LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
EMISIONES DE HAP AL AGUA
3. MATERIALES, EQUIPOS Y MÉTODOS
3.2. MODIFICACIÓN DE LA QUÍMICA SUPERFICIAL DEL ADSORBENTE
Una de las propiedades más interesantes de los carbones activados es que su superficie puede ser fácilmente modificada, para de esta forma obtener un carbón a medida para una determinada aplicación. Dicha modificación puede consistir, por ejemplo, en la incorporación de diferentes tipos de grupos superficiales. Habitualmente se introducen heteroátomos (H,
MARSH, 2006; BANDOSZ, 2006]; actualmente existen numerosos estudios
dirigidos hacia la funcionalización con moléculas orgánicas complejas
(ADN, proteínas), etc. [RONG,2002].
En el caso de la modificación con los heteroátomos más frecuentes, se pueden obtener: grupos superficiales carbono-oxígeno, formados por oxidación de la superficie del carbón activado con agentes oxidantes en fase gas o líquida; grupos superficiales carbono-hidrógeno, obtenidos por
tratamiento con hidrógeno a elevada temperatura [DASTGHEID, 2004];
grupos superficiales carbono-nitrógeno por tratamientos de amoxidación con
amoníaco u otros precursores nitrogenados [EMMETT, 1948;BOEHM, 1959;
PURI, 1970; RIVERA-UTRILLA, 1984]; funcionalidades carbono-azufre,
resultantes del tratamiento del carbón activado con azufre elemental, H2S,
SO2 [PURI, 1966; PURI, 1971; SINHA, 1972]; y grupos superficiales
carbono-halógeno, formados por tratamiento con halógenos en fase gas o
líquida [PURI, 1967; GANDHI, 1975]. Asimismo, se puede modificar la
química superficial de un carbón activado que inicialmente posee un cierto número de grupos funcionales, sometiéndolo a tratamiento térmico para eliminarlos selectivamente o completamente, según el intervalo de
temperaturas aplicadas [LEÓNY LEÓN, 1994].
En este trabajo, la química superficial de los carbones activados fue modificada mediante: i) oxidación por vía húmeda con varios agentes oxidantes, y ii) tratamientos térmicos a varias temperaturas. En los siguientes apartados se detalla el procedimiento seguido en cada caso.
3.2.1.OXIDACIÓN CON REACTIVOS
Con objeto de introducir grupos funcionales oxigenados, se llevó a cabo la oxidación por vía húmeda de uno de los carbones activados de
partida -Q-, utilizando dos agentes oxidantes: ácido nítrico a distintas concentraciones, y peroxodisulfato amónico.
La acción oxidante del ácido nítrico depende de su concentración y de la naturaleza de la sustancia oxidada. El ácido nítrico diluido,
generalmente, se reduce a NO, mientras que el concentrado origina NO2 de
acuerdo con las reacciones:
- + - 3 2 2 NO + 2H + 1e →NO ↑+ H O E0 = 0,78 V [3.11] - + - 3 2 NO + 4H + 3e →NO + 2H O↑ E0= 0,96 V [3.12]
El procedimiento seguido para la oxidación con ácido nítrico se detalla a continuación: se ponen en contacto 10 g del carbón activado Q con 50 ml de ácido nítrico de varias concentraciones (20 y 60 %). La mezcla se calienta a ebullición hasta sequedad. Tras la oxidación, se procede al lavado con agua destilada, de tal forma que los iones nitrato en exceso que pudieran haber quedado retenidos sean eliminados completamente. El lavado se da por concluido cuando el test de la brucina para la identificación de nitratos da negativo. Finalmente, las muestras oxidadas y lavadas se secan en una
estufa a 110 oC.
El peroxodisulfato amónico, (NH4)2S2O8, es un agente oxidante
fuerte, que se reduce según la ecuación:
2- - 2-
2 8 4
S O + 2e →2SO E0 = 2,01 V [3.13]
Para la oxidación con peroxodisulfato amónico (NH4)2S2O8, se
ponen en contacto 10 g del carbón activado de partida con 100 ml de una disolución saturada de peroxodisulfato amónico en ácido sulfúrico 2 M, durante 17 horas. Transcurrido este tiempo, se elimina el disolvente por filtración. Posteriormente, la muestra se lava con agua destilada y se seca en
La nomenclatura asignada a las muestras oxidadas se recoge en la Tabla 3.6. Se corresponde con el nombre asignado al carbón original de partida (Q), seguido de las siglas identificativas del oxidante empleado. Tabla 3.6. Nomenclatura usada para los carbones modificados por
oxidación con reactivos y tratamiento térmico
Carbón activado Oxidante /Temperatura (ºC) Nomenclatura
Ácido nítrico 20 % (N20) QN20 Ácido nítrico 60 % (N60) QN60 Q Peroxodisulfato amónico (S) QS 450 NC450 NC 850 NC850 3.2.2.TRATAMIENTO TÉRMICO
En comparación con el tratamiento oxidante, el tratamiento térmico de un material de carbón que presente una elevada cantidad de grupos funcionales, permite la eliminación de los mismos de una forma más
controlada en la matriz carbonosa [ANIA,2007a].
El dispositivo experimental utilizado para realizar el tratamiento térmico se muestra en la Figura 3.4, y consiste en:
- Un reactor de cuarzo, que consta de dos piezas. Una camisa exterior de forma tubular de 400 mm de longitud y 30 mm de diámetro interno, provista de un pequeño tubo lateral a través del cual tiene lugar la
salida del gas, en este caso N2. La pieza interior dispone de una placa porosa
de 20 mm de diámetro interno en la base, sobre la que se coloca la muestra. La entrada del gas se produce por la parte superior de esta pieza interior.
- Un horno cilíndrico vertical, construido y aislado con material refractario, de tal manera que el gradiente de temperatura hacia los extremos no es demasiado grande y en su parte central tiene una zona de temperatura uniforme; su temperatura máxima de trabajo es de 1200 ºC y sus dimensiones físicas son 400 mm de longitud y 50 mm de diámetro interno.
Figura 3.4. Esquema del dispositivo experimental empleado durante el tratamiento térmico del carbón activado NC.
El procedimiento empleado en el tratamiento térmico de los carbones activados fue el siguiente: en el interior de un reactor de cuarzo se colocan aproximadamente 5 gramos de carbón activado. Durante media hora
se inertiza la muestra haciendo pasar un flujo de 100 cm3 min-1 de nitrógeno
a temperatura ambiente. Una vez que el horno ya ha alcanzado la temperatura de trabajo y ésta se mantiene estable, se introduce el reactor manteniendo el flujo de gas. El control de la temperatura del carbón activado se consigue a través de un termopar colocado en la parte superior del reactor
e introducido en la muestra. Una vez que la muestra alcanza la temperatura deseada se mantiene a esa temperatura durante 30 min.
La nomenclatura de las muestras sometidas a tratamiento térmico se recoge en la Tabla 3.6. Se corresponde con el nombre del carbón de partida (NC) seguido de un número, el cual indica la temperatura final del calentamiento.