Carbone attivo

Il carbone attivo è un adsorbente comune e relativamente poco costoso, frequentemente utilizzato in modo diversificato per applicazioni come la rimozione di inquinanti, trattamento delle acque, desalinizzazione, separazione di gas, purificazione dell’aria e nell’industria farmaceutica. 

Il carbone attivo è una sostanza altamente porosa che attrae e trattiene al suo interno sostanze chimiche generalmente di natura organica. Inoltre, il carbone attivo è impiegato in campo medico, come, ad esempio l’emodialisi e il trattamento dell’intossicazione ed è pertanto presente nell’elenco dei medicinali essenziali dell’Organizzazione Mondiale della Sanità.

Esso è efficiente nell’eliminare i veleni dalla circolazione, nella cura dell’overdose di farmaci e nei casi di intossicazione. Farmaci e tossine possono legarsi al carbone attivo e questo a sua volta aiuta a liberare il corpo dalle sostanze indesiderate.

Il carbone attivo è un tipo di carbone che ha subito un processo di attivazione per renderlo eccezionalmente poroso e in grado di adsorbire in modo efficiente diverse sostanze chimiche. Il suo meccanismo di adsorbimento è comunemente dovuto alla presenza di micropori presenti o alle deboli forze di Van der Waals che possono attrarre le impurità.

Le applicazioni emergenti dell’energia verde del carbone attivo riguardano la produzione di elettrodi per batterie e supercondensatori. Il carbone attivo può anche catturare e immagazzinare anidride carbonica o idrogeno ed inoltre  può essere utilizzato come catalizzatore per ridurre la formazione di catrame nella gassificazione della biomassa o convertire la biomassa in prodotti chimici verdi e biocarburanti.

Proprietà del carbone attivo

Il carbone attivo ha una elevata area superficiale specifica, pari a oltre 1000 m² /g, elevata porosità, inerzia chimica e buona stabilità meccanica. Il suo elevato numero di fori molto piccoli offre al carbone attivo un’ampia superficie interna, che è il fondamento delle sue caratteristiche di adsorbimento.

La capacità di adsorbimento è correlata alle sue proprietà come area superficiale, volume dei pori, distribuzione delle dimensioni dei pori e struttura dei pori.  Si presenta di colore nero, inodore, insapore, con una struttura amorfa e non è solubile in acqua né in solventi organici. Se conservato all’aperto assorbe gradualmente acqua risultando quindi inutilizzabile per i suoi scopi abituali.

Da un punto di vista strutturale si presenta eterogeneo a causa dell’esistenza di micropori, mesopori e macropori di diverse dimensioni e forme e contiene dall’85 al 98 % di carbonio. La struttura del carbone attivo è composta da atomi di carbonio che sono ordinati in pile parallele di strati esagonali, ampiamente reticolati e legati tetraedricamente. Diversi eteroatomi tra cui ossigeno, idrogeno, azoto e altri possono essere trovati nella matrice di carbonio sotto forma di singoli atomi e/o gruppi funzionali

Il carbone attivo ha una temperatura di autoaccensione che va dai 315 ai 400 °C e un calore di combustione di 7830 cal/g. L’ossidazione superficiale determina la formazione di gruppi idrossilici, carbonilici e carbossilici che conferiscono al carbonio un carattere anfotero, rendendolo acido o basico.

Metodi di preparazione

A livello commerciale, il carbone attivo è ottenuto da fonti non rinnovabili come carbone, lignite e torba che presentano un basso contenuto di minerali, un alto contenuto di carbonio e un’elevata porosità. Tuttavia, a causa delle relative preoccupazioni ambientali ed economiche, vi è un crescente interesse della ricerca per trovare materiali di scarto di biomassa a basso costo come risorse rinnovabili, naturali e poco costose, come guscio di cocco, segatura, bambù e pannocchia di mais, nonché processi a basso costo per la produzione.

In genere, la preparazione del carbone attivo avviene tramite le seguenti fasi ovvero pretrattamento del materiale, impregnazione del materiale con l’attivatore, carbonizzazione del materiale impregnato e rimozione dell’attivatore.

Trattamento preliminare

Il trattamento preliminare di frantumazione, macinazione e setacciatura viene effettuato per ottenere una dimensione delle particelle appropriata di fondamentale importanza per la successiva gestione della materia prima. Esiste un’ampia varietà di materiali che possono essere utilizzati come precursori, tra cui carboni, coke petrolifero detto anche pet coke, carbone vegetale, biomassa o prodotti chimici come i polimeri.

Carbonizzazione

Il metodo più frequentemente utilizzato per la preparazione del carbone attivo prevede la carbonizzazione, processo mediante il quale residui solidi con contenuto crescente dell’elemento carbonio vengono formati da materiale organico, solitamente tramite pirolisi in un’atmosfera inerte, dei precursori ad alta temperatura in un’atmosfera inerte seguita dall’attivazione.

La carbonizzazione deve essere effettuata per rimuovere eventuali sostanze volatili, lasciando un residuo solido che deve essere successivamente sottoposto al processo di attivazione. Quest’ultimo processo può essere di tipo fisico o di tipo chimico. L’attivazione è necessaria per migliorare la porosità e pulire i pori che, durante la carbonizzazione, si riempiono con prodotti di catrame che si decompongono bloccando i pori.

Processo di attivazione fisica

Il processo di attivazione fisica comprende il trattamento del carbone ottenuto dalla carbonizzazione in presenza di alcuni gas ossidanti, generalmente vapore o anidride carbonica ad alta temperatura. La struttura porosa viene creata a causa dell’eliminazione di materia volatile durante la pirolisi e il carbonio viene rimosso durante l’attivazione.

Nel processo di attivazione chimica, il precursore viene dapprima trattato con un agente di attivazione chimica, tipicamente acido fosforico, acido solforico o cloruro di zinco che agiscono sia come agenti disidratanti che come ossidanti, in modo che la carbonizzazione e l’attivazione avvengano simultaneamente.

Avviene poi il riscaldamento a una temperatura di 450–700 °C in un forno di attivazione. Il carbone viene quindi lavato con acqua per rimuovere l’acido dal carbonio. Il filtrato è passato a un’unità di recupero chimico per il riciclaggio. Il carbonio è essiccato e il prodotto è spesso setacciato per ottenere un intervallo di dimensioni delle particelle specifico.

Classificazione

Può essere classificato come carbone attivo in:

• polvere (PAC)

Questo termine è utilizzato per descrivere quel tipo di carbone le cui particelle passano attraverso un setaccio a 50/80 maglie. È costituito da polveri o piccoli granuli con un diametro medio di 0.15-0.25 mm ed è ideale per il trattamento delle acque per il controllo del gusto e dell’odore e la rimozione di composti organici.

L’efficacia del carbone attivo in polvere risiede nella sua elevata area superficiale e nella sua intricata struttura porosa, che comprende microscopici vuoti e canali invisibili a occhio nudo. Quando il carbone attivo in polvere interagisce con un fluido contaminato, le impurità sono intrappolate in questi minuscoli pori tramite adsorbimento. Infatti la dimensione fine delle particelle facilita una rapida cinetica di adsorbimento, assicurando una rimozione rapida ed efficiente dei contaminanti.

L’uso del PAC è vantaggioso dal punto di vista economico e ambientale, poiché riduce i costi operativi, produce un minimo di fanghi di scarto, consente la conservazione delle risorse e fornisce una qualità dell’acqua superiore. È anche integrato nei sistemi di purificazione dell’aria per assorbire composti volatili e metalli pesanti, come il mercurio. È utilizzato per la rimozione di diossine e furani nei sistemi di trattamento dei gas di combustione negli impianti di produzione di energia dai rifiuti.

• granulare (GAC)

Le dimensioni delle particelle dei granuli variano in genere da circa 0.2 mm fino a 5 mm ed è in genere prodotto da carbone bituminoso, gusci di cocco o determinati tipi di legno. È ampiamente utilizzato in Europa e negli Stati Uniti per la rimozione di microinquinanti come pesticidi, prodotti chimici industriali, sapori e odori.

Rispetto al PAC ha una maggiore capacità di assorbire gas e vapori a causa della presenza di uno spazio maggiore tra le sue particelle per il passaggio del gas. È utilizzato nel trattamento dell’acqua potabile grazie alla sua efficacia nell’adsorbire un’ampia gamma di composti organici, sapori e odori indesiderati, nel controllo della formazione di inquinanti clorurati e nella riduzione della quantità di sottoprodotti dell’ozonizzazione come il bromato.

Gli adsorbitori GAC sono comunemente installati a valle dei filtri rapidi a gravità utilizzati per la rimozione della torbidità. Sebbene il GAC abbia un costo di circa due o tre volte rispetto al PAC, può essere riattivato dopo l’esaurimento e riutilizzato ed inoltre non presenta la tendenza a sedimentare come il PAC.

• estruso (EAC)

Stampato in forma estrusa come pellet cilindrici è costituito principalmente da pellet di dimensioni comprese tra 0.8 mm a 4 o 5 millimetri. Con la sua elevata durezza meccanica, le vantaggiose proprietà di adsorbimento e la buona riattivabilità a seconda della sostanza adsorbita, è spesso utilizzato nella purificazione dell’aria e del gas e nel trattamento dell’acqua.

Inoltre, è utilizzato per la desolforazione del biogas da solfuro di idrogeno, anidride solforosa, disolfuri e tioli ma anche per la purificazione del gas adsorbente e per l’essiccazione del gas. Oltre alle applicazioni idriche il carbone attivo estruso è utilizzato anche nella bonifica del suolo e per il recupero di solventi. Infine, è utilizzato nei processi in cui è richiesta una bassa caduta di pressione durante il flusso.

Ha una capacità di adsorbimento verso una gamma molto ampia di gas organici volatili e odori. È estremamente utile quando non è stata determinata la natura esatta dei contaminanti in quanto è un adsorbente ad ampio spettro estremamente efficace per applicazioni industriali

• impregnato (IAC)

E’ prodotto modificando chimicamente le superfici attive delle particelle porose tipicamente di EAC o GAC. L’impregnazione migliora notevolmente la capacità di adsorbimento dei contaminanti che sono altrimenti difficili da rimuovere, come composti polari o molecole inorganiche.

L’impregnazione superficiale può comportare una distribuzione fine di particelle chimiche o di metallo o di ossido di metallo sulla superficie del carbone. Questo trattamento aumenta notevolmente la capacità di adsorbimento del carbone attivo attraverso una sinergia tra le sostanze chimiche e il carbone.

Il carbone attivo impregnato è utilizzato per trattare i gas di combustione negli impianti di generazione a carbone e in altre applicazioni di controllo dell’inquinamento atmosferico. Il carbone può essere impregnato specificamente per la rimozione di gas acidi, ammoniaca e ammine, aldeidi, iodio radioattivo, mercurio e gas inorganici come arsina e fosfina.

Quello impregnato con ossido di metallo è utilizzato in particolare per la rimozione di gas inorganici tra cui il cianuro di idrogeno. Nelle applicazioni di trattamento delle acque, il carbone impregnato d’argento fornisce anche effetti antimicrobici.

• biochar (BAC)

Il biochar, una volta attivato, è il membro più recente della famiglia di carbone attivo ed è ottenuto tramite un metodo di pirolisi con emissioni di carbonio eccezionalmente basse, un processo di carbonizzazione che porta le materie prime direttamente alla fase di attivazione in meno di un’ora, a seconda dell’intervallo di temperatura.

Il processo di pirolisi può essere ottimizzato per fornire energia per alimentare turbine elettriche o biocarburanti. Il biochar può essere attivato fisicamente o chimicamente a seconda delle proprietà superficiali desiderate.

L’area superficiale ampiamente sviluppata consente di adsorbire composti inorganici e organici, compresi i polimeri. Il biochar ottenuto dalla paglia di grano e dai trucioli di legno è utilizzato per l’adsorbimento di nichel (II) e zinco (II) da soluzioni acquose.

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