Eliminación de substancias inorgánicas por reacción química y catalítica en la superficie del carbón activado

Como se mencionó en las secciones anteriores, aunque en la mayoría de sus aplicaciones el carbón activado actúa como un adsorbente físico, también ocurren reacciones de substancias inorgánicas en la superficie del mismo. Algunas de éstas reacciones han permitido aplicaciones de mucha utilidad, como es la eliminación de cloro, que se describe en el siguiente apartado. Esta reacción, junto con otras, como las que se llevan a cabo con cloraminas, oxigeno, ozono, permanganato, peróxido de hidrógeno y cromato, disminuyen la capacidad del carbón activado para adsorber moléculas orgánicas.

Eliminación de cloro libre

Una de las principales aplicaciones del carbón activado es la decloración o la eliminación de cloro libre del agua. Dicho compuesto no proviene de las fuentes naturales de abastecimiento, tales como pozos, ríos o lagos. Tampoco es contaminante, sino que es un reactivo químico que se le agrega al agua, principalmente como desinfectante. y en ocasiones para controlar olor y sabor, y controlar el crecimiento biológico o eliminar amoniaco.

La decloración consiste en un mecanismo complicado que puede seguir distintos caminos de reacción en los que el carbón activado puede intervenir como reactivo o como catalizador.

El cloro libre puede adicionarse al agua en forma de cloro líquido, solución de hipoclorito de sodio, o tabletas - gránulos - de hipoclorito de calcio. En cualquiera de estos casos, el resultado es el mismo, quedando el cloro disuelto en forma de ácido hipocloroso (HOCI), un ácido débil que tiende a disociarse parcialmente.

HOCl ↔ H⁺ + OCL^-

La distribución entre ácido hipocloroso e ión hipoclorito depende del pH y de la concentración de estas especies. A ambas formas moleculares se las define como cloro libre. Las dos son fuentes oxidantes que al ser adicionados al agua empiezan por reaccionar de manera casi inmediata con impurezas orgánicas e inorgánicas y susceptibles de oxidarse. El cloro que reacciona en esta etapa deja de ser libre y pasa a ser combinado. El restante requiere de algún tiempo que puede ir de unos cuantos segundos a varías decenas de minutos, según su concentración, para ejercer un efecto biocida en los microorganismos. Se cree que la toxicidad del cloro libre radica en la reacción de éste con el sistema enzimático de las células.

El cloro que interviene en esta etapa de desinfección, también se combina y deja de ser libre. Una vez terminada esta etapa, es necesario eliminar el cloro libre residual, no sólo porque es tóxico para el ser humano, sino porque imparte un mal olor y sabor al agua, interfiere con procesos industriales, daña a la mayoría de las resinas de intercambio iónico utilizadas en los suavizadores y en los desmineralizadores, y afecta a las membranas de ósmosis inversa.

Aunque se han desarrollados varios procesos para disminuir los niveles de cloro libre en agua, la decloración en un lecho fijo de carbón activo granular (carbón activado granular) ha sido el más rentable, y por lo tanto el más común. Se trata de un tanque cilíndrico vertical con una cama de carbón activado granular por la que se hace circular el agua. Cuando el carbón se expone al cloro libre, se llevan a cabo reacciones en las que el ácido HOCI o el OCl^- se reducen a ión cloruro. Dicha reducción es el resultado de distintos caminos de reacción posibles. En dos de los más comunes, el carbón activado granular actúa como agente reductor, de acuerdo con las siguientes reacciones:

HOCI + C* → C*O + H⁺ + CI^-

2HOCl+C* → C*O₂+2H⁺ +2Cl^-

donde C* representa al carbón activo. C*O y C*O₂ son óxidos superficiales, que poco a poco van ocupando espacios, que al quedar bloqueados, ya no participan en la reacción algunos de estos óxidos se liberan hacia la solución como CO y C02. Esto vuelve a dejar espacios disponibles que por lo tanto aumentan la capacidad del carbón activado granular para esta reacción de reducción. En cuanto al cloruro, también se acumula en la superficie del carbón durante los primeros momentos de operación. Al seguir llegando HOCl o OCl^- a la superficie del carbón, la reacción se hace un poco más lenta, y entonces se empieza a liberar el cloruro. Esta disminución de velocidad se debe al envenenamiento del carbón con los óxidos superficiales. Dicho envenenamiento continúa de manera gradual, mientras disminuye la capacidad, tanto de adsorción como de decloración del carbón activado.

En las reacciones anteriormente expuestas, puede intervenir el OCl^-, en lugar del HOCl, con la diferencia de que no se produce H⁺. Puede observarse que el carbón activo reacciona y por lo tanto desaparece. Si no hubiera acumulación de óxidos superficiales, la reacción continuaría hasta la desaparición completa del carbón.

Otro camino de reacción, en el que el carbón actúa solamente como catalizador, es el siguiente:

3HOCl HClO₃ +2H⁺ +Cl^-

Este se favorece cuando un importante porcentaje de la superficie del carbón activado granular ya está saturada. Por otro lado, existen muchas otras posibles reacciones, algunas de las cuales se llevan a cabo entre el cloro libre y los óxidos superficiales que estaban presentes en el carbón desde antes de su aplicación. Cada una de ellas puede formar otros grupos más complejos, con la subsecuente liberación de H⁺ y Cl^-. Un ejemplo de éstas es:

C*OH + OCl^- → C*OO^- +H⁺ +Cl^-

Con todo lo anterior se observa que la decloración es una operación compleja, en la que el carbón activado granular actúa como quimiadsorbente. Se han desarrollado varias expresiones matemáticas que intentan describir la decloración en lechos de carbón, pero ninguna de ellas ha sido suficientemente precisa.

Hay que aclarar que al mismo tiempo que el carbón activado granular actúa como declorador, adsorbe la materia orgánica presente en el agua. Por lo tanto, a mayor contaminación orgánica, disminuye su tiempo de vida como declorador, y viceversa. También hay que mencionar que aún cuando el carbón siga eliminando todo el cloro libre, puede ya no estar reteniendo materia orgánica. Es decir, termina antes su capacidad de adsorción física -de moléculas orgánicas - que su capacidad de declorar. Muchas empresas potabilizadoras cuya agua contiene algunos contaminantes orgánicos, erróneamente deciden cambiar el carbón en el momento que encuentran trazas de cloro libre en el efluente del declorador.

Condiciones que afectan la decloración

1. Al disminuir el tamaño de partícula del carbón activado granular, aumenta considerablemente la velocidad de difusión, y por lo tanto la velocidad de decloración. Como consecuencia aumenta el tiempo de vida útil. El uso del menor tamaño de partícula posible, es la manera más sencilla y eficaz de lograr el mayor aprovechamiento del carbón activado granular.

2. El pH del efluente controla la forma del cloro libre en el agua. Cuando su valor es de 7,6 la mitad del cloro libre está presente como HOCl y la otra mitad como OCl^-. La reacción del HOCl con el carbón activo es mucho más rápida que la del OCl^-. A un pH de 4,0 casi todo es HOCI y a un pH de 10,0 casi todo es OCl^-. Por lo tanto, mientras menor es el pH, la reacción es más rápida, y el resultado es un mayor tiempo de operación antes de detectar cloro libre en el efluente.

3. La velocidad de decloración aumenta al aumentar la temperatura, debido a que la viscosidad del agua disminuye, haciendo más rápida la difusión del cloro libre hacia la superficie del carbón activado granular. Como resultado, también se alarga la vida útil del carbón.

4. Al aumentar la concentración de cloro libre en el efluente, se satura el carbón activado granular en menor tiempo. Independientemente del valor que puedan tener las distintas condiciones anteriores, el carbón activado granular tiene una alta capacidad de decloración en relación con la de adsorción de contaminantes orgánicos.