secado a 110 °C durante 2 hrs. Disolver en agua y transferir a un matraz volumétrico de un litro y aforar (Véase Nota 3). NOTA 3.- Almacenarse en frasco con tapa. Solución de tiosulfato de sodio 0,1 N: En un matraz volumétrico de 1 litro, disolver 24,82 g de tiosulfato de sodio, (Na2S2O35H2 O), en agua, adicionar 0,1 g de carbonato de sodio y aforar a 1 litro. Transferir a un recipiente de plástico opaco (Véase Nota 4). NOTA 4.- Dejar reposar la solución por 5 días antes de valorarla. Estandarización de soluciones: 6.3.7 Solución de tiosulfato de sodio 0,1 N: 6.3.7.1 Pipetear 25 mL de yodato de potasio 0,1 N, KIO 3, en un matraz Erlenmeyer, adicionar 2 g de yoduro de potasio (KI), agitar la solución hasta disolver los cristales de yoduro de potasio. Adicionar 5 mL de ácido clorhídrico concentrado y titular el yodo libre con la solución de tiosulfato de sodio hasta tener una coloración amarilla clara. Agregar gota a gota hasta decolorar la solución. Solución de Yodo 0,1000 +/- 0,001 N: 6.3.8.1 Pipetear 25 mL de la solución de yodo en un matraz Erlenmeyer y titular con la solución estandarizada de tiosulfato de sodio hasta que la solución valorada obtenga un color amarillo claro. Adicionar unas gotas de indicador de almidón y continuar la valoración agregando gota a gota hasta decolorar la solución:
Proceso de Reactivación La reactivación se realizó por la acción del gas oxidante, (vapor de agua) en un horno a 145 oC. Las condiciones son controladas para permitir la eliminación prácticamente de todos los hidrocarburos adsorbidos y algo de carbón, con el objeto de aumentar el área superficial. Se trataron dos muestras de carbón agotado utilizado en la industria refresquera y de un planta de tratamiento de aguas residuales de una industria química respectivamente, realizando 10 pruebas de cada muestra.
Previamente, se analizó una muestra de carbón activado virgen para establecer el estándar de referencia de ambas industrias (refresquera y química) y medir la eficiencia de la reactivación mediante el índice de yodo.
Una vez establecido el estándar, se efectuaron las reactivaciones, las cuales consistieron en dar lavados previos a las muestras desincrustando lodos y sólidos. Para eliminar los compuestos volátiles se calentaron las muestras en una mufla a 220C, después se activaron con vapor saturado a 145C durante un promedio de 20 horas, y posteriormente fueron agotadas las muestras de carbón nuevamente con las aguas residuales simulando las condiciones reales a las que se somete el carbón en campo.
Para realizar el agotamiento del carbón reactivado se empleó un pequeño simulador de una planta de tratamiento de aguas residuales llamado "Huiusbag" el cual se compone de un reactor biológico de 3,5 l de un clarificador de 2.0 l un extractor Soxhelet y un matraz Kitazato de 1 l. En el reactor biológico se tiene el tipo de microorganismos que se tiene en la planta de tratamiento de aguas residuales como: vorticelas, rotíferos, opercularias y bacterias.
Las condiciones a las que se operó el simulador fueron:
Volumen de lecho de filtración: 280.69 cm3
Concentración de sólidos: 240 mg/l
Flujo de trabajo: 23 ml/min
Presión atmosférica local.
Presentación de Resultados
Al realizar las reactivaciones del carbón utilizado en la industria refresquera y química se obtuvieron los siguientes resultados:
LOTE
NUMERO
%
YODO
TIEMPO AGOTAMIENTO horas
STD
1261.75
100
4:26
1
1.092.10
86.55
4:08
2
1.048.54
83.10
3:54
3
944.87
74.89
3:19
4
1.013.48
80.32
3:42
5
921.35
73.02
3:11
6
910.46
72.16
3:07
7
856.15
67.85
3:00
8
850.13
67.38
3:15
9
890.23
70.56
3:40
10
799.12
63.33
2:09
TABLA 1 Resultados experimentales con carbón activado utilizado en la Industria Química. (Muestra # 1)
LOTE
NUMERO
%
YODO
TIEMPO AGOTAMIENTO horas
STD
1261.75
100
4:26
1
1.113.11
88.22
4:10
2
1.065.32
84.43
3:59
3
946.82
75.04
3:19
4
932.85
73.93
3:15
5
970.12
76.89
3:28
6
920.12
72.92
3:10
7
950.14
75.30
3:20
8
875.12
69.36
2:56
9
853.15
67.62.
2:40
10
823.16
65.24
2:45
TABLA 2 Resultados experimentales con carbón activado utilizado en la Industria Química (Muestra # 2
LOTE
NUMERO
%
YODO
TIEMPO AGOTAMIENTO horas
STD
1205.43
100
10:50
1
1174.54
97.43
10:33
2
1026.50
85.16
9:13
3
1200.30
99.57
10:47
4
1000.00
82.96
8:59
5
950.00
78.81
8:32
6
801.50
66.49
7:12
7
803.00
66.61
7:13
8
790.00
65.54
7:06
9
770.00
63.88
6:55
10
750.00
62.122
6:44
TABLA 3 Resultados experimentales con carbón activado utilizado en la Industria Refresquera (Muestra # 3)
LOTE NUMERO YODO
%
TIEMPO AGOTAMIENTO horas
SND
1205.45
100
10:50
1
1200.43
99.58
10:45
2
1160.14
96.24
10:10
3
1100.07
91.25
9:58
4
1050.07
87.11
9:14
5
990.60
82.18
8:53
6
950.15
78.82
8:27
7
899.73
74.64
8:23
8
850.12
70.52
7:40
9
800.15
66.38
7:10
10
795.16
65.96
7:10
TABLA 4 Resultados experimentales con carbón utilizado en la Industria Química (Muestra ·# 4)
Análisis de resultados
La prueba de yodo muestra el grado de porosidad del carbón. Las gráficas 1 y 2 muestran el grado de reactivación del carbón agotado después del tratamiento obteniéndose dos modelos lineales cuyas pendientes son sumamente parecidas en valor sin importar el uso tanto de la industria refresquera como de la química por lo que un solo modelo puede describir el comportamiento del carbón.
El sistema de reactivación es sencillo, los materiales a emplear son en su totalidad nacionales y es factible implementarlo en cualquier industria.
Cabe recalcar que la decloración no es un proceso de absorción de cloro, en el que se sature el carbón; es una reacción química entre el cloro libre y el carbón activado que produce como resultado el ion cloruro que no es dañino. El cloro libre disuelto en agua forma ácido hipocloroso (HOCI) y el ion.
En las tablas 1,2,3 y 4 se muestra el grado de reactivación en porcentaje, obteniéndose un mínimo de 62% y un máximo de 99% con respecto al carbón activado estándar o virgen, el número de lote equivale a las veces de reciclado y como se observa en los datos, después de reciclarlo 8 veces la reactivación baja a un 60% de la capacidad de absorción lo cual ya no es adecuado.
La energía necesaria para reactivar un kg de carbón agotado es de 1 300.31 kJ.
Tomando en cuanta los costos de materiales, suministros y energía, mano de obra directa y mantenimiento el costo por kg de carbón reactivado asciende a $ 3.08 que equivale a menos del 50% si se compra el carbón nuevamente cuyo precio es de $6.60.
Conclusiones
El proceso de reciclaje de carbón activado describe un modelo lineal, por lo que es un proceso totalmente predecible y se puede proyectar un modelo único sin importar el uso industrial.
Al comparar el tiempo de vida de un carbón virgen con el reciclado, la vida útil de este último se incrementa en 800% lo que confirma la costeabilidad del proyecto.
Al reciclar el carbón empleado en las diferentes industrias y en las plantas de tratamiento de aguas residuales, se logra abatir en cierta medida el impacto ambiental negativo al desecharlo con todos los contaminantes incrustados.
BIBLIOGRAFIA
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NOBRAC "BOLETIN TECNICO CARBON ACTIVADO NOBRAC., El Tigre Zapopan, Jalisco, México., 1993., Industrias Químicas G.C. S.A DE C.V
NOBRAC "ESPECIFICACIONES DEL CARBON NOBRAC., El Tigre ZAPOPAN, Jalisco, México., 1993., Industrias Químicas G. C S.A DE C.V.
NORIT J. "ACTIVATED CARBON REPORT"., Netherlan, 1982., norit Corporation., Edición única., pp. 223
YEHASKEL, A "ACTIVATED CARBON"., New York., 1978., Noyes Park Ridge., 2da Edición., Editorial Mc Graw Hill.,pp 301
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