RNPS

No. 1893

 

ISSN

1562-3297

 

CIGET Pinar del Río Vol.7 No.2 abril-junio 2005 (trimestral)
 


Obtención de carbón activado a partir del residual sólido generado en el beneficio húmedo del café.

AUTORES:
Noarys Pérez Díaz
Frank Márquez Montesino
Miguel Autíe Pérez

Universidad de Pinar del Río.

RESUMEN.

La humanidad se enfrenta a un gran reto; tratar de satisfacer las necesidades de la población, sobre todo en los sectores mas pobres, frente un gran deterioro ambiental y exorbitante crecimiento demográfico, generando menos contaminación. La industria cafetalera procesa grandes cantidades del fruto de café, fundamentalmente, mediante el beneficio húmedo del café y se generan elevados volúmenes de residuales, por lo que el objetivo general del trabajo es, la evaluación experimental de los residuales sólidos generados en el beneficio húmedo del café para la obtención de carbón activado. Para lograr dicho objetivo se realizaron los análisis fisicoquímicos, para la caracterización de la materia prima, y los carbones activados, obtenidos por vía física mediante la activación con CO2, considerando la etapa de carbonización y activación como un solo proceso. Estos carbones también se caracterizaron mediante la adsorción de CO2; de lo que se concluyó que es posible la elaboración de carbón activado por vía física a partir del residual sólido originados en las plantas beneficiadoras de café y que es posible su utilización para la adsorción de CO2 como gas contaminante.

Palabras claves: Café, Beneficio húmedo, residuales, carbón activado.

ABSTRACT.

The humanity faces a great challenge; to try to satisfy the necessities with the population, mainly in the poor sectors but, in front a great environmental deterioration and exorbitant population increase, generating less contamination. The coffee industry processes great amounts of the coffee fruit, fundamentally, by means of the humid benefit of the coffee and high volumes of residual are generated, reason why the general mission of the work is, the experimental evaluation of residual solids generated in the humid benefit of the coffee for the activated charcoal obtaining. In order to obtain this objective the physicochemestry analyses were made, for the characterization of the raw material, and activated charcoals, obtained by physical ways by means of the activation with CO2, considering the stage of carbonization and activation like a unique process. These coals also were characterized by means of the CO2 adsorption; of which one concluded that the activated charcoal elaboration is possible by physical route from the residual solid originated in the plants coffee beneficiaries and that are possible its use for the CO2 adsorption like polluting gas.

Key words: Coffee, humid Benefit, residual, activated charcoal.

I. INTRODUCCIÓN.

El crecimiento económico es esencial para mejorar las condiciones de vida de los sectores pobres de la población mundial y enfrentar los retos de un crecimiento demográfico cada vez más exorbitante, junto con el deterioro de los ecosistemas, perdida de la biodiversidad y agotamiento de los recursos naturales en general. Se necesitaran nuevas tecnologías para hacer posible este crecimiento mediante el uso más eficiente de la energía y de los recursos naturales, generando menos contaminación.(5)

La contaminación ocasionada por la industria cafetalera en el proceso de beneficio del café, constituye un problema en los países productores del mismo. El procesado del fruto se realiza generalmente mediante el llamado “Beneficio Húmedo del Café”, donde se consume grandes cantidades de agua y casi el 80 % del fruto se considera de poco o nulo valor económico y por consiguiente es designado como desecho.

Sin embargo los residuales sólidos que se generan, que están constituido fundamentalmente por la parte del fruto llamada pulpa, contienen cantidades apreciables de lignina, celulosa, hemicelulosa, azúcares, Na, K, P, entre otros, lo que hace que a la pulpa del café se le pueda dar diversos usos en dependencia de los fines propuesto por un determinado contexto social.

El país procesa actualmente aproximadamente 64 mil toneladas del fruto del café por zafra cafetalera lo que representa, teniendo en cuenta el alto por ciento del fruto que no se utiliza, altos volúmenes de residuales sólidos generados, y su uso se limita fundamentalmente a la obtención de una pequeña cantidad de abono orgánico.(6)

Los carbones activados son materiales conocidos y estudiados desde la antigüedad, sin embargo su estudio no ha perdido vigencia, dado el hecho de que las características de su estructura, los hace materiales cuyas propiedades pueden ser transformadas y que se compruebe y vislumbren por ello, un amplio espectro de aplicaciones.

La materia prima puede ser de origen animal , mineral o vegetal. Especialmente esta última, es la más utilizada como, residuos de la madera y cáscaras de algunos frutos. (11)
Entre las aplicaciones que tienen hoy en día los carbones activados están: la adsorción de gases para la descontaminación atmosférica y para la descontaminación de aguas y aguas residuales.

Teniendo en cuenta lo antes expuesto se pueden plantear el siguiente objetivo general .
Evaluación experimental del residual sólido generado en el beneficio húmedo del café, para la obtención de carbones activados.

II. MATERIALES Y MÉTODOS.

1. Los carbones activados obtenidos fueron a partir de los residuales sólidos originados en Beneficio Húmedo del Café, los que se sometieron a un proceso de secado y tamizado a fin de seleccionar la fracción comprendida entre 0.8 y 1.6 mm.
2. Se obtuvieron carbones activos por activación física a 673, 873, 1073 K, utilizando como agente activante CO2, en una sola etapa.
3. A estos carbones activos obtenidos , se le determinó la capacidad de absorción de dióxido de carbono, en un sistema tradicional de adsorción, luego de ser desgasificada a 523 K y a presión de 0.13 Pa, durante 8 horas .
4. Se caracterizó el material de partida con la determinación de humedad, ceniza, volátiles, lignina y celulosa (según normas ASTM y CEFIC) A los carbones activos obtenidos además de los parámetros que caracterizan la adsorción, también se le determinó, ceniza, volátiles, humedad, ph, y carbono fijo, teniendo en cuenta las normas antes descritas en la caracterización de la materia prima.

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

III.1. Caracterización químico física de la materia prima.
Conocer la composición del material a utilizar es importante, para conocer las potencialidades de uso que este posee.
En la Tabla 1, se presentan los resultados del análisis de la composición química de la materia prima. La cual muestra contenidos apreciables de celulosa y lignina. Estos comparados con los reportados por otros investigadores (9), presentan un contenido de hemicelulosa un poco alto, lo que debe estar dado, a pesar de que antes de la determinación se realizó una extensa extracción seriada, por la presencia aún de sustancias extraíble, lo que debe influir también en los por cientos de lignina y celulosa.

Estos por cientos de lignina y celulosa muestran la posibilidad pueden abrir un nuevo campo de utilización de este residual en industrias donde se utilicen como materias primas como pueden ser la industria del papel, en la fabricación de resinas, etc.

En la Tabla 2, se presentan los resultados de los análisis inmediatos realizados a la materia prima original, la que presentó un alto contenido de cenizas, que aunque influyen en la presencia de impurezas en el carbón activado a preparar, por otra parte sus componentes pueden presentar un efecto catalítico positivo en el proceso de activación. (13)

Los bajos valores de carbono fijo son indicativos de un material sin ningún grado de carbonización, ni estructura estable condensada.
Los altos valores de por cientos de volátiles nos brinda posibilidad de utilizar este residual como material combustible.


III.2. Caracterización de los carbones activados obtenidos.
Una vez obtenidos los diferentes carbones activados se realizaron los análisis inmediato de los mismos, lo cual se muestra en la Tabla 3.

Se puede observar que el por ciento de cenizas en los carbones es mayor que en la materia prima lo que se debe al efecto de volatilización que se produce en la carbonización, que aumenta con el aumento de la temperatura.

El por ciento de carbono fijo, al igual que la ceniza, es mayor en los carbones obtenidos que en la materia prima de partida, valores que aumentan también con el aumento de la temperatura, donde se muestra la existencia de una estructura carbonosa más condensada. Esta condensación de la estructura carbonosa, se va produciendo fundamentalmente por la pérdida de H2.

Los resultados muestran que los volátiles, de forma contraria a la ceniza y al carbono fijo, disminuyen con el aumento de la temperatura. Estos valores presentados de volátiles, comparados con los resultados de Marques, F. M. Y otros autores, son un poco altos, lo que debe estar dado, por el tipo de material y procedimientos utilizados, que son diferentes, y por las temperaturas utilizadas en el proceso de activación, que en nuestro caso son menores.
Los rendimientos de los carbones activados, son altos, al utilizar, menores tiempos y temperaturas de activación y el proceso de carbonización - activación como una etapa o proceso único. Lo que desde el punto de vista energético es favorable. Los rendimientos disminuyen con el aumento de la temperatura de activación dado por el propio fenómeno de la volatilización.

Los valores de ph de los diferentes carbones obtenidos, presentan un ph básico (aproximadamente 10), que está relacionado con las propiedades químicas de la superficie.


III.2.1 Adsorción de CO2 a 273 K.
Las isotermas de adsorción experimentales de CO2 a 273 K en todos los casos fueron del Tipo I de la clasificación de Brunauer, típicas de la adsorción en sólidos microporosos. (Fig. 1) Como puede observarse la pendiente inicial mayor corresponde al carbón obtenido a 873 K. Sin embargo al aumentar la presión de equilibrio se nota la tendencia de la isoterma del carbón obtenido a 1073 K a superar los valores de adsorción de la isoterma a 873 K. Por otra parte la isoterma correspondiente al carbón activado a 673 K resultó la de menor pendiente y menor adsorción experimental. Al representar las isotermas experimentales en coordenadas de Dubinin se obtuvieron líneas rectas en las que se puede comprobar la correspondencia existente con las experimentales. (Fig. 2) Nótese a su vez que las energías características resultantes se corresponden con lo dicho anteriormente. (Tabla 4) Los valores de la Tabla 4 muestran que al aumentar las temperaturas de activación aumentan las adsorciones máximas, es decir se favorece el crecimiento de la porosidad del carbón lo que se manifiesta con más claridad al comparar los volúmenes de microporos. Es de destacar los bajos valores de Nm y Ec del carbón obtenido a 673 K. Esto debe estar determinado por la presencia de una gran cantidad de residuos de la pirólisis que se pusieron de manifiesto durante el proceso de preparación de la muestra para la adsorción del CO2, pues se depositó una capa carmelita de sustancias en el porta muestras. Posiblemente parte de esas sustancias permanecen obstruyendo los poros más estrechos, lo que origina la menor interacción adsorbato - adsorbente originando la menor Ec y el mayor radio de poro. En la Tabla 4 también se puede apreciar que aunque los carbones activados 1073 K presentan una mayor adsorción máxima le corresponde una menor energía característica y mayor radio de poros en comparación con los carbones activados a 873 K que poseen el mayor valor de energía característica y por tanto, un menor radio de poros y mayor interacción adsorbato – absorbente.

En la Fig. 17 se muestran las isotermas de adsorción en coordenadas de BET, en la que se puede observar que hay coincidencia con lo expuesto anteriormente, aunque los valores de adsorción máxima determinados mediante estas curvas (Tabla 5), son algo menores, que los calculados mediante la Fig. 3, debido a las características de la teoría de BET mencionadas en el caso de la adsorción de amoniaco. Algo similar ocurre cuando comparamos las áreas determinadas por ambas teorías (Tabla 5), en la que se observa además que hay un incremento del área superficial con la temperatura de activación.


IV. CONCLUSIONES.

• A partir del residual sólido que se originan en los beneficios húmedo de café se obtienen cantidades apreciables de lignina y celulosa.
• Es posible la obtención de carbón activado a partir del residual sólido generado en los beneficios húmedos de café, realizando el proceso de carbonización y activación en una sola etapa.
• Se obtienen elevados rendimientos de carbones activados.
• El carbón activado por vía física a 673 K presenta la menor adsorción de CO2.
• Es posible la utilización de los carbones activados obtenidos para la adsorción CO2 como gas contaminante.

V.RECOMENDACIONES.

• Estudio de la influencia de tiempo de activación sobre el contenido de volátiles y el por ciento de carbono fijo.
• Estudiar la influencia de otros adsorbatos sobre los carbones activados obtenidos.
• Estudiar la posibilidad de obtener carbón activado por vía química.
• Estudiar la adsorción dinámica de sustancias contaminantes en estos carbones.

VI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.

1. Anmadpour, A. and Do, D.D., “The preparation of active carbons from coal by chemical and physical activation”, Carbon, vol. 34, No.4,p.471,1996.
2. Cala R. Aiello –Davila J. A.. “Obtención de carbón activado en capas fluidizadas a partir de desechos agrícolas (meollo y aserrín)”. México, 1988
3. Gergova K. and Eser S., “Effects of activation method on the pore structure of activated carbons from apricot stones”. Carbon Vol. 34, No.7,1996.
4. Gregg, S.J. and Sing, K.S.W., “Adsorption surface area and porosity”, p.2-3, 25, 83, 94, 112 y 175, 1982.
5. Hankemberg, N. “Eficiencia y Política ambiental en América Latina”. Contribuciones. 1994
6. “Informe de la reunión nacional de medio ambiente”. Septiembre del 2001.
7. IUPAC, Manual of Symbols and Termilogy, Apendix 2, Part 1, Colloid and Surface Chemistry, Pure and App. Chem., 31, 578 (1972).
8. Mahajan O. P.,y col. “Surface – treated activated carbon for the removel of fenol from water” Sep. Sci. Tecnol. 15, 1733 – 1752. 1980.
9. Márquez, F. M.”Estudio de las posibilidades de aprovechamiento de serrín de Pinus caribea Morelet var. Caribea en la obtención de carbones activados”. Tesis doctoral. 1999.
10. Mattson J. S., y col. “Surface chemistry of active carbon: specific adsorption of fenol”. Colloid Sci. 31, 116- 130. 1969.
11. Rodríguez – Reinoso F., Garrido J., Carbon, 23, 27 (1989).
12. Streat M., Patrick J.W. and Camporro M. J. Perez, “Sorption of phenol and para – chlorophenol from water using conventional and novel activated carbons”. Wat. Res. Vol. 29, No. 2 ,1995
13. Fernández, M. G., “Caracterización de carbonizado y carbones activados por adsorción de vapores”. Tesis de Maestría. 2000.

 

   


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