UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERA QUMICA E INDUSTRIAS ALIMENTARAS

ESCUELA DE INGENIERA QUMICA PURIFICACIN DE AGUAS A PARTIR DE FILTROS DE CARBN ACTIVADO DE LA CASCARA DE COCO CURSO : Metodologa de la investigacin

DOCENTE

: Huangal Scheineder Sebastian

ALUMNOS

: Mendoza Hernndez Leonardo Villanueva Tllume Handrey 099071-c 095173-f

CICLO : 2012 0

Lambayeque, 7 de diciembre de 2012.

PURIFICACIN DE AGUAS A PARTIR DE FILTROS DE CARBN ACTIVADO DE LA CASCARA DE COCO

1. REALIDAD PROBLEMTICA

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:

El carbn activado de cascara de coco es muy eficaz en purificacin de agua potable, envasada y residual, para la eliminacin de olor, sabor y color, elimina los trihalometanos causantes de cncer. Es un material ayuda a la decloracin de la misma bajando los niveles por debajo de la norma NOM-127-SSA1-1994 y la NOM- 041-SSA1-1993 (250 ppm Cl-)

El Carbn Activado de Cascara de Coco (vegetal) est fabricado a partir del huesillo de cscara de coco, es un material activado con vapor, por lo que no contiene agentes qumicos que puedan contaminar o reaccionar con el medio donde sea utilizado, se caracterizan por tener una gran cantidad de micro a mesoporos (5nm-50 nm) adecuados para la eliminacin de molculas pequeas, contiene un PH neutro, se puede fabricar en cualquier granulometra.

1.2 FORMULACIN:

Se puede obtener de filtros de carbn activado a partir de cascaras de coco para la purificacin de agua?

1.3 IMPORTANCIA:El carbn de coco tiene una alta dureza, puede ser utilizado en columnas de lecho fijo o lecho mvil, con un mnimo de prdidas en los procesos de retrolavado y regeneracin.

La mayora de fabricantes basan la calidad del carbn activado de coco en la capacidad de adsorcin que esta directamente relacionada con el rea de contacto, generalmente realizan pruebas de adsorcin con una solucin de yodo.

Lo importante esta en el proceso de activacin utilizado (por vapor o reaccin qumica), adems del tiempo de residencia, temperatura, presin, en general las condiciones de operacin.

2. OBJETIVOS:

Objetivo general: Obtener filtros de carbn activado a partir de la cascara de coco para la purificacin de agua.

Objetivos especficos: Conocer la aplicacin del carbn activado en la purificacin del agua. Indicar el proceso para la produccin de carbn activado a partir de la cascara de coco.

3. JUSTIFICACIN:

El proyecto nos permitir saber si la elaboracin de filtros de carbn activado es eficiente y rentable para la purificacin de agua.

4. MARCO TERICO:

4.1 Carbn activado:El carbn activado es carbn poroso que se produce artificialmente de manera que exhiba un elevado grado de porosidad y una alta superficie interna. Estas caractersticas, junto con la naturaleza qumica de los tomos de carbono que lo conforman, le dan la propiedad de atraer y atrapar de manera preferencial ciertas molculas del fluido que lo rodean.

A esta propiedad se le llama adsorcin; al slido se le denomina "adsorbente" y a la molcula atrapada, "adsorbato". La unin entre el carbn y el adsorbato se lleva a cabo por medio de fuerzas de London, que son una de las clases de fuerzas de van der Waals. stas son relativamente dbiles y, por lo tanto, reversibles.

Cabe mencionar que algunos compuestos reaccionan con el carbn, en cuyo caso, los productos de la reaccin pueden quedar ligados qumicamente a la superficie del carbn.

El carbn activado, es un compuesto covalente y, por lo tanto, muestra preferencia por molculas covalentes; es decir, por molculas que tienden a ser no inicas y poco polares. Tal es el caso de la mayora de los compuestos orgnicos. Por lo tanto, el carbn activado se considera un adsorbente casi universal de molculas orgnicas.

Debido a lo anterior una de las principales aplicaciones del carbn activado es la purificacin de lquidos y gases contaminados con alguna molcula orgnica.

4.1.1 Propiedades de adsorcin del carbn activado:

Capacidad(a) vs. Cintica(b):(a) Los parmetros de capacidad determinan las caractersticas de carga del carbn (Concentracin de adsorbato en el carbn, en el punto de saturacin). La capacidad mxima de adsorcin del carbn solo se alcanza en el equilibrio. (b) Los parmetros cinticos solo determinan la rata de adsorcin, teniendo un efecto despreciable sobre la capacidad de adsorcin.

rea Superficial:La capacidad de adsorcin es proporcional al rea superficial (Ella es funcin del grado de activacin del carbn)

Tamao del Poro:La correcta distribucin del tamao de poros es necesaria para facilitar el proceso de adsorcin (suministrando los sitios de adsorcin, los poros finos, y los canales de transporte adecuados para el manejo del adsorbato).

Tamao de las Partculas:Las partculas pequeas proveen una ms rpida rata de adsorcin (distancia ms cortas hasta los sitios de adsorcin). Nota: El tamao de partculas no influye sobre el rea superficial total. El rea superficial total es definida por el grado de activacin y por la estructura de los poros del carbn.

Temperatura: Las temperaturas bajas aumentan la capacidad de adsorcin.

Concentracin del Adsorbato:La capacidad de adsorcin es proporcional a la concentracin del adsorbato (altas concentraciones proveen grandes fuerzas de empuje durante el proceso de adsorcin).

pH:La capacidad de adsorcin aumenta, con aquellas condiciones de pH que aumentan la solubilidad del adsorbato.

Tiempo de Contacto:Para alcanzar el equilibrio en la adsorcin y maximizar su eficiencia, se requiere de suficiente tiempo de contacto.

Cenizas:Las cenizas constituyen el componente inerte del carbn. En la mayora de los casos las cenizas solubles en agua son las de mayor consideracin

Densidad Aparente:Es utilizada para indicar la actividad de un volumen de carbn. Esta es significativa- mente ms baja que la densidad terica del slido (La actividad volumtrica es proporcional a la densidad aparente).

Propiedades de adsorcin del carbn activado

FUENTE: internet.

4.1.3 OTRAS APLICACIONES DEL CARBN ACTIVADO:

Sus aplicaciones en medio lquido abarca la decoloracin de licores de azcar, potabilizacin de aguas (eliminacin de olor, color, sustancias qumicas, bacterias, tratamientos de aguas residuales, decloracin de aguas para su uso en la fabricacin de bebidas refrescantes, decoloracin y mejora de bebidas alcohlicas (vinos, rones), purificacin de grasas y aceites comestibles, purificacin de proteinas, como medicamento en la desintoxicacin de personas, purificacin de plasma sanguneo.

Por su parte en medio gaseoso encuentra sus aplicaciones en el almacenamiento y separacin de gases, en mscaras antigs, proteccin antirradiactiva en plantas nucleares, desodorizante de productos alimenticios, adems hoy tiene amplias perspectivas de aplicacin como soporte cataltico y como catalizador.

El carbn activado es un excelente material adsorbente, que tambin tiene otros usos. Los ms usuales son purificacin de agua y en corrientes de aguas residuales para eliminar compuestos orgnicos, cloro y algunos metales pesados. Durante siglos se ha sabido que el agua guardada en barriles quemados conservaba por ms tiempo su buen sabor, pero no fue sino hasta el siglo XX que se desarroll el verdadero carbn activado para utilizarse en mscaras antiguas en la Primera Guerra Mundial y para decoloracin del azcar. Ambas aplicaciones continan en la actualidad.

5. VARIABLES: Variable independiente: Cascaras de coco. Variable dependiente: Filtros de carbn activado. La purificacin de agua.

6. HIPTESIS:

La purificacin de agua, depende de la obtencin de filtros de carbn activado a partir de cascara de coco.

7. PARTE EXPERIMENTAL.

7.1 OBTENCIN DE CARBN ACTIVADO:

7.1.1 Carbn activo a partir de la cscara de coco:

A partir de la cscara de coco es posible obtener diferentes tipos de carbones activados para aplicaciones diversas variando las condiciones de preparacin. Por ejemplo, activando la cscara de coco a alta temperatura (800C) en presencia de vapor de agua se puede obtener un carbn hidroflico (afinidad con el agua), microporoso (con ultramicroporos de dimetros < 0.7 nm), apropiado para aplicaciones que involucran separacin de gases; pero, si se activa a menor temperatura (450 C) usando un agente qumico, como acido fosfrico o cloruro de zinc, se puede obtener un carbn hidrofilico de poros mas anchos(con mesoporos> 2 nm) apropiado para aplicaciones en fase lquida. Adems, de obtener una amplia distribucin de poros, el carbn activado obtenido de la cscara de coco resulta conmayor dureza y resistencia, comparado con el obtenido de madera. Otra ventaja que ofrecen los carbones activados obtenidos de materiales orgnicos,en relacin a los obtenidos de materiales inorgnicos, es que en los primeros, el porcentaje de cenizas es menor. El coco como materia prima a nivel mundial es muy abundante. Se produce en mas de 90 pases en el mundo, no obstante slo en una docena de ellos se concentra el 91.1 % de supercie plantada con este cultivo. Los pases asiticos son los que cuentan con la mayor extensin.

Los dos nicos pases en Amrica que forman parte de este grupo son Brasil con 2.4 % y Mxico con 1.4 % ocupando el doceavo lugar. En Mxico, el estado de Guerrero es el que presenta la mayor supercie (51.8 %) plantada por cocoteros En el 2002 Mxico report una produccin anual de coco de 959,000 toneladas El cocotero, es la ms importante de todas las palmeras. Es conocido como el rbol de la vida, el rbol de los mil usos, su fruto, hojas y madera, proporcionan a muchos pobladores rurales de alimento, bebidas, combustible y alojamiento. Aunque su uso predominante es el de la produccin de copra (la carne seca del coco), de la que se obtiene aceite, muy bien cotizado en las industrias de alimentos y cosmticos, y los residuos que quedan, se usan para pasto animal. La cscara dura o endocarpio del coco se usa como combustible de alto valor calorco (75007600 cal/g), y tambin sirve de materia prima para la obtencin de carbn activado. Debido al gran auge del mercado del carbn activado resulta conveniente estudiar las posibilidades de expansin en la utilidad y la produccin del cocotero. As, si se considera que una hectrea en una hacienda de cocos puede producir unos 10 mil cocospor ao, y que cada coco tiene una cscara de aproximadamente 200 gramos se tendra entonces, 2 toneladas de cscara de coco por hectrea. Para obtener una tonelada de carbn activado se necesitan aproximadamente 11 toneladas de cscara de coco. Los requerimientos de produccin que se estiman para la unidad que se propone son de aproximadamente 600 toneladas anuales de carbn activado.

7.1.2 Estructura y propiedades del carbn activado:

Desde el punto de vista estructural, el carbn activado se puede denir como un material carbonoso poroso preparado a partir de un precursor a base de carbn con gases, y en ocasiones con la adicin de productos qumicos (por ejemplo, acido fosfrico, cloruro de cinc, hidrxido de potasio, etc.), durante y despus de la carbonizacin, para aumentar la porosidad. La estructura del carbn activado est constituida por un conjunto irregular de capas de carbono, con espacios que constituyen la porosidad. Este ordenamiento al azar de las capas y el entrecruzamiento entre ellas impiden el ordenamiento de la estructura para dar grato, an cuando se someta a tratamientos trmicos de hasta 3000C. Es precisamente, esta caracterstica del carbn activado la que contribuye a su propiedad ms importante, la estructura porosa interna altamente desarrollada y al mismo tiempo, accesible para los procesos de adsorcin.

La supercieespecca y las dimensiones de los poros dependen del precursor y de las condiciones de los procesos de carbonizacin y activacin utilizados. Los tamaos de poros van desde los mas pequeos, llamados microporos ( 2,0) nm) hasta los mesoporos (entre 2.0 y 50.0 nm) y macro poros (> 50,0 nm). La aplicacin puede requerir de carbn activado bajo diferentes presentaciones: polvo (CAP., con tamao medio de partcula en el carbn en polvo de 1525 mm) y granular o conformado (CAG, con tamao medio de partcula de 1.05.0 nm). Otras formas son: las bras, telas, membranas, y monolitos, de carbn. La seleccin en el tipo de presentacin se basa segn el grado de puricacin que se requiera.

Sin embargo, las propiedades adsorbentes de un carbn activado no slo estn denidas por su estructura porosa, sino tambin por su naturaleza qumica. El carbn activado presenta en su estructura tomos de carbono con valencia insaturada y adems, grupos funcionales (principalmente de oxgeno y nitrgeno) y componentes inorgnicos provenientes de las cenizas, todos ellos con un efecto importante en los procesos de adsorcin. Los grupos funcionales se forman durante el proceso de activacin por interaccin entre los radicales libres de la supercie del carbn que hacen que la supercie del carbn se haga qumicamente reactiva y es la razn por la que afectan las propiedades adsorbentes, especialmente para molculas de cierto carcter polar. As, el carbn activado puede ser considerado en principio como hidrfobo, por su poca anidad al agua, lo que es muy importante en aplicaciones de adsorcin de gases en presencia de humedad, o de especies en disolucin acuosa; pero la presencia de grupos funcionales en su supercie hacen que puedan reaccionar con el agua, haciendo que la supercie sea ms hidrla. La oxidacin de un carbn, produce la formacin de grupos hidroxilo (OH), carbonilo (RCHO), carboxilo (RCOOH), etc., que le dan al carbn un carcter anftero, esto es, carcter acido y bsico, a la vez. Esto inuye en la adsorcin de muchas molculas.

7.1.3 Mtodos de activacin del carbn:

Los procesos de fabricacin se dividen en dos, segn el tipo de activacin: la activacin fsica (llamada tambin trmica) y la activacin qumica. Activacin fsica. La porosidad de los carbones preparados mediante activacin fsica es el resultado de la gasicacin del material carbonizado a temperaturas elevadas. En la carbonizacin se eliminan elementos como el hidrgeno y el oxgeno del precursor para dar lugar a un esqueleto carbonoso con una estructura porosa rudimentaria. Durante la gasicacin el carbonizado se expone a una atmsfera oxidante (vapor de agua, dixido de carbono, o mezcla ambos) que elimina los productos voltiles y tomos de carbono, aumentando el volumen de poros y el rea especca. El carbn que se obtiene es llamado carbn primario (similar al usado para asar carnes) Activacin qumica. La porosidad de los carbones que se obtiene por activacin qumica es generada por reacciones de deshidratacin qumica, que tienen lugar a temperaturas mucho mas bajas. En este proceso el material a base de carbn se impregna con un agente qumico, principalmente cido fosfrico (o cloruro de cinc)

y el material impregnado se calienta en un horno a 500700 C. Los agentes qumicos utilizados reducen la formacin de materia voltil y alquitranes. El carbn resultante se lava para eliminar los restos del agente qumico usado. Este carbn es llamado carbn secundario.

7.1.4 Pruebas de caracterizacin del carbn: Entre las tcnicas de caracterizacin usadas para el material de origen (cscara de carbn) estn las de anlisis trmico diferencial y termo-gravimtrico (DTA TGA, por sus siglas en ingls). En un termograma de DTA, el calor absorbido o emitido puede ser evaluado mediante las diferencias de temperaturas existentes entre el sistema a evaluar y un sistema de referencia. A una velocidad de calentamiento constante, al sistema que se encuentra en atmsfera de nitrgeno, se le aumenta su temperatura desde temperatura ambiente hasta aproximadamente 1200C. Al mismo tiempo, es posible obtener los termogramas de TGA, donde se determina las diferentes prdidas de peso del material a

carbonizar en funcin de la temperatura y analizar las zonas trmicas donde hay mayores prdidas de peso.

As, es posible obtener la temperatura optima de activacin y el rendimiento a esa temperatura. Tambin es importante conocer la composicin qumica de la cscara de coco o el material a carbonizar para evaluar las opciones del proceso. Es necesario conocer la composicin a travs de un anlisis elemental: carbono, hidrgeno, nitrgeno y azufre (C, H, N, S), para poder evaluar la calidad del carbn a obtener. Para la caracterizacin de la estructura porosa del carbn activado, la tcnica de adsorcin de gases y vapores es una de las tcnicas ms convenientes. La determinacin de una isoterma de adsorcin permite deducir la supercieespecca, a travs de la conocida ecuacin BET (Brunauer, Emmett y Teller). En general, la supercieespecca vara entre 500 y 2000 m2/g. Adems, es posible determinar la porosidad del carbn accesible a la molcula que se adsorba. La estructura microporosa del carbn puede obtenerse a partir de la adsorcin de nitrgeno a 77 K y dixido de carbono a 273 K. El dixido de carbono permite determinar el volumen de microporosmas estrechos, mientras que la de nitrgeno suministra el volumen total de microporos. Para conocer la meso- y macroporosidad es posible aplicar la ecuacin de Kelvin para deducir la distribucin de tamaos de poros. Tambin, es posible la aplicacin de la tcnica de porosimetra de mercurio que permite medir poros hasta 7.5 nm.

Adicionalmente, las normas de la sociedad americana (ASTM, por sus siglas en ingls American SocietyforTesting and MaterialsStandards) establecen pruebas estndar necesarias para establecer la calidad del carbn obtenido, entre ellas estn: el porcentaje de humedad, el porcentaje de cenizas, el tamao de malla, la resistencia a la abrasin, y el ndice de yodo

7.1.5 Propuesta del proceso de obtencin del carbn activado: El proceso consta de las siguientes etapas: 1. Secado de la cscara de coco; 2. Molienda del producto seco; 3. Tratamiento trmico del material (carbonizacin y activacin);

4. Enfriamiento y secado de los materiales tratados.

El proceso de secado se har al sol de forma manual. El proceso de molienda se realizar en un molino con la capacidad necesaria para poder moler la cscara de coco seca de manera eciente con la granulometra establecida para que pueda mantener la velocidad de alimentacin requerida por el horno rotatorio a disear; adems que pueda trabajar por pausas y que no est en operacin constante. El proceso de carbonizacin activacin, se llevar a cabo en el horno rotatorio a disear, el cual operar de manera continua y sola podr ser suspendido al realizar labores de mantenimiento general. El proceso de activacin tiene como objetivo crear en la supercie del carbn muchos poros u oricios microscpicos que van a atraer a las molculas de diferentes sustancias. En el presente proceso se usar un tipo de activacin fsica con vapor de agua.

Se seleccion la activacin fsica del carbn con vapor de agua por ser un proceso mas econmico y menos corrosivo y se realiza a temperaturas inferiores a las aplicadas en la activacin qumica tradicional, lo que simplica el proceso. Todo ello se traduce en un menor costo, as como en un menor impacto en el medio ambiental. La activacin fsica con vapor de agua es un proceso complicado que se lleva a cabo en el presente caso en un horno rotatorio a temperaturas elevadas (8001000C). La activacin fsica ocurre segn la siguiente reaccin endotrmica:

C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) H= +28,5 Kcal/mol

El proceso de enfriamiento, que se llevar a cabo al nal del horno, tiene como n reducir la temperatura del tratamiento trmico a la salida del horno, con la intencin de facilitar las operaciones de manejo y embalaje del material.

8. CONCLUSIONES:

El carbn activado de cascara de coco es muy eficaz en purificacin de agua potable debido a sus propiedades de adsorcin.

Cuando el agua se purifica con filtros de carbn activado de cascara de coco se elimina los trihalometanos causantes de cncer.

Cada coco tiene una cscara de aproximadamente 200 gramos se tendra entonces, 2 toneladas de cscara de coco por hectrea. Para obtener una tonelada de carbn activado se necesitan aproximadamente 11 toneladas de cscara de coco.

9. BIBLIOGRAFA:

Tchbanoglous/ Burton. 1991. Wastewater Engineering; treatment, disposal and reuse . El Ing. Germn Groso Cruzado, carbn activado granular para el tratamiento de aguas. Christopher Dickinson. 1992. Filtros y en el Manual de Filtracin

http://www.perfchem.com/pages/carbon_chem.htm

http://www.textoscientificos.com/quimica/carbon-activo/adsorbente

http://www.aqualimpia.com/home.htm?gclid=COm_1Jmai60CFRAq7Aod2BbwmA