El carbón (y la ciencia del carbón) III. Carbones activos

El carbón activo es un material de carbono poroso y el compuesto sintético de carbón que primero aprendimos a fabricar. De hecho es difícil determinar con exactitud cuándo comenzamos a utilizarlos, aunque las aplicaciones para las que se utilizaron son las mismas para las que se emplean en la actualidad. Bien es cierto que ahora somos capaces de desarrollar materiales con las características deseadas, mientras que en los inicios de su uso la aproximación era más grosera, como es lógico. En cualquier caso, existen evidencias que indican que ya en el 1550 AC se utilizaba el carbón vegetal como adsorbente en determinadas prácticas médicas. Hipócrates alrededor del 400 AC recomendaba filtrar el agua con carbón vegetal para eliminar olores. Sin embargo, las primeras aplicaciones para el tratamiento de olores de gases son de finales del siglo XVIII. En 1794 se utilizó el carbón activo como agente decolorante en la industria azucarera, lo que supone el primer uso industrial. Y a mediados del siglo XIX, en 1854 se instalan filtros de carbón vegetal en las cloacas de Londres lo que constituye la primera aplicación a gran escala.
Ejemplos de algunos usos cotidianos del carbón activo: plantillas desodorizantes, mascarilla y máscaras contra olores orgánicos, medicamentos antidiarreicos.




Filtro de carbón para grifos, botellas para agua, filtro para acuarios
 

En la actualidad la utilización del carbón activo como adsorbente de contaminantes en fase gaseosa o acuosa es la más importante en volumen. En función de las propiedades finales del material, principalmente superficie, volumen y tamaño de poros, se pueden utilizar para eliminar distintos contaminantes, para separar mezclas de gases, para depurar agua o para eliminar compuestos tóxicos de nuestros estómagos. También se utiliza como catalizador o soporte de catalizadores. Además también es posible obtenerlo con distintas morfologías, siendo los más habituales el carbón granular, pulverulento o peletizado. También existen telas de carbón activo, monolitos y membranas, lo que facilita su manejo.


Carbones activos granulares, pulverulentos y en pellets; telas de carbón activo; monolitos de carbón activo


Fabricación de carbones activos.

Existen diversos procedimientos para la fabricación de carbones activos partiendo de prácticamente todo tipo de materiales, tanto a partir de brea, hulla, lignito, turba o madera como cualquier residuo orgánico entre los que se encuentran huesos de aceituna, cáscara de coco e incluso residuos plásticos o neumáticos fuera de uso. Cuando se parte de uno de estos materiales generalmente se lleva a cabo un proceso de pirólisis, o calentamiento en atmósfera inerte que permite obtener un material denominado carbonizado, en el que se han eliminado todos los compuestos volátiles,  y que está formado esencialmente de carbono.
 
Los carbones activos se pueden preparar a partir de estos materiales siguiendo dos vías diferentes, denominadas activación física y activación química.
 
La activación física consiste en la gasificación controlada en atmósfera de CO2 o vapor de agua a temperaturas de 700-900°C. La activación química por su parte consiste en mezclar el carbonizado o el precursor de carbono con un compuesto químico, como ácido fosfórico, KOH o ZnCl2 de forma que al calentar en atmósfera inerte se produce simultáneamente una carbonización y una activación. Cuando se lleva a cabo este tipo de activación química podemos ahorrarnos una etapa de calentamiento, pero a cambio es necesario someter el carbón activo resultante a una etapa de lavado para eliminar el agente de activación.
Modificando la temperatura y el tiempo de activación es posible modificar el grado de activación del carbón y por tanto obtener materiales de características diferentes, controlando el desarrollo textural de los mismos.
 
Al hablar de desarrollo textural nos estamos refiriendo a la superficie de los carbones activos así como al volumen y tamaño de los poros que se obtienen.
En general, los carbones activos son materiales que tienen superficies muy elevadas, generalmente superiores a 1000 m2/g (y que pueden alcanzar valores cercanos a 2000 m2/g) debido a que tienen un entramado poroso muy desarrollado, con poros característicos de tamaños inferiores a 2 nm (microporos) aunque también pueden presentar porosidad de mayor tamaño (mesoporos 2-50 nm y macroporos>50 nm), si bien en menor proporción. Esto, según la terminología descrita por Arturo Quirantes(@elprofedefisica) en su magnífico post hace que a menudo se diga que una cucharadita de carbón activo tiene la superficie de un campo de fútbol.
 
Los carbones activos, además de presentar distintas superficies y volúmenes de poros pueden presentar características químicas muy diferentes. Esto se debe a que los carbones activos tienen además de carbono una cierta cantidad de otros elementos, principalmente, oxígeno e hidrógeno y en menor proporción nitrógeno y azufre. Estos elementos se presentan como grupos funcionales superficiales, y le proporcionan al carbón activo diferentes propiedades, así hay carbones activos de carácter ácido o básico y más o menos hidrófobos. Existen procedimientos que permiten modificar la cantidad y el tipo de los grupos funcionales presentes en un carbón y estos procedimientos, junto con las modificaciones de textura permiten diseñar carbones activos idóneos para aplicaciones específicas. Por ejemplo se sabe que la presencia de grupos amino favorece la interacción con el CO2, que la presencia de grupos sulfónicos permite llevar a cabo reacciones de esterificación de interés para la síntesis catalítica de biodiésel o que la presencia de grupos carboxílicos favorece la retención de metales pesados. Además de actuar como catalizadores en algunas reacciones químicas, los carbones activos se utilizan ampliamente como soportes de catalizadores pues son materiales bastante estables salvo en condiciones oxidantes.
 
El carbón activo es un material muy barato y muy versátil. Por ello, las líneas de investigación más avanzadas se centran en el desarrollo de carbones activos con poros de tamaño controlado para aplicaciones de alto valor añadido. Un ejemplo podría ser el almacenamiento de H2 para el que el tamaño óptimo de los poros se sitúa alrededor de 0.7 nm. Esto enlaza con los métodos avanzados de diseño y síntesis de materiales nanoestructurados de carbono en los que es posible controlar la morfología y el tamaño de las partículas, la distribución de tamaños de poros y sus propiedades superficiales.
 
Y hasta aquí llega la introducción a la ciencia y tecnología del carbón y los materiales de carbono. Espero que os haya picado el gusanillo por saber más de estos materiales y espero vuestros comentarios pidiendo “especiales” sobre materiales en concreto.