Saludos cordiales estimada comunidad de #steemit, y miembros de #stem-espanol y #steemstem, en esta oportunidad quiero continuar el tema sobre carbón activado, compartiendo con ustedes los resultados de un reciente trabajo en el cual utilizamos un filtro de carbón activado, preparado en el laboratorio, para remover dureza del agua.

Como muchos sabemos, el agua natural contiene una gran variedad de sales de diferente composición que son benéficas para el cuerpo, pero muy particularmente; las sales solubles de calcio y magnesio al estar presentes en una elevada concentración en el agua no solo pueden afectar el rendimiento de los productos de limpieza sino también provocar enfermedades como la nefritis.

Históricamente, la “dureza” del agua se ha definido como la capacidad de los cationes presentes en el agua para desplazar a los iones sodio o potasio de los jabones y formar productos insolubles [1]. Alguien habrá notado en alguna oportunidad que necesitó mayor cantidad de jabón para que este hiciera espuma, cuando el agua es dura, los iones calcio y magnesio reaccionan con los compuestos que forman el jabón haciendo que este pierda efectividad. Actualmente, la dureza mide la concentración de los minerales disueltos en el agua, expresados como la concentración de carbonato de calcio (CaCO₃) que equivale a la concentración total de todos los cationes multivalentes de la muestra[1].

Estos depósitos de dureza disminuyen el rendimiento de los equipos de calefacción como calderas e intercambiadores de calor entre un 10 y 20 % [2]. Influye en el rendimiento de los electrodomésticos de limpieza, ya que si la dureza es elevada se producen sales insolubles que disminuyen el rendimiento del producto limpiador. Por otro lado, un agua dura sabe peor que un agua blanda; al igual que un agua muy blanda, lo ideal es un equilibrio entre los minerales para que tenga un adecuado sabor.

Objetivo de la investigación

En el contexto actual de país, es necesaria la investigación en alternativas tecnológicas y ecológicas para el tratamiento del agua dura; puesto que, aunque existen ablandadores que utilizan resinas de intercambio iónico que resultan eficientes, sus costos operativos son muy elevados. En la actualidad destaca el tratamiento con carbón activado obtenido a partir de precursores naturales por ser un proceso altamente selectivo, eficiente y de bajo costo. Por lo que el objetivo de la investigación fue remover dureza del agua utilizando un filtro de carbón activado obtenido del endocarpio del coco como materia prima.

Preparación y activación del carbón

Para la preparación del carbón activado se recolectaron dos (02) kg de cáscaras de coco, disminuyendo su tamaño en un mortero a trozos de 5 mm aproximadamente. El tratamiento térmico de la muestra vegetal se realizó en una mufla, incinerando la muestra a una temperatura de 450 ºC durante 10 minutos, para eliminar la humedad y modificar su estructura porosa. Una vez carbonizada la muestra, se realizó la molienda de la misma en un molino eléctrico y posteriormente fue tamizada para obtener partículas de entre 15 y 20 micras.
Como agente activante se utilizó hidróxido de potasio (KOH), con una relación de carbón vegetal y agente activante de 1:1, dejándose en contacto con agitación constante durante dos horas. El carbón obtenido fue lavado primeramente con agua destilada caliente (aproximadamente a 80 ºC) para continuar el lavado hasta alcanzar la temperatura ambiente y un pH aproximado de 7,5. Luego fue secado en una estufa calibrada a 120 ºC por un periodo de 48 horas.

Caracterización del carbón activado

Caracterización fisicoquímica
El carbón activado fue caracterizado mediante los parámetros: densidad aparente y humedad, según los procedimientos descritos en las normas ASTM D2854-96 y ASTM D2867-99 respectivamente; también se determinó el rendimiento por comparación de la masa de carbón obtenida respecto a la masa inicial de material vegetal.

La densidad aparente indica que dicho carbón tiene la resistencia para ser empleado en procesos de adsorción con flujo tanto continuo como discontinuo. La humedad se encuentra dentro de valores promedio y el rendimiento ha sido alto en comparación con otros precursores de carbón [3].

Ensayos de adsorción
Para determinar la capacidad de adsorción del carbón activado fueron realizados ensayos de adsorción con ácido acético, determinando el tipo de isoterma que exhibe el adsorbente. El estudio se realizó preparando disoluciones de ácido acético en las siguientes concentraciones iniciales (Co): 0,2 M, 0,1 M, 0,05 M y 0,025 M. Posteriormente se tomaron alicuotas de 50 mL de cada solución y se colocaron en cuatro matraces respectivamente, colocando en cada uno de ellos 0,5 g de carbón, promoviendo el contacto con agitación constante durante 30 minutos. Estas mezclas se dejaron reposar y luego fueron filtradas. Las disoluciones filtradas fueron valoradas con hidróxido de sodio (NaOH) para determinar su concentración final (Cf). A partir de la diferencia de concentraciones y la masa de carbón activado empleada se determinaron los moles de ácido acético adsorbidos por gramos de carbón (X).

Los resultados de este experimento se presentan en la figura anterior como la isoterma de adsorción (X vs Co), la misma muestra el comportamiento de isoterma tipo I según la clasificación de la IUPAC[4], característica de los sólidos fundamentalmente microporosos, demostrando que el carbón obtenido es excelente para la retención de moléculas de pequeño tamaño molecular [5].

Evaluación de la eficiencia del carbón activado

Para evaluar la eficiencia del carbón activado obtenido del endocarpio de coco se procedió a la construcción de un filtro con una altura efectiva de 10 cm de material filtrante utilizando un cilindro de PVC de una pulgada de diámetro. El filtro estuvo constituido de: una malla plástica (MP), fibra sintética (FS) y Carbón activado (CA), y fue evaluado determinando la capacidad de remoción de los parámetros: sólidos disueltos, dureza y cloruros (determinados según los procedimientos descritos en los métodos estándar para el análisis de agua y aguas residuales), presentes en el agua suministrada al laboratorio de fisicoquímica por la red de tuberías.

Figura esquemática del filtro de carbón activado evaluado (lado izquierdo) y filtro implementado en el laboratorio (lado derecho). Fuente: Morón, E. y Juárez, W. (2018)

Comparación de la remoción obtenida en los parámetros evaluados

Parámetros	Co	Ce	% Remoción
Sólidos disueltos (ppm)	233,00	154,00	33,90
Dureza total (ppm)	283,00	135,23	52,22
Dureza Cálcica (ppm)	156,72	59,11	62,28
Dureza magnésica (ppm)	126,27	76,12	40,72
Cloruros (ppm)	122,59	43,96	64,14

Nota: Co = concentración inicial, Ce = concentración en el equilibrio. Fuente: Morón, E. y Juárez, W. (2018)

Conclusiones

• La caracterización del carbón activado obtenido a partir del endocarpio del coco demostraron que se puede utilizar en operaciones de filtrado a flujo continuo y por carga.
• El ensayo de adsorción con ácido acético describió un buen ajuste a una isoterma de tipo I, característica del proceso de adsorción de sólidos microporosos.
• Se obtuvieron porcentajes de remoción de dureza en un filtro de lecho fijo entre 40 y 60 %. Esto demuestra que este carbón puede ser utilizado en el tratamiento de agua para la reducción de dureza y otros iones.

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Muchas gracias por leer el presente post, espero que haya sido del agrado de todos ustedes. ¡Saludos y hasta el próximo!

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