Carbone
Il carbone attivo , detto anche carbone attivo o carbone attivo , è un materiale costituito essenzialmente da materiale carbonioso a struttura porosa .
Il carbone attivo è qualsiasi carbone che ha subito una particolare preparazione e che, quindi, ha un alto grado di proprietà di fissare e trattenere determinate molecole messe in contatto con esso. È una struttura amorfa composta principalmente da carbonio a carbonio , solitamente ottenuta dopo una fase di carbonizzazione di un precursore ad alta temperatura.
Un carbone attivo ha generalmente un'elevata superficie specifica che gli conferisce un forte potere adsorbente . L' adsorbimento è un fenomeno superficiale in cui le molecole si legano alla superficie dell'adsorbente mediante legami deboli: forza di van der Waals , interazioni elettrostatiche , legami idrogeno .
Le prove dell'uso del carbone attivo risalgono a tempi antichissimi con usi medicinali da parte di Ippocrate intorno al 400 a.C. d.C. o per la purificazione dell'acqua da parte degli egizi intorno al 1550 a . DC Nel XVIII ° secolo, il carbone animale , a base di ossa, è stato utilizzato per la depurazione dei liquidi di filtrazione e per lo sbiancamento, compresa la produzione di zucchero bianco. Lo scozzese John Stenhouse lo utilizzò per le prime maschere respiratorie (1860, 1867).
Questo è il XX ° secolo, i processi di produzione sono state migliorate per permettere una produzione industriale di carboni attivi per varie applicazioni: gas cattura contaminante o fase acquosa, processi di separazione di gas , etc. Sono stati sviluppati processi di trattamento fisico o chimico per consentire la produzione di carbone attivo con migliore efficienza: il chimico svedese von Ostreijko definisce le basi fisiche (vapore acqueo, anidride carbonica) e chimiche (cloruri metallici) in due brevetti del 1900 e del 1901, e l'attivazione chimica da parte degli acidi (Bayer, 1905).
Produzione
Produzione industriale
Il carbone attivo può essere prodotto da qualsiasi materiale vegetale organico ricco di carbonio: corteccia, polpa di legno, gusci di cocco , gusci di arachidi, nocciolino di olive , oppure da carbone , torba , lignite , residui di petrolio .
La produzione è suddivisa in due fasi:
- un primo stadio di calcinazione o carbonizzazione (o pirolisi ), ad alta temperatura, dei prodotti costituenti. Una prima porosità viene creata da questo passaggio, infatti gli elementi diversi dal carbonio lasciano dei pori nella matrice di carbonio quando si volatilizzano;
- una seconda fase di attivazione consiste nell'aumentare il potere adsorbente , in particolare eliminando i catrami che ostruiscono i pori e questo, secondo due distinti processi:
- attivazione fisica, nuova combustione con shock termico (da 900 a 1000 °C ), effettuata in una corrente di aria e vapore acqueo , iniettata sotto pressione (processo di ossidazione controllato), creerà milioni di cellule microscopiche sulla superficie del carbonio, notevolmente aumentando la sua superficie e la sua capacità di adsorbimento. Questo processo dà un carbone con pori stretti,
- attivazione chimica, soprattutto dell'acido fosforico tra 400 °C e 500 °C . Questo processo si traduce in un carbone con pori più grandi.
I carboni possono essere attivati anche fisicamente con CO 2, o chimicamente dagli acidi di Lewis (storicamente era ampiamente usato il cloruro di zinco) o dall'idrossido di potassio. Quando i carboni vengono attivati chimicamente, l'agente attivatore viene risciacquato e riciclato.
Alcuni processi consentono di combinare i due passaggi.
Il diametro dei pori dipende anche dai pori esistenti nella materia prima utilizzata. Gusci di cocco e legni molto densi danno micropori (<2 nm ), i legni da medi a bianchi danno mesopori (tra 2 e 50 nm ) o macropori (> 50 nm ).
Il carbone attivo viene prodotto in quasi tutti i paesi del mondo in cui sono presenti risorse legnose (legno, gusci di noci, corteccia, ramoscelli, foglie, ecc .).
Produzione di carbone vegetale
In Francia, il carbone veniva prodotto da betulla , quercia , faggio , pioppo , pino , salice o tiglio . C'è una fabbrica in Francia per la produzione di carbone attivo dal legno di pino, a Parentis-en-Born (Landes).
Il carbone di pioppo, noto anche come " carbone Belloc ", viene preparato dai germogli di alberi di tre o quattro anni. I germogli vengono calcinati nel vuoto. Il carbone viene bollito in acido cloridrico diluito a 1/32 e . Viene quindi lavato, asciugato e polverizzato. Viene conservato al riparo dall'aria per evitare che assorba i gas atmosferici e l'umidità.
Fabbricazione di carbone animale
Il carbone animale è composto da ossa fresche di animali. Sono da escludere le lische di pesce. Il grasso viene estratto mediante bollitura o utilizzando un solvente. Le ossa vengono schiacciate e poi carbonizzate. Durante la carbonizzazione vengono rilasciati petrolio e gas. Il gas viene lavato per rimuovere l' ammoniaca . L'operazione dura in media otto ore.
Può essere riciclato e quindi essere utilizzato per diversi anni. Quando ha perso il suo potere adsorbente, viene trattato con acido solforico per formare perfosfato .
Proprietà
Proprietà fisiche
Il carbone attivo si presenta essenzialmente in tre forme (le dimensioni indicate sono valori tipici):
- grano, dimensione 1 mm;
- estrusi (pellet): cilindri di 1-2 mm di diametro e 5 mm di lunghezza;
- polvere: grani di dimensioni inferiori a 0,1 mm (standard europeo: <0,5 mm).
Esistono anche tessuti a carbone attivo, realizzati con tessuti di fili polimerici, nonché feltri, per applicazioni molto mirate (medicina, esercito).
I carboni attivi sono estremamente porosi (dal 50 al 70% in volume). La porosità dipende dal materiale originale: il guscio di noce di cocco produce micropori, mentre il legno produce meso/macropori. La superficie sviluppata dall'intera superficie interna dei pori porta a valori enormi: un grammo di carbone attivo ha una superficie specifica compresa tra 400 e 2.500 m 2 , tipicamente 1.000 m 2 . Le superfici specifiche sono misurate utilizzando l'isoterma BET ( teoria di Brunauer, Emmett e Teller ).
Il carbone attivo è idrofobo : assorbe poco vapore acqueo a bassa umidità relativa . Tuttavia, dato il raggio molto piccolo dei pori, può catturare vapore acqueo per condensazione Kelvin (secondo l' equazione Kelvin ), quando l'umidità relativa è maggiore di circa il 50%. Anche altri vapori possono condensare. I pori del carbonio si riempiono quindi con il costituente allo stato liquido, il che spiega le capacità di adsorbimento molto elevate. Ad esempio, un carbone può fissare fino al 50% in massa di toluene presente allo stato di vapore nell'aria (0,5 kg di toluene per kg di carbone).
L' adsorbimento del gas richiede un poro a 2 nm , mentre per l'adsorbimento del liquido sono sufficienti pori da 2 a 10 nm .
Proprietà chimiche
Le proprietà chimiche del carbone attivo dipendono dallo stato della superficie, che a sua volta dipende dall'origine del materiale di base (cocco, pino, carbone, ecc. ) e dai trattamenti fisici e chimici.
Ruolo del calcio
Gli ioni di calcio rilasciati dalla superficie di un carbone attivo durante un processo di trattamento dell'acqua svolgono un ruolo importante nella buona fissazione dei microinquinanti organici anionici . Ad esempio, è stato dimostrato che i livelli di ioni calcio micromolari aumentano notevolmente l' adsorbimento di sodio dodecil solfato (SDS) su un carbone attivo liberato dalla maggior parte dei suoi ioni metallici superficiali mediante risciacquo con acido cloridrico . Questo calcio aggiunto consente di neutralizzare le cariche negative dei gruppi funzionali superficiali del carbonio, ma anche le cariche negative derivanti dalla SDS già adsorbita, il che aumenta la fissazione aggiuntiva della SDS. I trattamenti subiti dal carbone attivo prima dell'adsorbimento dei microinquinanti possono modificare notevolmente la capacità di adsorbimento del carbone. Il fatto di aggiungere ioni calcio all'acqua da filtrare migliora le rese di adsorbimento dei microinquinanti anionici sul carbone attivo. Tuttavia, tale aggiunta non è economicamente redditizia.
Proprietà elettriche
Conducibilità
Essendo costituito da carbone, il carbone attivo conduce l'elettricità in una certa misura. Questa proprietà è stata utilizzata per riscaldare un letto di grani di carbone attivo per effetto Joule al fine di rigenerarlo (desorbendo molecole fisse). Due elettrodi metallici sono disposti alle estremità di un letto generalmente cilindrico e viene applicata una tensione (può anche essere riscaldata per induzione elettromagnetica). Il comportamento dei semiconduttori del carbonio è evidenziato perché la curva di temperatura è negativa, vale a dire che la resistività diminuisce all'aumentare della temperatura a differenza dei conduttori, ad esempio metallici. Applicando una tensione costante, la temperatura del letto aumenta, la sua resistenza diminuisce e di conseguenza l'intensità aumenta e anche la potenza applicata P = UI . Questo porta a un sistema in fuga. È quindi necessario regolare la tensione. Questo processo di desorbimento elettrotermico non ha conosciuto uno sviluppo industriale significativo, i processi tradizionali, aria calda e vapore acqueo surriscaldato, sono efficienti ed economici.
Capacità
Quando un solido viene portato a contatto con una soluzione salina, all'interfaccia si sviluppa una distribuzione di carica chiamata doppio strato elettrochimico . Questo si comporta come un condensatore i cui valori di capacità sono bassi, dell'ordine di pochi microfarad per centimetro quadrato. Nel caso del carbone attivo, date le sue elevate superfici specifiche, anche i valori di capacità specifica sono molto elevati. Ad esempio, per un'interfaccia a 10 µF/cm 2 e un carbonio di 1000 m 2 /g , la capacità è 100 F/g . Stiamo parlando di supercondensatori . Questa proprietà è utilizzata in particolare in molti sistemi di accumulo di energia elettrica (veicolo, orologio, ecc.) e sistemi reattivi per avviamenti ad alta potenza.
Il doppio strato influenza anche le proprietà di adsorbimento della superficie. Quindi l'isoterma di adsorbimento di un corpo può dipendere dal potenziale elettrico applicato. Questo fenomeno è noto come elettroassorbimento.
Usi
Il carbone attivo viene utilizzato in molti settori:
Filtrazione
- sistemi di filtrazione dell'aria contaminata, in particolare nei rifugi antiatomici ;
- decontaminazione dell'acqua potabile : il carbone attivo trattiene un gran numero di composti organici, come i pesticidi . Questo processo eliminerebbe il 100% del cloro (dipende molto dalla natura del cloro: cloro libero, composti) e dalla modalità di funzionamento (tempo di contatto in particolare) e il 95% del piombo presente nell'acqua comunale. Questo utilizzo rappresenta il 20% del mercato mondiale;
-
maschere antigas ; mascherine che consentono di non inalare determinati gas pericolosi per la salute;
-
tanica dell'automobile: fissaggio dei vapori di benzina dalla parte superiore del serbatoio per evitare il rilascio nell'atmosfera quando la temperatura del veicolo aumenta;
-
filtri per sigarette ;
- filtri utilizzati negli impianti di ventilazione a circuito chiuso (es. cappa da cucina );
- filtrazione di inquinanti organici (in particolare trattamenti farmacologici);
- sistema di filtrazione per acquario;
- Gli " eco-tessili " sviluppati negli anni '80 a base di carbone attivo in fibre tessute vengono utilizzati per produrre maschere che purificano l'aria respirata dai ciclisti , indumenti militari o utili nell'ambito della lotta al rischio chimico o radiologico o biologico, abbigliamento che assorbe alcune tossine o odori corporei (per gli astronauti, per esempio).
Chimica
Fonte.
- declorazione dell'acqua: acqua potabile e altri liquidi alimentari ( birra , bibite, ecc .). Le cloro cloro ossidanti (cloro Cl 2 ; acido ipocloroso: HClO; ipoclorito: ClO - ) si riduce a cloruri (Cl - ) di un catalizzatore azione ;
- trattamento di effluenti liquidi;
- Igiene industriale: supporto al campionamento degli inquinanti nell'aria (principalmente molecole di carbonio);
- smacchiatura dei vini bianchi, come lo Champagne prodotto da pinot nero ( uva nera con succo bianco): i pigmenti della buccia dell'uva, che possono colorare il succo, vengono assorbiti dal carbone attivo chimicamente e privi di ferro per evitare la rottura del ferro nel vino (il trattamento con bentonite-caseina ha lo stesso effetto);
- scolorimento dello zucchero ;
-
decaffeinizzazione del caffè : con acqua;
- stoccaggio dell'idrogeno (nanofibre di carbone attivo o derivati del carbonio);
- supporto per metalli catalitici ultradivisi (ad esempio: platino o nichel su carbone attivo);
- eliminazione degli idrocarburi nell'acqua.
Industria
- La principale applicazione industriale del carbone attivo nel campo dei gas è il trattamento dell'aria caricata con solventi o composti organici volatili (VOC). Molte industrie utilizzano solventi: vernici per auto, elettrodomestici, sgrassaggio dei metalli dopo il taglio, stampa di giornali, scatole, lattine, ecc., lavaggio a secco, ecc. L'aria di ventilazione è carica di COV che devono essere recuperati prima di scaricare l'aria nell'atmosfera. Vengono utilizzate colonne di carbone attivo granulare che fissano i VOC. Il carbonio viene rigenerato in situ mediante iniezione in colonna: o aria calda ( 150 °C. ) in cui i VOC sono concentrati all'uscita della colonna; il flusso risultante viene quindi incenerito (bruciatore, camino). O vapore acqueo secco surriscaldato che desorbe i VOC sia per aumento di temperatura che per spostamento; il flusso risultante viene raffreddato, il vapore acqueo condensa così come il VOC. Vengono separati per sedimentazione e il VOC viene riciclato (il VOC non deve essere miscibile con acqua). Un tipico esempio è il riciclo del toluene negli impianti di stampa. Questi processi sono discontinui: per ottenere un processo continuo sono necessarie almeno due colonne, una in trattamento mentre l'altra in rigenerazione. Per l'industria automobilistica (linee di verniciatura) viene utilizzato un processo specifico: la ruota di adsorbimento. Il carbone attivo, miscelato con altri adsorbenti come le zeoliti idrofobe, viene posto in una ruota a maglie di circa 0,5 m di spessore e diversi metri di diametro che viene posta di fronte al flusso. Questa ruota in genere ruota a due giri all'ora. L'aria da trattare carica di COV passa attraverso la girante e i COV vengono adsorbiti. L'aria purificata lascia la ruota dall'altra parte e viene rilasciata nell'atmosfera. La chiave del processo: un settore della ruota (angolo di circa 30°) è protetto da una copertura fissa. Questo settore è continuamente rigenerato da aria calda ( 120 °C ). Gli effluenti vengono inceneriti (la temperatura e l'elevata concentrazione di carbonio sono molto favorevoli all'incenerimento). Il processo è completamente continuo.
- Nella fase liquida, l'applicazione principale è la decolorazione di succhi dolci e sciroppi di glucosio . Si effettua o in vasca agitata con carbone in polvere o in colonna con carbone in grani o pellet. Il carbone viene riattivato ex-situ in forni ad alta temperatura in atmosfera riducente. Ci sono alcuni impianti di riattivazione in Europa.
- Trattamento dei fumi degli inceneritori di rifiuti (principalmente domestici): fissazione delle diossine . Il carbone attivo viene utilizzato sotto forma di polvere che viene iniettata nei fumi prima della loro filtrazione in filtri a maniche . La polvere si deposita sul filtro e assorbe le diossine. La forma in polvere consente un rapido assorbimento, poiché il tempo di contatto tra il fumo e il carbone è molto breve. Il carbone attivo viene raccolto quando i filtri sono sbloccati e non viene rigenerato. È immagazzinato in una discarica controllata.
- Estrazione dell'oro dai minerali (fissazione su carbone attivo quindi incenerimento del carbone).
- Cattura dell'idrogeno solforato nel gas naturale, in particolare all'uscita di giacimenti sotterranei di gas naturale (carbone attivo modificato: deposito metallico (ossido di rame) sulla superficie attiva), ma anche nel biogas .
- Stoccaggio di idrogeno (nanofibre di carbone attivo o derivati del carbonio).
-
Supercondensatori : accumulo di elettricità sotto forma di carica di condensatori (ruolo svolto dall'interfaccia carbonio-liquido). Applicazione alla creazione di corrente elettrica ad altissima intensità. Guarda le batterie.
- La produzione industriale di azoto (e idrogeno) per PSA ( Pressure Swing Adsorption : Pressure Swing Adsorption ). Un filtro a carboni attivi viene utilizzato come pretrattamento da PSA, dopo i compressori per rimuovere impurità organiche, vapori d'olio e tracce di vapore acqueo.
Medicinale
- È stato utilizzato come chelante in un gran numero di avvelenamenti , tuttavia le indicazioni sono state molto limitate, principalmente a causa dei ritardi nelle cure: il carbone attivo cessa di essere utile oltre tre o quattro ore dopo l'avvelenamento.
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Depurazione digestiva .
-
Diarrea , il carbone attivo è costipante o anti- diarrea .
- Bruciore di stomaco, aerofagia, gas .
- Così come, con relativo successo, nei casi di gastroenterite , gastralgia, negli stati di infezione dell'intestino accompagnati da stipsi , brontolio e fermentazione intestinale.
- Alcuni lo usano addirittura come cataplasma (mescolato con acqua) per cercare di contrastare, subito dopo il morso, gli effetti del veleno di serpenti , morsi di imenotteri ( api ...), di aracnidi ( ragni ...) e celenterati (di mare anemone …). L'efficacia di quest'ultimo utilizzo non è garantita.
Puoi ottenere questo carbone attivo (officinale o commerciale) o Charbon de Belloc nelle farmacie e nei negozi di alimenti biologici. In caso di avvelenamento, resta essenziale un pronto intervento medico.
Il carbone attivo non ha sapore, odore o effetto sgradevole. In assenza di ulcera peptica attiva o di ostruzione intestinale , il carbone attivo non ha praticamente controindicazioni, se non quelle legate a qualsiasi prodotto antidiarroico (vedi articolo Depurazione digestiva ). È molto ben tollerato, anche a dosi elevate. Poiché il suo assorbimento è rapido, è efficace dopo l'ingestione. Va notato, tuttavia, che l'assunzione di carbone attivo non è compatibile con il trattamento farmacologico (Pillola contraccettiva ad esempio), il carbone attivo adsorbe le molecole attive di questi stessi farmaci . Occorre quindi ritardare di due o tre ore l'assunzione di carbone attivo con l'assunzione di altri farmaci .
Tuttavia, la tossicità del carbone attivo non è nulla: anche se il processo di attivazione riduce notevolmente il livello di IPA per ossidazione, non ne è esente, così come il livello di metalli pesanti presenti nella materia prima. . La concentrazione di benzo[ a ]pirene (uno degli IPA più cancerogeni) è limitata a 50 µg/kg nel carbone attivo alimentare. Tuttavia, il carbone attivo non viene assorbito dall'apparato digerente e mantiene questi composti confinati, il che riduce significativamente la loro tossicità. L' Autorità europea per la sicurezza alimentare (EASA) ritiene che ai livelli di utilizzo comunemente riscontrati, il carbone vegetale contenente meno di 1,0 µg/kg di residui organici cancerogeni non rappresenti un rischio per la salute.
agroalimentare
Molto utilizzato nell'industria alimentare, il carbone attivo ha due famiglie di applicazioni: per le sue proprietà sbiancanti da un lato e per la sua capacità di purificazione dall'altro. Il carbone attivo si trova in:
- decolorazione: edulcoranti (glucosio, saccarosio e derivati dell'industria dell'amido), acidi organici da processi di fermentazione, amminoacidi e vitamine. Ma è anche autorizzato come colorante negli alimenti biologici con la denominazione “ E153 ”;
- la depurazione degli oli vegetali e animali mediante l'eliminazione degli IPA , la riduzione delle tossine nei succhi di frutta, la produzione di acqua “ingrediente” per qualsiasi tipo di prodotto alimentare;
- carbone di origine sconosciuta viene talvolta aggiunto al pane. Quando si mescola con acqua, i pori del carbone si riempiono d'acqua e le molecole della farina, in particolare le proteine vegetali, riempiono i pori. Durante la cottura le proteine si coagulano, i pori si ostruiscono e la superficie interna di adsorbimento diventa inaccessibile. Il carbone non può quindi più svolgere il suo ruolo. Rimane il colore nero. Da notare che il carbone attivo, considerato dalla normativa come un additivo (E153), non è autorizzato nel pane. Questo è stato recentemente ricordato alla professione.
Riattivazione e rigenerazione
Dopo un certo tempo di trattamento dell'aria, del gas o del liquido, il carbone attivo alla fine si satura o perde gran parte della sua efficacia. A differenza del carbone attivo in polvere (incenerimento o discarica), il carbone attivo granulato può, in una certa misura, essere riciclato.
Il metodo più utilizzato è la “ riattivazione termica ”: il carbone attivo viene posto in un forno tra 700 °C e 900 °C in presenza di vapore acqueo . Le molecole adsorbite vengono devolatilizzate. Se sono organici, vengono pirolizzati . Il residuo presente nei pori di adsorbimento viene gassificato mediante il vapore acqueo presente nell'atmosfera del forno. Il carbone attivo riacquista la sua struttura iniziale privo di qualsiasi inquinante.
Può essere rigenerato anche con lavaggi acidi o alcalini. In questo caso recupera solo parte della sua capacità, perché non è possibile eliminare tutte le molecole adsorbite. Parliamo poi di capacità lavorativa.
Varie
Il carbone attivo è stato inserito nell'elenco dei farmaci essenziali dell'Organizzazione mondiale della sanità dal 1977.
Il carbone attivo viene utilizzato anche in prodotti cosmetici come maschere per la rimozione dei punti neri o dentifrici sbiancanti, ma le prove scientifiche della sua efficacia rimangono insufficienti. Al contrario, è invece sconsigliato l'uso di dentifricio al carbone secondo gli esperti britannici la cui analisi è stata pubblicata sul British Dental Journal .
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Vedi anche
Articoli Correlati
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