O carvão ativado é uma estrutura amorfa, sólida, altamente porosa, preparada em pellets, em pó ou granulado. Porém, o filtro de carvão ativado normalmente utiliza a matéria-prima granulada. Ele pode ser produzido através de matérias-primas que possuam carbono em sua estrutura, incluindo carvão mineral, madeira, casca de coco etc.
De forma geral a produção de carvão ativado pode ser dividida em duas fases: a carbonização e a ativação:
Processo de carbonização: inclui a secagem e em seguida o aquecimento para separar alguns subprodutos (hidrocarbonetos) presentes na estrutura. O processo é finalizado quando se atinge 400° C em uma atmosfera livre de oxigênio, evitando assim a combustão do material. Em seguida o material carbonizado segue para a ativação.
Processo de ativação: aqui o carvão é exposto a um agente oxidante. Normalmente utiliza-se vapor ou dióxido de carbono a altas temperaturas. Este agente remove as substâncias que bloqueavam os poros do carvão (substâncias criadas durante a carbonização).
Aplicações e materiais do filtro de carvão ativado
O carvão ativado granulado (CAG) é normalmente utilizado para remover matéria orgânica e residual de desinfetantes no tratamento de água. Ele não só melhora o sabor ou reduz a presença de materiais perigosos à saúde, mas também protege outros sistemas de tratamentos de água, tais como membranas de osmose reversa e resinas de troca iônica, de oxidação ou deposição de matéria orgânica.
O carvão ativado é uma técnica de tratamento de água muito utilizada devido a sua natureza multifuncional e também pelo fato de não adicionar impurezas à água tratada.
A maioria dos carvões ativados são feitos a partir de casca de coco, madeira, carvão mineral e petróleo.
Os dois mecanismos principais que o carvão remove impurezas da água são adsorção e redução catalítica. A matéria orgânica é removida por adsorção, já as residuais de desinfetantes são removidas por redução catalítica.
A área superficial típica para o carvão ativado é de aproximadamente 1000m²/g. Entretanto, diferentes matérias-primas geram diferentes tipos de carvão ativado. A diferença fica na dureza, densidade, tamanhos de poros e partículas, área superficial, materiais adsorvidos e pH. Estas diferenças nas propriedades tornam alguns carvões preferidos para determinadas aplicações.
Fatores que afetam a performance do filtro de carvão ativado
Peso Molecular:
À medida que o peso molecular aumenta, o carvão ativado adsorve mais efetivamente, pois as moléculas são menos solúveis na água. Contudo, o poro do carvão deve ser grande o suficiente para permitir a migração das moléculas para dentro dele. Uma mistura de carvão para moléculas grandes e pequenas deve ser dimensionada para a remoção das impurezas mais difíceis.
pH:
A maior parte dos materiais orgânicos são menos solúveis e mais facilmente adsorvidos com pH baixo. À medida que o pH sobe, a remoção cai. A regra de ouro é aumentar o tamanho da cama de carvão em 20% para cada unidade de pH acima de 7,0.
Concentração de contaminantes:
Quanto maior a concentração de contaminantes, maior será a capacidade de remoção do carvão ativado. A molécula do contaminante está mais propensa a entrar nos poros do carvão e ser adsorvida. À medida que a concentração aumenta, entretanto, há maior probabilidade de passagem de contaminante com a água tratada. A concentração-limite é de poucas centenas de parte por milhão. Altas concentrações de contaminantes podem requisitar um tempo de contato maior com o carvão ativado. A remoção de material orgânico é também facilitada com a presença da dureza na água, então, sempre que possível evite colocar uma coluna de troca iônica antes do filtro de carvão ativado.
Tamanho das partículas:
O carvão ativado é geralmente disponível em 8×30 mesh (partículas maiores), 12×40 mesh (mais comum) e 20×50 mesh (partículas menores). As partículas menores dão o melhor contato e melhor remoção, porém acabam gerando maior perda de carga. A regra de ouro aqui é que o carvão ativado de 20×50 mesh oferece uma remoção por adsorção 2 a 3 vezes melhor do que o carvão de 12×40 mesh e de 10 a 20 vezes melhor do que o carvão de 8×30 mesh.
Vazão:
De forma geral, quanto menor a vazão, mais tempo o contaminante terá para se difundir nas cavidades do carvão ativado para ser adsorvido. A adsorção por carvão ativado é quase sempre melhorada por um tempo de contato maior. Novamente, de forma geral, o leito de carvão de 20×50 mesh pode ser rodado com uma vazão duas vezes maior do que um leito feito com carvão de 12×40 mesh, e um leito de 12×40 mesh pode ser rodado com uma vazão duas vezes maior do que um leito de carvão de 8×30 mesh.
Temperatura:
Temperaturas elevadas da água diminuem a viscosidade da solução e podem aumentar a sua capacidade de difusão, aumentando assim a adsorção. Altas temperaturas podem também romper a ligação de adsorção e reduzir um pouco a capacidade de adsorção. Isto depende da matéria orgânica a ser removida, mas de forma geral as baixas temperaturas acabam favorecendo a adsorção.
Remoção de matéria orgânica com filtro de carvão ativado
A propriedade de adsorção do carvão ativado é utilizada para remover matéria orgânica da água. De forma geral, a adsorção ocorre porque as moléculas exercem forças para aderir umas às outras. O carvão ativado adsorve matéria orgânica pois a força de atração entre a superfície do carvão (apolar) e o contaminante (apolar) é mais forte do que a força que mantém o contaminante dissolvido na água (polar). A força de adsorção é fraca e a adsorção não ocorre caso a molécula de matéria orgânica não esteja próxima à superfície do carvão.
Fatores que diminuem a solubilidade e/ou aumentam o acesso aos poros melhoram a performance do filtro de carvão ativado. Cada 1 grama de matéria orgânica consome 10 gramas de carvão ativado a uma taxa de filtração específica para este projeto.
Remoção de material desinfetante com filtro de carvão ativado
O carvão ativado pode remover e destruir residuais de cloro livre e cloraminas através de uma reação de redução catalítica. Esta reação envolve a transferência de elétrons da superfície do carvão ativado para o residual de desinfetante. Em outras palavras, o carvão ativado age como um agente redutor.
A remoção de cloro livre através do uso de carvão ativado reduz o cloro a um íon de cloro não oxidativo. A reação é rápida e acontece nos primeiros 10 centímetros de camada nova de carvão ativado – enquanto a remoção de matéria orgânica por carvão ativado leva minutos, a remoção de cloro livre da água leva segundos. A capacidade de remoção de cloro livre através do uso de um filtro de carvão ativado novo é de 1:1. Veja abaixo a reação que ocorre entre o carvão ativado e o cloro livre.
2Cl2 + C + 2H2O → 4HCl + CO2
Carvão ativado não adsorve a cloramina, mas sim remove-a através de sua habilidade de agir como um catalisador para a quebra química da cloramina, adicionando o íon cloreto na água. Esta reação catalítica envolve a formação de dióxido de carbono como um produto intermediário. A reação é demonstrada abaixo:
NH2Cl + H2O + C* = NH3 + Cl- + H+ + CO*
2NH2Cl + CO* = N2 + 2Cl- + 2H+ + H2O + C*
Como a reação entre a cloramina e o carvão ativado é mais lenta do que com o cloro ativo, a taxa de filtração para esta aplicação deve ser menor do que para remoção de cloro ativo.
Considerações finais
Leitos de carvão ativado são filtros e precisam ser retrolavados periodicamente. Uma área livre de 30% a 50% deve ser deixada no vaso, permitindo a correta retrolavagem. É importante deixar claro que a retrolavagem não regenera o carvão ativado, nem mesmo remove o material adsorvido. A retrolavagem somente rearranja o leito e remove os finos ou material suspenso que foi retido pelo leito.
Similar a outros sistemas de tratamento de água, os filtros de carvão ativado são efetivos na remoção de alguns contaminantes e não efetivos a outros. Filtros de carvão ativado não removem sódio, cloretos, nitratos, fluoretos e dureza.
Linha de produtos de carvão ativado
Se você tem dúvidas em relação à qualidade da sua água, entre em contato com a Liter para que possamos auxiliá-lo a encontrar a melhor solução.
Veja abaixo os dois equipamentos que a Liter oferece para o tratamento de água por carvão ativado granular.
Filtro de Carvão Ativado (Residencial)
Os filtros de carvão ativado da linha residencial são fabricados em tanques de fibra de vidro, com revestimento interno em polipropileno. Estes tanques não oxidam, são leves e não requerem manutenção. A forma de tratamento deste sistema é baseada em adsorção para remoção de matéria orgânica e oxidação para cloro livre. Podem ser aplicados em qualquer processo, desde a potabilização a processos industriais leves. Estes filtros são fabricados para vazões de 500 a 2.000L/H.
Filtro de Carvão Ativado (Comercial)
Os filtros de carvão ativado da linha comercial são fabricados em tanques de fibra de vidro, com revestimento interno em polipropileno. Estes tanques não oxidam, são leves e não requerem manutenção. A forma de tratamento deste sistema é baseada em adsorção para remoção de matéria orgânica e oxidação para cloro livre. Podem ser aplicados em qualquer processo, desde a potabilização a processos industriais leves. Estes filtros são fabricados para vazões de 2.000 a 10.000L/H.
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