Carvão Ativado – Ficha Técnica

O Carvão Ativado é uma forma de carbono tratada para aumentar significativamente as suas propriedades de adsorção. Este material poroso e de origem natural possui propriedades adsortivas, sendo sua característica física mais significativa devido à enorme área superficial interna buscada no processo de produção.

Este produto carbonáceo possui uma estrutura porosa que proporciona uma área superficial interna de 800 a 1.200 m2/g.

A área é produzida por oxidação e o material desenvolve uma rede porosa que irá reter a substância a ser adsorvida.

Os Carvões Ativados são fornecidos na forma de pulverizados ou granulados. Os pulverizados possuem tamanho de grão menor que a malha 80 mesh (ASTM = 0,18 mm de abertura) e os granulados predominantemente maior.

Adsorção em Carvão Ativado

Muitas separações são obtidas pela habilidade de moléculas contidas no fluído aderirem sobre a superfície de um sólido – fenômeno conhecido como adsorção. As aplicações industriais do Carvão Ativado fundamentam-se nesta propriedade, para fase líquida ou gasosa. Na adsorção ocorre uma acumulação de moléculas (soluto) sobre a superfície do adsorvente. Quando o Carvão Ativado é colocado em contato com o soluto, há um decréscimo de sua concentração na fase líquida e um aumento correspondente sobre a superfície do Carvão Ativado, até se obter uma condição de equilíbrio. Apesar de superfície e adsorção estarem interligadas, a superfície sozinha não é medida suficiente da capacidade adsorvente de um determinado Carvão. Para cada adsorção específica, a distribuição e volume de poros são também importantes para controlar o acesso das moléculas do adsorvido para a superfície interna do Carvão Ativado. Quando a adsorção é o resultado de forças atrativas chamadas “van der Walls”, chama-se de adsorção física e quando ocorre o compartilhamento ou troca de elétrons entre o adsorvido e o adsorvente, ocorre uma ligação química, a adsorção é denominada química.

Na adsorção em fase líquida, as moléculas aderem-se fisicamente sobre o adsorvente através destas forças relativamente fracas, que são as mesmas responsáveis pela liquefação e condensação de vapores, no caso de adsorção em fase gasosa. No caso de adsorção física, a natureza de adsorvente não é alterada

A reversibilidade da adsorção física depende das forças atrativas entre o adsorvido e o adsorvente. Se estas forem fracas, a desorção ocorre com certa facilidade. No caso de adsorção química, as ligações são mais fortes e energia seria necessária para reverter o processo.

Além da característica do adsorvente e adsorvido, características da fase líquida, como pH, viscosidade, temperatura, tempo de contato, podem afetar a adsorção de modo significativo.

Usos do Carvão Ativado

Os Carvões Ativados são usados em processos de remoção de determinadas substâncias de um fluído.

Setor Alimentício

Na indústria de alimentos é usado, por exemplo, na purificação de óleos, clarificação de glucose, açúcar, gelatinas. É amplamente aplicado na redução de cor via adsorção de elementos corantes presentes no produto tratado ou de compostos orgânicos dissolvidos e indesejáveis.

Bebidas

Quando se deseja purificar vodka, usa-se o Carbono Ativado para remover os ingredientes que comprometeriam a pureza da bebida. Do mesmo modo, na clarificação de vinhos e sucos, transformando-os em produtos mais límpidos, padronizando a tonalidade da cor desejada.

Farmacêutico

A indústria farmacêutica não dispensa o seu uso no processo de fabricação de medicamentos, como de antibióticos e anestésicos. Seus insumos são purificados por processos de descoramento, descontaminação, separação, através da capacidade adsortiva do Carbono Ativado.

Químico

Os segmentos mais variados da indústria química se beneficiam das propriedades do Carbono Ativado. Em reações químicas diversas, adsorvem sub-produtos que comprometeriam a qualidade do processo, por exemplo purificam plastificantes, ácidos, alcoóis, glicerinas.

Tratamento de Ar

O Carbono Ativado adsorve contaminantes nocivos do ar, removendo produtos indesejáveis através de aparatos operacionais como máscaras de proteção ou filtros industriais. Ar comprimido para finalidades diversas também são purificados desta maneira.

Tratamento de Água

Uma ampla utilização do Carvão Ativado é a purificação de água para fins potáveis ou  industriais. O Carvão Ativado elimina cor, óleos, odor, mau gosto, remove substâncias orgânicas dissolvidas através do mecanismo de adsorção.

Águas de fontes naturais podem apresentar casos em que ácidos húmicos estão presentes em concentrações tão altas que afetam o gosto. Águas de rios, mesmo após filtração, podem conter inúmeros compostos orgânicos dos quais, normalmente apenas uma pequena fração pode ser identificada. Outra vez, podem estar contaminadas por resíduos de pesticidas, herbicidas ou inseticidas, usados na agricultura. Estes poluentes, além de afetarem o odor e sabor, podem apresentar efeitos tóxicos sobre os seres humanos.

Em sistemas de tratamento de águas municipais é comum a utilização do Carbono Ativado pulverizado, em dosagens variadas, onde adsorve compostos indesejáveis e é removido, posteriormente, nos decantadores. Desta forma, a população fica livre da ação destes compostos prejudiciais à saúde.

Agentes químicos como cloro, hipoclorito, são empregados para desinfectar ou oxidar materiais orgânicos da água. Com esta finalidade, super-dosagens são de uso comum na indústria, principalmente na indústria de refrigerantes. Nestes casos, o excesso do oxidante permanece na água e deve ser removido. A solução simples e econômica amplamente utilizada para estas situações é a decomposição catalítica do agente oxidante sobre a superfície do Carbono Ativado. O Carbono reduz o cloro livre à cloreto como se segue:

* * + – HOCI + C —— CO + H + CI

Onde C*, representa o Carvão Ativado e CO* representa a forma oxidada da superfície. Para a decloração são utilizados os Carvões Ativados Granulados em leitos fixos, sendo que os Carvões de menores tamanhos de partículas são os mais eficientes.

Também se faz uso do Carvão Ativado nos sistemas de geração de vapor, anteriormente às colunas de desmineralização, removendo cloro livre e materiais orgânicos da água, bem como nas linhas de retorno de condensado.

Adsorção de Gases

A purificação de gases pode ser feita com Carbono Ativado. Quando se usa a adsorção física, os gases podem ser adsorvidas através da condensação capilar. Pode-se fazer a recuperação de solventes na indústria de tintas, adesivos, têxtil, de impressão ou se fazendo a purificação do gás, como por exemplo, gás carbônico.

Catálise

Como suporte catalítico na produção de fosgênio, acetato de vinila, ácido monocloroacético o Carbono Ativado se faz presente. Em refinarias como suporte no processo de tratamento de gasolina, ou na dessulfurização do gás natural. Em muitos casos, suporta o metal que atuará como catalisador de reação.

Tratamento de Efluentes

O Carbono Ativado é aplicado em efluentes líquidos industriais, dos quais se quer extrair contaminantes deletéricos ou inconvenientes. Pode ser usado em fase final de processo biológico em colunas de leito fixo, na fase de polimento, removendo cor ou componentes específicos como por exemplo mercúrio. Também em sistemas tipo lôdos ativados, fazendo a remoção de cor e/ou enriquecendo o lôdo no número de bactérias por centímetro cúbico. Como suporte para microorganismos em sistemas de filtros biológicos ou processos anaeróbicos.

Outros

Há casos onde o consumidor pode verificar mais diretamente os benefícios do Carbono Ativado, tais como em máscaras de proteção individuais, filtros de água residenciais, adsorção de odores desagradáveis de geladeiras, ou nos casos de uso medicinal, quando ocorrem intoxicações. Pode-se ainda citar diversas outras aplicações como:

Inúmeras são as possibilidades de aplicações do Carbono Ativado, onde para se definir a forma mais adequada, deve-se levar em consideração as condições específicas do uso.

Seleção de Carvão Ativado

Em fases gasosas usa-se o Granulado pois permite fluxos com quedas de pressão a níveis aceitáveis. Normalmente são preferidos os Carvões Ativados que possuem tamanhos granulométricos maiores, justamente por permitirem menores perdas de carga para o sistema de fase gasosa. Os de menores granulometrias são preferidos para fases líquidas por favorecerem a uniformidade do fluxo, ganhando-se em eficiência. Os Granulados são empregados onde existe a necessidade de produção contínua, em larga escala. A regeneração, quando possível, é um fator de economia, que favorece o uso do Granulado, tanto para fase líquida como para fase gasosa. Os Carvões Ativados pulverizados devido à sua versatilidade podem ser usados na maioria das aplicações em fase líquida.

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Carvão Ativado Pulverizado (CAP)

São mais indicados para casos em que dosagens variadas são requeridas, há variações no processo, existem dificuldades operacionais para a utilização em colunas ou a regeneração não é indicada. Quando se trabalha em tanques, a dosagem pode ser feita diretamente neste ou através de mistura prévia com líquido e adição por bombeamento, conforme conveniência. Estes sistemas são providos de agitação para manter o pó em suspensão com o líquido a tratar, de modo a ocorrer contato eficiente e o maior aproveitamento possível do Carvão Ativado, Após a adsorção, o pó é separado do líquido por centrifugação, filtração, decantação ou combinação destes. O processo de filtração é largamente utilizado por ser econômico e requerer baixo tempo para a separação.

O Carvão Ativado pulverizado também pode ser utilizado diretamente no filtro, formando uma pré-capa de clarificação. O líquido a ser purificado é bombeado através desta camada filtrante, onde ocorre a adsorção.

As condições de uso do Carvão Ativado para o processo a que se destina são determinadas através de testes práticos. São obtidos importantes parâmetros, como dosagem, tempo de contato necessário, temperatura adequada. Para se obter melhor aproveitamento do Carvão Ativado, deve-se evitar a presença de substâncias coloidais, pois podem obstruir os poros ou os canais de passagem, reduzindo a eficiência de adsorção.

Carvão Ativado Granulado (CAG)

Os Carvões Ativados Granulados são indicados para aplicações em fase líquida ou gasosa. Produzidos a partir de matérias-primas duras e processo controlado, resultam em um produto de rígida estrutura. Isto proporciona alta dureza, permitindo regenerações sucessivas, tornando econômicos muitos processos que operam em leitos.

Quando os Carvões Ativados Granulados são utilizados em colunas, estas podem ser verticais ou horizontais, com operação em série ou paralelo, com fluxo ascendente ou descendente. O leito pode ser fixo ou pulsante (móvel). As combinações de uso serão definidas conforme cada processo. Para aplicações em fase gasosa, é comum utilizarem-se colunas horizontais pois, geralmente, grande quantidade de gás passa pelo leito e se deseja baixa perda de carga. Também se utilizam colunas verticais de fluxo ascendente.

Em fase líquida é usual utilizar fluxo descendente em colunas verticais, ou com fluxo ascendente quando o líquido apresenta sólidos em suspensão. Quando se quer obter elevado tempo de residência, pode-se colocar mais de uma coluna, em série, se fazendo uso do sistema de troca tipo cascata. Neste modo se prevê a condição de se ter sempre uma coluna em substituição de carga. A última coluna pela qual o fluído passa, sempre conterá o Carbono Ativado mais novo. Permite-se assim, maior garantia para a purificação. Quando a vazão é muito elevada, pode exigir colunas de tamanhos construtivos e operacionais inadequados. É possível então dividir o fluxo em duas ou mais colunas, fazendo a operação em paralelo. Para sistemas de vazões menores, duas colunas bem dimensionadas atendem perfeitamente às necessidades. Enquanto uma coluna está adsorvendo, a outra está sendo recuperada, de modo a não prejudicar a continuidade do processo.

A remoção de materiais em suspensão via filtração pode ocorrer simultaneamente com a adsorção de materiais dissolvidos. Contudo, deve-se ter bem definida a principal finalidade do uso do Carvão Ativado. Nos casos em que a presença de materiais em suspensão é significativa, a adsorção de materiais dissolvidos ficará prejudicada, pois os póros poderão ficar obstruídos, podendo ocorrer a saturação prematura do Carvão Ativado.

Para se obter máxima eficiência do uso do Carvão Ativado, recomenda-se ao usuário, observar as condições de projeto do filtro. Deve-se garantir que a coluna não opere com tempo de contato insuficiente, pois a adsorção não ficará completa. Além do mais, a vazão acima do valor especificado pelo projeto, pode acarretar em revolvimento inadequado do leito, favorecendo a formação de caminhos preferenciais. Quando isto ocorre, parte do fluído passa pela coluna de modo desuniforme, sem tempo para adsorção, prejudicando o bom desempenho do sistema.

Produção de Carvão Ativado

De uma forma geral, qualquer matéria-prima carbonácea poderia ser utilizada para a fabricação de Carbono Ativado, contudo, nem todas são economicamente viáveis. As mais utilizadas no Brasil são as de origem vegetal, como madeiras de pinus, acácia e as cascas de coco. Ossos de animais também são utilizados para a produção de um tipo específico de Carbono Ativado. Pode-se utilizar o carvão mineral como a hulha e o antracito, embora não seja prática usual no Brasil.

Os processos de ativação de Carbonos Ativados são comumente definidos em químicos e físicos.

Nos processos físicos de ativação, o material carbonáceo é submetido a um estágio denominado Carbonização. Neste estágio, a umidade e materiais voláteis são removidos através da elevação da temperatura sob condições atmosféricas controladas.

Na etapa seguinte, de Ativação, são injetados no material os agentes ativantes, normalmente ar, vapor ou gás carbônico, à temperatura de 800 a 1000 oC. Nesta fase ocorrem reações e uma mistura de gases, composta principalmente de monóxido de carbono e hidrogênio é liberada.

Os gases são produzidos como consequência da reação do agente ativante com o material carbonáceo, sendo que o consumo do carbono resultante, produz a estrutura porosa.

Após a Ativação, o Carbono Ativado é submetido a etapas subsequentes, como resfriamento, peneiramento, lavagem secagem, moagem, polimento, separação granulométrica até a embalagem.

No processo químico de ativação, o material a ser ativado é colocado em contato com um agente ativante químico como ácido fosfórico ou cloreto de zinco. A mistura é submetida ao aquecimento sob condições controladas, para ocorrer a ativação. O agente ativando deve ser removido posteriormente pela lavagem do material.

Avaliação de Carbono Ativado

Os carbonos ativados são avaliados por suas propriedades físicas e através de testes empíricos da sua capacidade de adsorção. Citaremos a seguir os parâmetros mais comuns:

Termos Técnicos Relativos ao Carbono Ativado

Citamos a seguir, alguns termos técnicos utilizados em assuntos relacionados com Carbono Ativado e seus significados, segundo a A.S.T.M. .

n
X / m = kc
Onde: x = quantidade adsorvida
m = quantidade do adsorvente
c = concentração
k, n = constantes de Freundlich

Ficha de Saúde e Emergência

Produto

Nome Químico ou Sinônimo: Carbono Ativado, Carvão Ativado.
Número C.A.S. : 7440-44-0
Classe de Risco e Perigo Subsidiário: 4,2 Combustão Espontânea.
Número ONU: 1362
Obs.: Carbonos Ativados feitos por processo de ativação à vapor não estão sujeitos à previsão deste código, conforme IMDG CODE – PAGE 4082 – Amdt. 20-82.

Dados Físicos

Solubilidade em água: insolúvel
Cor: preto
Odor: inodoro
Estado Físico: pó ou granulado.

Dados Sobre Perigo de Incêndio e Explosão

Método de Extinção: Água
Perigos Incomuns de Explosão e Incêndio: Contatos com oxidantes fortes tais como ozônio, oxigênio líquido, permanganato, etc, podem resultar em fogo.

Dados de Perigo à Saúde

Ingestão: O produto não é tóxico através da ingestão oral.
Contato com os Olhos: A natureza física do produto deve produzir irritação nos olhos.
Contato com a Pele: Não irritante.
Absorção pela pele: Não tóxico.

Procedimentos de Primeiros Socorros

Dados de Reatividade

Estabilidade: Estável.
Incompatibilidade (materiais a se evitar): Evitar oxidantes fortes como ozônio, oxigênio líquido, permanganato, cloro, etc.
Decomposição de Produtos Perigosos: Monóxido de Carbono pode ser gerado em caso de incêndio.

Procedimentos de Derramamento e Vazamento

Derramamento: Utilizar jato de água e lavar o local.
Destino do Rejeito: Colocar o Carbono rejeitado em contaíner e dispor de acordo com as regulamentações municipais, estaduais e federais

Informação de Proteção Especial

Ventilação: Recomendada exaustão local.
Proteção Respiratória: filtros para materiais particulados é recomendado se o pó for gerado excessivamente.
Roupas de Proteção: Não requerida.
Proteção para os Olhos: Óculos de segurança com proteção lateral ou óculos de proteção contra pó. Lentes de contato não deverão ser usadas, quando houver a formação de pó, ao trabalhar com Carbono Ativado.

Precauções Especiais

Precauções a serem tomadas no manuseio e armazenagem: O Carbono Ativado úmido remove oxigênio do ar causando um sério risco aos trabalhadores dentro de espaços fechados ou confinados. Recomendamos o uso de máscaras com fornecimento de oxigênio. Manter em local ventilado.

Referências Bibliográficas