Carbón activado para eliminar el hierro
La industrialización fomenta el desarrollo económico y social, pero el crecimiento de las instalaciones industriales intensifica las emisiones contaminantes, lo que afecta a todo el ecosistema. La contaminación del agua es uno de los terribles efectos de la industrialización.
Los datos muestran que casi 60% de las aguas superficiales y 50% del agua potable contienen iones de hierro. Debido a las actividades mineras, las depuradoras y otras actividades, el contenido de hierro en las fuentes de agua ha aumentado considerablemente en algunas zonas. Una acumulación excesiva de hierro puede causar graves problemas de salud.
En este estudio se utilizó la tecnología de adsorción con carbón activado para tratar el hierro en el agua. Durante el experimento, se estudió la viabilidad de la eliminación de iones de hierro mediante adsorción por lotes y lecho fijo.
Introducción del hierro
El hierro, 26º elemento de la tabla periódica, es un elemento importante. Cubre aproximadamente el 5% de la corteza terrestre y es el segundo metal más abundante, después del oxígeno, el silicio y el aluminio entre los elementos.
El hierro elemental es un metal de transición. Los estados de oxidación básicos son +2 (ferroso) y +3 (férrico), aunque también existen estados de oxidación +4 (ferroso) y +6 (férrico). Los compuestos de hierro en estado +2 se denominan ferrosos y están formados por iones Fe de color verde claro, mientras que los compuestos de hierro en estado +3 se denominan férricos y contienen iones complejos de Fe, que pasan del amarillo al naranja y finalmente al marrón, dependiendo del grado de hidrólisis.
En el agua oxigenada, los iones Fe2+ se oxidan a iones Fe3+. La velocidad de oxidación depende principalmente de la concentración de iones H+ y de la temperatura de la solución. Por lo general, los iones ferrosos retienen una mayor cantidad de hierro en la solución que los iones férricos, y los elementos ferrosos tienden a tener una mayor solubilidad en comparación con el hierro elemental.
Adsorción para eliminar el hierro
El hierro es muy tóxico y, por lo tanto, es necesario controlar este contaminante en los niveles de emisión. Existen muchas tecnologías para eliminar el hierro del agua potable y de los residuos municipales, como el intercambio iónico y el ablandamiento del agua, la extracción con fluidos supercríticos, la oxidación aireada, la microfiltración/ultrafiltración, los filtros de partículas aireados y la biorremediación.
El principal inconveniente de estas tecnologías es que son caras o no pueden utilizarse sin electricidad. La adsorción es la adhesión de una sustancia adsorbida (adsorbato) a una superficie sólida. Los adsorbatos existen en la fase fluida como solutos disueltos en líquidos o gases. Es preferible a otros tratamientos por su facilidad de uso, diseño sencillo, gran capacidad, bajo coste, escasa generación de subproductos y alta eficacia terapéutica.
Se trata de un fenómeno de superficie que requiere que los contaminantes de las aguas residuales se acumulen en la superficie del adsorbente. Esta deposición de iones metálicos en el adsorbente se produce en la interfaz del adsorbente, dando lugar a una estructura bidimensional. Esto depende de las propiedades del adsorbente, como la carga superficial, el área superficial y la funcionalidad de la superficie.
La adsorción también es superior a otros procesos de eliminación debido a su gran eficacia y a la posibilidad de regenerar el adsorbente y recuperar el adsorbato. Una de las formas de superar estas dificultades es la adsorción de hierro por diversos adsorbentes. Debido a su comportamiento multifuncional, se ha determinado que el carbón activado es muy activo en el tratamiento de aguas residuales.
Estructura del carbón activado
La configuración atómica exacta del carbón activado es desconocida, a pesar de su importancia comercial en la purificación del agua y del aire. La configuración del carbón se prepara por pirólisis. Estos carbones pueden clasificarse en dos grupos distintos, grafitizados y no grafitizados. El carbono derivado del carbón activado es no grafitizable, lo que significa que puede transformarse en grafito cristalino incluso a temperaturas muy elevadas (≥3000℃).
Los estudios de difracción de neutrones han demostrado que los carbones no grafitizables tienen un armazón similar al de los fullerenos, como se muestra en la figura 1. Pero no se ha podido aportar ninguna prueba clara de que los átomos estén enlazados en forma de anillos pentagonales o hexagonales.
Poros de carbón activado
Además de la cristalización y la configuración química del carbón activado, su estructura porosa también desempeña un papel crucial en diversas aplicaciones. La capacidad de absorción del carbón activado está muy relacionada con el área superficial, el volumen de los poros y la distribución del tamaño de los poros.
Depende principalmente de la naturaleza y el tratamiento químico de las materias primas. La estructura porosa del carbón activado se produce eliminando las sustancias no carbonosas de la materia prima durante la carbonización, lo que produce un bloque de carbón fijo con una estructura básica de poros y se desarrolla aún más durante el proceso de activación.
El proceso de activación amplía el diámetro de los poros creados durante la carbonización y, al mismo tiempo, crea algunos poros nuevos, lo que da lugar a una estructura porosa bien desarrollada. Los poros del carbón activado se distribuyen en varios tamaños y formas. La distribución del tamaño de los poros del carbón activado resultante se ve afectada principalmente por el grado de impregnación. Las condiciones de activación y carbonización son los parámetros más críticos que afectan al tipo de porosidad del carbón activado resultante.
Los carbones activados se clasifican por el tamaño de los poros de la siguiente manera: macroporos (>50nm), mesoporos (2-5nm) y microporos (<2nm). Los microporos pueden subdividirse a su vez en ultramicroporos (<0,5nm) y ultramicroporos (1-2nm). Los mesoporos sirven de vías para que las moléculas adsorbidas atraviesen la red microporosa. Los macroporos no tienen ninguna función, pero ayudan a guiar los iones metálicos hacia los mesoporos y las superficies microporosas. La distribución característica del tamaño de los poros del carbón activado se muestra en la Fig. 2.
Condiciones de trabajo del carbón activado para el hierro
El proceso de adsorción depende en gran medida de diversos condicionantes como el pH, la dosificación del sorbente, la concentración inicial, el tiempo de contacto y la temperatura. El efecto de estos parámetros en la adsorción de hierro por carbón activado se estudió en detalle para determinar las condiciones óptimas.
Se utilizó carbón activado para excluir iones Fe(II) de la fase acuosa en varios intervalos de pH, de 2 a 6. Se observó que a pH<3, la eficiencia de eliminación era la más baja. Se observó que a pH<3, la eficiencia de eliminación era la más baja. A medida que aumentaba el valor de pH de la solución, el porcentaje de eliminación se incrementaba significativamente, alcanzándose la máxima tasa de eliminación a pH5,0.
La cantidad de hierro adsorbido en el carbón activado aumenta con el tiempo de contacto. Debido a la elevada fuerza motriz entre el adsorbente y los iones metálicos de la solución, la velocidad de adsorción fue rápida en los primeros 90 min.
Los sitios de adsorción son accesibles al principio, se ralentizan y alcanzan el equilibrio en torno a los 150 min. La ampliación del tiempo de funcionamiento a 6 h no tuvo ningún efecto sobre la concentración residual de iones metálicos, lo que indica que el equilibrio se alcanzó a los 150 min, más allá de los cuales la acumulación de iones de hierro dificultó la difusión en el sorbente. La resistencia a la difusión aumenta con un mayor llenado de los microporos, lo que contradice el efecto del tiempo de contacto.
La eliminación de iones metálicos es un proceso altamente dependiente de la concentración que puede reconocerse como un efecto del transporte de masas. La adsorción está regulada por la cobertura monocapa de moléculas en el límite del sorbente de carbón activado.
Por tanto, el proceso de adsorción es inicialmente muy rápido. A concentraciones más elevadas, las vacantes presentes en la superficie del carbono estarán rodeadas por más adsorbatos. Por lo tanto, los iones metálicos no sólo fueron adsorbidos por la monocapa en la superficie periférica del adsorbente de carbón activado, sino que también se difundieron en el interior de las partículas de carbón activado.
Conclusión
El carbón activado adsorbe para eliminar el impacto del hierro en el medio ambiente. Aunque el hierro es un mineral importante para el ser humano, si el contenido de hierro en el agua supera un determinado nivel, hará que el agua no sea potable, lo que provocará diversos trastornos de salud. El abastecimiento de agua potable es una necesidad humana universal. Por lo tanto, es esencial disponer de tecnologías eficientes y asequibles para utilizar el carbón activado en el tratamiento del agua con el fin de eliminar el hierro del agua y garantizar un agua potable segura.