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Uso eficiente do carvão ativado como meio filtrante em processos industriais

João Carlos Mucciacito

O interesse sobre o carvão ativado cresceu muito após a Primeira Guerra Mundial, onde o mesmo foi usado contra gases tóxicos. Até o final da guerra, pesquisadores desenvolveram importantes aplicações para o carvão ativo, tais como recuperação de solventes, extração de benzeno de fabricação de gases e eliminação de odor. Atualmente, o uso do carvão ativado cresceu muito.

O carvão ativado ou ativo é um material carbonáceo poroso, fabricado a partir dos mais diversos tipos de materiais orgânicos, por processo de pirólise e ativação.

O esquema abaixo mostra a diferença entre o carvão ativado e o carvão comum.

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As matérias-primas utilizadas para obtenção do carvão ativado são quase exclusivamente de origem vegetal e possuem alto poder de carbono, tais como:

– Casca de coco;

– Carvão mineral (antracito, betuminoso e lignito);

– Madeira de alta e baixa densidade (pinus, acácia etc);

– Turfa;

– Resíduos de petróleo;

– Ossos de animais;

– Resíduos agroindustriais;

– Açúcar;

– Caroço de azeitona;

– Casca de noz;

– Caroço de pêssego, entre outros.

As características do carvão ativado dependem da matéria-prima usada, as condições de ativação e a natureza dos agentes ativantes. Com isso, cada processo terá propriedades de adsorção diferentes e usos diversificados.

Estudos indicam que madeiras maiores, resinosas, na forma de serragem e cascas de coco, podem fornecer carvões de ótimas propriedades descorantes e devem ser ativados por processos químicos.

No Brasil, as matérias-primas mais utilizadas para a produção de carvão ativado são cascas de coco, madeiras de pinus e acácias, ossos de animais, os quais são utilizados para a fabricação de um tipo específico de carvão ativado.

A característica mais significativa do carvão ativado é o seu alto poder de adsorção, separações obtidas pela habilidade de moléculas, contidas no fluido, aderidas sobre a superfície de um sólido.

Adsorção Química

A adsorção química ou quimissorção, ocorre quando as moléculas unem-se à superfície do adsorvente através da formação de ligações químicas, covalentes, e ficam paradas em sítios que fazem com que ocorra uma maior interação com o substrato. Uma molécula quimicamente adsorvida pode ser decomposta em virtude de forças de valência dos átomos da superfície. A existência de fragmentos moleculares adsorvidos responde, em parte, pelo efeito catalítico das superfícies sólidas.

Adsorção Física

A adsorção física ou fisissorção, ocorre quando as moléculas do adsorvente interagem pelo método de Van der Waals, são fracas e não formam ligações químicas. No caso de adsorção física, a natureza do adsorvente não é alterada, embora possa ser deformada pela presença dos campos de força da superfície.

A porosidade dos carvões ativados é um dos aspectos mais importantes para a avaliação de seu desempenho. As diferenças nas características de adsorção estão relacionadas com a estrutura dos poros do material, que podem variar de tamanho, e são classificados como microporos, mesoporos ou macroporos.

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As formas físicas do carvão ativado

Há três formas físicas básicas de carvão ativado: os pulverizados, os granulados e os peletizados.

Carvão ativado pulverizado (CAP)

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O carvão ativo pulverizado é usado para aplicação em fase líquida, em processo do tipo contínuo ou descontínuo. São mais indicados para casos em que dosagens são requeridas variadas, existem dificuldades operacionais para a utilização em colunas, ou a regeneração não é indicada. Estes sistemas são providos de agitação para manter o pó em suspensão com o líquido a tratar, para ocorrer um contato eficiente e o maior aproveitamento do carvão ativado. Após a adsorção, o pó é separado do líquido por centrifugação, filtração e decantação, ou a combinação destes.

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 para o processo a que se destina, são determinadas através de testes práticos.

Carvão Ativado Granulado (CAG)

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O carvão ativado granulado é indicado para aplicação em fase líquida ou gasosa. Produzido a partir de matérias-primas duras e processo controlado, resulta em um produto de rígida estrutura, permitindo regenerações sucessivas, tornando econômicos muitos processos que operam em leitos. São utilizados em colunas, que podem ser verticais ou horizontais, com operação em série ou paralelo, com fluxo ascendente ou descendente. Para aplicações em fase gasosa, é comum utilizar colunas horizontais, pois geralmente grande quantidade de gás passa pelo leito, necessitando de baixa perda de carga, que também é utilizada em colunas verticais de fluxo ascendente.

Carvão Ativado Peletizado

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O carvão ativado peletizado é indicado para aplicação em fase gasosa e catálise. É utilizado em sistemas de filtragem para aquários de água doce, marinho ou em lagos de peixes ornamentais.

Alguns autores mencionam que o carvão peletizado é um termo e está relacionado com a forma das partículas (pequenos cilindros) e não com o tratamento a que foi submetido, podendo ter tanto carvão normal quanto carvão ativado na forma peletizada.

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Produção de Carvão Ativado

Os diversos processos de ativação são, na grande maioria, variações de um procedimento básico que é a carbonização ou pirólise da matéria-prima.

Os processos de ativação de carvão ativado são definidos em químicos e físicos.

Processo Químico

O processo químico de ativação consiste em misturar a matéria-prima a uma solução de agente químico ativante e carbonizar a mistura resultante na ausência de oxigênio. O produto carbonizado é resfriado e lavado, sendo recuperado o agente químico ativante, influenciando no processo de pirólise. As temperaturas utilizadas estão na faixa de 400ºC a 1000ºC.

As substâncias mais utilizadas como agente químico ativante são cloreto de zinco, sulfeto de potássio, tiocianato de potássio, ácido sulfúrico, hidróxido de sódio, cloreto de cálcio, ácido fosfórico e outros menos usados.

Processo Físico

O processo físico é basicamente um processo de oxidação do carvão e ocorre quando o material é submetido à alta temperatura, que varia entre 800ºC a 1000ºC com baixo teor de oxigênio, mantendo a queima controlada para evitar a queima total do material, também conhecida como carbonização. A ativação acontece quando é injetado no material, vapor de água, ar ou dióxido de carbono. Nesse processo ocorrem reações e a formação de gases, efeito das reações existentes entre os agentes ativantes e o carbono (matéria-prima já modificada). O material é resfriado, lavado, peneirado e separado por divisão de tamanho de partículas.

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Aplicações do Carvão Ativado

Os carvões ativados são usados em processos para remover determinadas substâncias de um fluido, através do fenômeno da adsorção e possuem vasta aplicação, as quais descrevemos a seguir:

• Tratamento de água: O carvão ativado possui um papel fundamental na purificação de águas, seja para fins potáveis ou industriais. Elimina cor, odor, mau gosto e remove substâncias orgânicas dissolvidas através do mecanismo de adsorção. Além disso, o carvão ativado remove compostos orgânicos, fenólicos e substâncias que diminuem a qualidade da água, como pesticidas, micropoluentes, podendo atuar como barreira a bactérias e vírus. Pode também ser utilizado no pré-tratamento da água utilizada nas indústrias de alimentos, bebidas, farmacêuticas e na osmose reversa.

• Tratamento de ar: O carvão ativado adsorve contaminantes nocivos do ar, removendo produtos indesejáveis através de aparatos operacionais, como filtros industriais. O ar comprimido para finalidades diversas também é purificado desta maneira.

• Resíduos industriais: O carvão ativado pode ser utilizado na reciclagem de águas industriais, bem como na remoção de substâncias presentes nas águas, por exemplo, naftalenos, dodecilbenzeno, sulfonato, benzeno e fenol, entre outros. Quando misturado ao lodo bioativo, intensifica a eficiência de orgânicos específicos, melhora a estabilidade do processo, reduz a espuma desenvolvida e melhora as características do lodo.

• Indústria farmacêutica: O carvão ativado é utilizado para purificação de substâncias, remoção de cor e impurezas de vitaminas, enzimas, analgésicos, penicilina, soluções intravenosas, além de ser utilizado como medicamento no tratamento de desintoxicações.

• Indústria química: O carvão ativado é utilizado para a purificação de produtos, remoção de cores residuais, odores e contaminantes. Sua ação abrange vários seguimentos da indústria, como a remoção de orgânicos, purificação de ácidos, desodorização e descoloração de produtos químicos, bem como a utilização como catalisador devido à grande área superficial e inércia química. Também possui eficiente utilização na purificação de ar, de gases, recuperação de solventes, como filtros de compostos orgânicos voláteis em automóveis, além disso, pode ser utilizado em máscaras para proteção pessoal.

• Adsorção de gases: A purificação de gases pode ser feita com carvão ativado. Quando se usa a adsorção física, os gases podem ser adsorvidos 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 acetato de vinila e ácido monocloroacético. Em refinarias, como suporte no processo de tratamento de gasolina, ou na dessulfurização do gás natural.

• Tratamento de efluentes: O carvão ativado 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, o mercúrio. Também em sistemas tipo lodos ativados, fazendo a remoção de cor e/ou enriquecendo o lodo no número de bactérias por centímetro cúbico. Como suporte para microrganismos em sistemas de filtros biológicos ou processos anaeróbicos.

• Indústria alimentícia: O carvão ativado tem um importante papel, adsorvendo moléculas que causam gosto, cor e odores indesejáveis. Algumas das aplicações específicas incluem:

– Açúcar líquido: remoção de cor e melhoria nas características sensoriais do xarope.

– Bebidas alcoólicas: remoção de cor, e outros compostos como o álcool amílico e aldeídos que influenciam nas características sensoriais da cerveja, vinho, whisky, rum, vodka e cachaça.

– Glicerina: remoção de cor e odor.

– Descafeinação: adsorção e recuperação da cafeína, que pode ser purificada para o uso na fabricação de bebidas ou na indústria farmacêutica.

– Sucos de frutas: remoção de polifenóis coloridos, melanoidinas marrom escuro, sabores indesejáveis, precursores de cor criados durante o processo pesticida e fungicida residuais.

– Ácido cítrico: adsorção de colorantes da solução de ácido cítrico.

– Cana-de-açúcar: usado para descolorir o xarope de cana-de-açúcar antes da cristalização e para remover outras impurezas como aminoácidos e polissacarídeos.

– Amido hidrolizado: usado na descoloração e purificação da glicose, frutose, maltose, dextrose e maltodextrina.

– Gorduras e Óleos Comestíveis: usado para descolorir óleos de palmito, coco, girassol e soja, além de remover hidrocarbonetos aromáticos policíclicos.

– Flavorizantes: remoção de cor de proteínas vegetais e purificação do glutamato.

Referências Bibliográficas

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www.meiofiltrante.com.br