Estos filtros son ampliamente usados en la industria cuando se necesita de un efluente muy limpio sin el uso de reactivos y están basado en el principio de filtrar agua a través de tubos o placas porosas, en lugar de lechos de arena, antracita u otros materiales. El material se prepara en suspensión acuosa y se aplica previamente sobre el elemento de soporte, fabricado de materiales anticorrosivos.
Este tipo de filtro tiene altas cualidades de adsorción, removiendo microorganismos de 1.60-6 fierro manganeso y materia orgánica. Las tasas de filtración que tienen es de 1 a 2 m3/m2.h. Los parámetros del agua cruda son de turbiedad hasta 40 mg/l. La duración de la corrida de filtración es de 8 a 24 horas (para tasas de filtración de 1 a 3 m3/m2.h), el lavado se realiza a contracorriente. Estos filtros requieren de esquemas de alta presión y el costo del agua es alto.
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El Agua con mal sabor y olor debe tratarse a fin de hacerla apta y agradable para beber, cocinar y asearse. Hay dos maneras principales de eliminar estos problemas una de ellas es oxidar el agua, es decir, mezclarla con oxígeno o con sustancias oxidantes. Actualmente los avances de la ciencia se han inclinado por eliminar estos problemas del sabor y olor mediante la absorción de las sustancias que los provocan mediante el carbón activado.
III.4.1 Filtros de Carbón Activado
III.4.1.1 Definición
Carbón Activo es un tipo de carbón amorfo que se produce al calentar madera u otro material orgánico en ausencia de aire. Su estructura es microporosa y ésta característica lo hace absorber moléculas orgánicas tanto gaseosas como las disueltas en los líquidos.
III.4.1.2 Generalidades
Desde tiempos remotos los Egipcios descubrieron que el carbón de madera podía utilizarse para purificar otros productos e incluso para usarse con fines medicinales. En el siglo XVIII, Sheele reconoce las propiedades de adsorción del carbón en experimentos con gases. Hoy día está muy extendido su empleo, tanto para eliminar contaminante del agua como del aire; en el agua se emplea cada vez más para eliminar compuestos orgánicos que comunican color, olor y sabor desagradables. Las propiedades de adsorción del carbón se deben a su elevada porosidad, que le proporciona una gran superficie.
III.4.1.3 Descripción
Para comprender mejor la actividad del carbón activado es necesario realizar un análisis de la adsorción. La adsorción es un proceso por el cual los átomos en la superficie de un sólido, atraen y retienen moléculas de otros compuestos. Tales fuerzas son conocidas como ― Fuerzas de Van Der Waals‖.
Las características fundamentales en las que se basan las aplicaciones del carbón activo son:
La elevada Capacidad de eliminación de sustancias se debe a la alta superficie interna que posee, donde la porosidad y la distribución del tamaño de poros tienen un papel
de retensión, mientras los mesoporos (2 –50 nm) y microporos (>50nm) son necesarios para retener moléculas de gran tamaño (colorantes o coloides).
Baja selectividad de retensión.
El carbón activo retendrá moléculas apolares de alto volumen molecular (hidrocarburos, fenoles, colorantes...), mientras que sustancias como el nitrógeno, oxígeno y agua no se retienen a temperatura ambiente. Cuado la sustancia a eliminar tenga una polaridad apreciable, bajo volumen molecular y esta muy diluida en aire la retensión puede ser a temperatura ambiente, por el carbón solo si se impregna con reactivos específicos o se aprovechan las propiedades catalíticas del carbón.
La selección de una adecuada retensión en columnas de carbón activo requiere de un análisis de diversos factores, además de los económicos y ambientales como:
Calidad y Caudales del agua a tratar.
Vida útil de la planta.
Posibles cambios en los Usos finales de las Aguas tratadas.
Ciclos de regeneración del C.A.
Destrucción o recuperación de los contaminantes retenidos en las columnas de carbón activo.
III.4.1.4 Producción de carbón activo
El proceso de elaboración de Carbón Activo se basa en un carbón a partir de materiales tales como las cortezas de almendras, cáscaras de coco, nogales o palmeras, otras maderas y carbón mineral. La obtención es calentando el material al rojo vivo para expulsar hidrocarburos, pero sin aire suficiente para mantener la combustión (Metcalf & Eddy, 1996).
Por ello el carbón activado es un material que se prepara en la industria para que tenga una elevada superficie interna y así poder absorber (retener sobre su superficie) una gran cantidad de compuestos, diversos tanto en fase gaseosa como en disolución (Rodríguez y Reinoso, 1987).
III.4.1.5 Proceso de activación
Para Clarimex, (2000) el proceso de activación consiste en reordenar los átomos de carbono en anillos tipo benceno para lograr una estructura cristalina reticular similar a la del grafito, en otras palabras la activación consiste en multiplicar la cantidad de poros de un carbón dando como resultado una estructura extremadamente porosa de gran área superficial (del orden de 1500 m2/g de carbón) disponible para llevar a cabo el proceso de adsorción de impurezas que provocan olor, calor o sabor indeseable.
Los principales procesos de Activación son: Físico y Químico.
Proceso Físico. Consiste en Oxidar la materia prima a altas temperatura en presencia
de un agente oxidante usualmente vapor de agua. Debido a que la reacción es endotérmica, por tal es necesario generar una temperatura constante dependiendo de la materia prima esta es de 800 °C.
Proceso Químico. Esta se basa en la deshidratación de la materia prima, mediante
substancias químicas a una temperatura media (400 – 600°C), ésta depende de la substancia química a utilizar para activar el carbón, generalmente son el ácido fosfórico, el cloruro de zinc y el ácido sulfúrico.
Según Martínez y Gonzáles, (2000) La reactivación puede ser más de 30 veces sin pérdida apreciable de poder de adsorción. Tal operación puede realizarse en hornos de hogar múltiple o en hornos rotativos, donde los productos orgánicos se queman.
Si el agua a tratar por el carbón, contiene compuestos orgánicos metálicos de hierro, magnesio, calcio, sodio o potasio, es conveniente que estos iones metálicos sean eliminados del carbón con ClH, antes de proceder a la regeneración.
En el proceso de activación el carbón se puede separar o dividir en diferentes tamaños con diferente capacidad de adsorción. Los dos tipos de clasificación son: C.A en polvo (con diámetro < al tamiz 200), y granular (con diámetro > 0.1 mm). Tienen una estructura formada por placas grafiticas (Metcalf & Eddy, 1996).
Figura 3.2 Estructura del carbón activado en anillos tipo benceno.
En el proceso de activación el C.A granular pierde entre un 5 y un 10 % de su poder de absorción, en tanto que quede agotada su capacidad deberá ser necesario reemplazarlo por un carbón nuevo. En el caso del C.A en polvo no es necesario regenerar el carbón consumido (Metcalf & Eddy, 1996).
El Carbón Granular suele emplear una columna como medio de contacto de agua, mientras que el carbón en polvo se puede añadir al efluente de procesos de tratamiento biológicos, directamente en las unidades de tratamiento o formando parte de los diagramas de flujo del proceso fisicoquímico.
En el caso de la adición al efluente se añade a un tanque de contacto. Al finalizar el tiempo deseado de contacto se deja que el carbón sedimente en el fondo del tanque para sacar el agua tratada. Como el polvo es muy fino se recomienda un coagulante (poli electrolito).
Cuando la eficiencia del CAG ha disminuido el tiempo para la remoción del color excede unas dos horas del promedio de las semanas anteriores se debe cambiar.
El tamaño apropiado de los gránulos es como mínimo de unos 4 mm de diámetro. Teniendo la presentación en forma de sacos cilíndricos formados a partir de polvo de carbón que se moldea a presión y otros de forma irregular. Es a sí como la naturaleza del carbón se tiene CAG en lignita (mejor adsorción), turba, Carbón bituminoso, Cáscara de Coco, Maderas duras. Todas eliminan sustancias orgánicas coloreadas, la única diferencia es la eficiencia de realizarlo (Salas y García, 1997-2002).