CARBONO ACTIVADO

La adsorción en carbón activo se suele utilizar como etapa posterior a la filtración o previamente a procesos de filtración a través de membranas, o en el mismo proceso como parte del material del propio filtro.

Materia orgánica del efluente

La adsorción es un importante método para la eliminación de compuestos orgánicos solubles no

polares presentes en la materia orgánica del efluente (MOEf), los contaminantes emergentes, tales

como compuestos endocrinos perturbadores, así como la materia orgánica natural (MON). La mayor

parte de la MOEf en las aguas residuales tratadas se encuentra en la fracción soluble (86% de la

DQO). El ensuciamiento por MOEf se define como la acumulación y/o la adsorción de los materiales

orgánicos en la superficie o dentro de los poros de una membrana, reduciendo el rendimiento de la membrana, incluyendo permeabilidad y rechazo. Además, la MOEf puede servir como una fuente de

nutrientes y sustrato para el desarrollo de una capa de ensuciamiento biológico (RB.46: Gur-Reznik

Shirra et al., 2.008).

Materia orgánica disuelta

A pesar de la baja capacidad de adsorción y lenta cinética de adsorción de la materia orgánica disuelta (MOD) de la mayoría del carbón activado (CA) disponible comercialmente, es un proceso muy utilizado para la eliminación de MOD del agua, debido a su fuerte afinidad para eliminar compuestos orgánicos hidrófobos (HPO), incluso a bajas concentraciones. La adsorción en CA, ya sea granulado (CAG) o en forma de polvo (CAP), también ha sido considerado como un medio para reducir el ensuciamiento de las membranas de UF/NF/OI, ya sea solos o en combinación con otros procedimientos de pre-tratamiento (RB.46: Gur-Reznik Shirra et al., 2.008). El CAP juega un papel

importante en el alargamiento del tiempo de filtración continuo mediante la formación de una delgada capa de pastel de CAP en lugar de una capa densa de gel orgánico y por mitigar la carga orgánica en la membrana con su capacidad de adsorción de la materia orgánica antes de que se convierta en suciedad (RB.61: Kim Han-Seung et al., 2.005).

Subproductos de la desinfección

La presencia de los subproductos de la desinfección (DBPs) tales como los trihalometanos (THM), los ácidos haloacéticos (HAA) y N-nitrosaminas en el agua es de gran preocupación debido a sus efectos adversos sobre la salud humana. Se han realizado estudios para valorar la eficiencia en la eliminación de estos compuestos en un efluente secundario por carbón activado biológicamente (CAB). De entre la gran cantidad de precursores NDMA (N-nitrosodimetilamina), se ha investigado individualmente el destino de los cuatro productos farmacéuticos que contienen una fracción dimetilamino en la estructura química. Tanto el potencial de formación de NDMA como cada uno de

TESIS DOCTORAL

los fármacos estudiados se reducen drásticamente por el CAB, incluso en ausencia de la ozonización previa antes de la filtración. La baja eliminación de precursores NDMA en la filtración por arena en comparación con la eliminación de precursores NDMA en el CAB indica que la adsorción puede jugar

un papel importante en la eliminación de los mismos. Al contrario, los precursores de la formación de THM y HAA se reducen tanto en la filtración por arena como en el CAB, lo que indica que los precursores de la formación de estos subproductos de desinfección son en cierta medida biodegradables (RB.37: Farré Maria José et al., 2.011).

Productos microbianos solubles

Los PMS pueden ser eliminados del efluente utilizando una variedad de diferentes tecnologías, pero todas las posibles opciones en la literatura tienden a indicar que el GAC es el método más eficaz para su eliminación (RB.10: Barker Duncan J. et al. 1.999). El carbón activado adsorbe compuestos

orgánicos de una amplia gama de pesos moleculares, con diferencias en la eficacia de eliminación de sustancias macromoleculares dependiendo del carbono activado utilizado (RB.47: Haberkamp Jens et al., 2.007).

Los PMS con alto peso molecular (PM) se adsorben fuertemente sobre carbono y el uso de GAC es

entonces un tratamiento terciario eficaz para reducir la toxicidad de los efluentes. Los efluentes de un tratamiento anaeróbico de aguas residuales (y por lo tanto, PMS anaeróbicos) son menos adsorbibles que aquellos de un efluente anaeróbico/aeróbico y de un efluente aeróbico. Los materiales de bajo MW (es decir, MW < 1 kDa) de los tratamientos anaerobios son los más difíciles para adsorber en el GAC (RB.10: Barker Duncan J. et al. 1.999). El aumento de la demanda de carbón activado debido al

consumo considerable de la capacidad de adsorción por parte de las sustancias de bajo peso molecular,- que no contribuyen presumiblemente al ensuciamiento de la membrana-, puede ser un factor limitante para la aplicación de la adsorción como el proceso de pretratamiento para la reducción de las incrustaciones en procesos de membrana (RB.47: Haberkamp Jens et al., 2.007).

Proceso CAP-NF

El proceso híbrido de adsorción en carbón activado en polvo (CAP) en combinación con nanofiltración puede ser considerado como un concepto de tratamiento fiable para la producción de agua de alta calidad similar a la combinación de un filtro de CAG (Carbón Activado Granular) y nanofiltración. Con dosis relativamente bajas de PAC de aproximadamente 50 mg/l se puede quitar la mayor parte de la MOEf. Si además del parámetro DQO se suma la eliminación de sustancias orgánicas traza, el

proceso CAP-NF es de gran interés para aplicaciones de reutilización potable indirecta. Las ventajas de este proceso híbrido respecto a los procesos de membrana simples son (RB.59: Kazner C. et al.,

2.009):

i. La adsorción con CAP proporciona una limpieza previa, que se traduce en una mejor calidad del permeado relativa a los contaminantes orgánicos y también en una reducción del ensuciamiento de la membrana debido a la eliminación de sustancias que causan ensuciamiento de la membrana, tales como la materia orgánica del efluente (MOEf)

ii. El CAP actúa como un coadyuvante de la filtración y evita que las suciedades entren en contacto potencial con la membrana.

iii. En comparación con la adsorción de lecho fijo, la dosificación de CAP se puede ajustar a la calidad del agua de alimentación. Además el CAP se adiciona antes de la membrana y en la fracción retenida en un nivel de concentración más alto.

TESIS DOCTORAL Disruptores endocrinos

Los sistemas de adsorción sobre carbón activado son ventajosos en términos de sus interacciones hidrofóbicas en la eliminación de la mayoría de los compuestos orgánicos, especialmente

compuestos no polares (compuestos con Koa>2). Debido a que los contaminantes trazas dependen

fuertemente de las interacciones partícula – contaminante, los efectos de la competencia por sitios en la superficie y/o bloqueo de poros (con otras partículas) han reducido el grado de eliminación por carbón activado. Sin embargo, el carbono activado en polvo parece ser el adsorbente más eficaz, especialmente para aquellas sustancias que contienen compuestos orgánicos refractarios, no biodegradables. El potencial de eliminación de EDC mediante carbón activado en polvo puede ser de hasta 90%. La hidrofobicidad de los solutos puede ser correlacionada y cuantificada con el logaritmo de partición octanol/agua (Koa). Las moléculas con log Koa> 2 se refieren generalmente a hidrofóbicas.

Los valores del coeficiente de partición octanol/agua se determinan como log [relación de la concentración en la fase de octanol a la concentración en la fase acuosa a pH ajustado] tal que la forma predominante del compuesto es no ionizado (RB.14: Bolong N. et al., 2.009).

Antibióticos

El tratamiento de adsorción con carbón activado se puede utilizar para la eliminación de muchos

productos farmacéuticos hidrófobos al agua. La eficacia de eliminación del sistema de tratamiento de

adsorción de carbón activado depende de las propiedades del adsorbente (área de superficie específica, porosidad, polaridad de la superficie, y forma física del material) y las características del compuesto (forma, tamaño, carga e hidrofobicidad). Los mecanismos de adsorción consisten en el producto químico (interacción electrostática) y los enlaces físicos de las moléculas a la superficie de un adsorbente. Este último es a menudo más importante debido a la capacidad para formar enlaces de multicapa. De hecho, se informó recientemente de que la mayor eliminación de la amoxicilina por el carbón activado se alcanzó bajo condiciones de pH que corresponden a una carga neta cero en la superficie del carbón activado. La capacidad del carbono activado para adsorber un compuesto particular puede, hasta cierto punto, ser predicho basado en la naturaleza 'hidrófila' o 'hidrófoba' de la

sustancia química. Las propiedades hidrofóbicas (no polares) o hidrófilas (polares) de los antibióticos se pueden determinar a partir de sus valores de log D (o pKa ajustado a Log Koa). Se ha informado

que los antibióticos no polares con Log Koa > 2, se pueden eliminar eficazmente con carbón activado

por interacción hidrófoba. Sin embargo, la adsorción de compuestos más polares o cargados en

carbón activado es mucho más difícil de predecir debido a los efectos adicionales de interacciones polares y de intercambio iónico. Un estudio realizado sobre la relación entre la capacidad de carbón activado y el log Koa de 62 micro contaminantes diferentes, incluyendo algunos antibióticos, como

sulfametoxazol, eritromicina-H2O y trimetoprim, mostró que el grado de eliminación de compuestos

neutros no volátiles después del contacto con CAG (5 mg/l, 4 h tiempo de contacto) puede ser razonablemente bien predicho por la siguiente relación: porcentaje de eliminación = 15 x [Log Koa] +

27 %. Sin embargo, la eliminación de compuestos protonados y desprotonados no siguió esta tendencia. En consecuencia, se debe tener precaución en la predicción de eficacia de eliminación de carbono activado por los valores log Koa y el efecto del pH de la solución, así como valores de pKa de

los compuestos deben ser considerados cuidadosamente a fin de obtener log DpH en su lugar. El

cálculo del log D tiene en cuenta tanto la constante de ionización (pKa) como el log Koa de varias

especies formadas en solución a diferentes pH. Por lo tanto, el uso del log D es más apropiado para estimar las propiedades de partición de todos los compuestos incluyendo especies ionizables que el log Koa. (RB.66: Le-Minh N. et al., 2.010).

TESIS DOCTORAL 5.1.1.2.- Desinfección

FILTRACIÓN POR MEMBRANA