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CARBÓN ACTIVADO
ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIA











La generación de residuos es consecuencia directa de la presencia misma del hombre en el planeta. Estos pueden ser emitidos en forma de elementos sólidos, líquidos o gaseosos y aumentan permanentemente en cantidad y complejidad conforme se incrementa la población y el desarrollo tecnológico, lo que se traduce en una mayor dificultad del medio natural para asimilar, degradar y reutilizar las sustancias y materiales que los constituyen.


Una de las actividades más antiguas del hombre es la agricultura; esta, con el objeto de proveer alimentos para una población cada vez más numerosa, incrementa año a año el consumo de recursos abarcando grandes zonas y ecosistemas. Sumado a esto en la búsqueda de la preservación de los cultivos y encaminadas a obtener un alto rendimiento en la producción, se emplean sustancias químicas como fertilizantes inorgánicos y plaguicidas, que degradan los recursos naturales y ponen en peligro la base de la producción agrícola futura. En este sentido la agricultura se convierte entonces en una actividad exigente y degradante del medio natural, capaz de agotar recursos como los suelos fértiles, el agua dulce y la diversidad en el planeta. El gran reto contemporáneo es garantizar una forma sostenible de producción de alimentos para las futuras generaciones, sin perder de vista la conservación ambiental y su derecho a contar con dichos recursos.


La mayor cantidad de residuos sólidos que genera la agricultura, son de origen vegetal, provenientes de cosechas o fracciones de cultivos que no son de interés o no cumplen con los requisitos de calidad mínimos para ser comercializados. De otro lado, esta misma actividad genera abundantes sustancias químicas peligrosas, empleadas para el control de roedores, insectos, ácaros, nemátodos, hongos, bacterias, virus, etc., que obligan a los cultivadores a realizar un control cada vez más frecuente y con mayores dosis; estas sustancias llegan directamente al medio y, una vez allí, inician un proceso de deterioro del recurso en el cual se encuentran (agua, suelo, aire o biota), que se agrava cuando la aplicación de las sustancias es permanente y no se permite la degradación natural de las mismas.


En Colombia, una de las actividades agroindustriales de mayor importancia en la economía nacional es la producción y exportación de banano —fruto que se debe diferenciar del plátano, el guineo y otras especies parecidas—. A escala nacional, ocupa uno de los primeros lugares al lado del café, la caña de azúcar, las flores y la palma africana. Internacionalmente se cuenta con producción importante de esta fruta en países latinoamericanos como Ecuador y Costa Rica.


La agroindustria del banano incluye su siembra, cosecha, empaque, transporte y comercialización, actividades que generan un importante número de empleos y conducen al desarrollo técnico y social en las zonas de siembra, embalaje y transporte. En el país las regiones con mayor producción son el departamento del Magdalena y la zona del Urabá Antioqueño donde se tienen extensas plantaciones bananeras. Como consecuencia de las exigencias de los mercados internacionales, y con el objetivo de producir una fruta con óptimas calidades, su explotación implica fertilizantes, fungicidas, herbicidas, insecticidas y materiales para su empaque, como plásticos y estibas. La cantidad de sustancias aplicadas así como los sobrantes del mismo, deterioran las condiciones ambientales del suelo, el aire, el agua, la flora, la fauna y el paisaje. Igualmente, y a causa del estricto control de calidad, se generan más de 250 mil toneladas de fruta cada año, que no cumplen con el estándar requerido y terminan siendo desechadas en las mismas plantaciones.


Sumado a lo anterior, en la producción de banano se generan en el país cerca de 75 millones de vástagos al año, lo que equivale aproximadamente a unas 200 toneladas que son apiladas y, en el mejor de los casos, reintegradas a las plantaciones como materia orgánica, sin que sean previamente tratadas. Los problemas que originan los desechos vegetales no tratados se deben en su mayor parte al volumen, el peso y las dificultades de manipulación, que encarecen su eliminación y favorecen la producción de insectos, hongos y olores, en especial cuando son almacenados de forma incontrolada.


En los últimos quince años se han incrementado las investigaciones enfocadas a encontrar aplicaciones para los desechos vegetales, como alimento para animales, combustible, materia prima en procesos de compostaje o reforzante de materiales para la construcción. En este trabajo se estudió su potencial como materia prima, con el fin de obtener sustancias de alto valor económico y ambiental, en la elaboración de materiales adsorbentes de contaminantes.


Un material adsorbente es aquel que tiene la capacidad de retener moléculas de otra sustancia en las paredes de su superficie sólida; por esto se pueden emplear en la separación de contaminantes disueltos en una fase líquida, capturándolos en su superficie hasta cuando esté prácticamente llena.


La sustancia que se concentra en la superficie o se retiene se llama adsorbato y el material sobre el cual lo hace es el adsorbente. La mayor parte de estos últimos es un material altamente poroso y puede ser fabricado a partir de algunos residuos agroindustriales, vegetales y animales.


La adsorción es comúnmente confundida con la absorción, pero estos fenómenos son diferentes. La absorción es el proceso por el cual una sustancia ( molécula, átomos, iones o radiación) es atraída y retenida en el interior de otra y queda incorporada en la estructura del material absorbente, mientras que en la adsorción solo queda retenida en su superficie por alguna fuerza de atracción iónica, como si fuera un imán, según se muestra en la figura 3.



DOS PROBLEMAS


En este proyecto se afrontaron dos problemas ambientales: de un lado la alta generación de un residuo orgánico en el lugar de cosecha y, de otro, la inmovilización de un plaguicida de alta aplicación en las zonas bananeras para control de plagas; es así como se estudió la reutilización del vástago, esa parte de la planta donde crecen los racimos de la fruta que sobra en las cosechas, como adsorbente para retener en su superficie el fungicida clorotalonilo (2, 4, 5, 6 tetracloroisoftalonitrilo) (ver figuras 4a y 4b).


Uno de los aspectos fundamentales de la adsorción es que el material adsorbente posea abundante cantidad de poros, bien formados y estables, y una gran área de superficie que permita hacer la captura de los contaminantes de forma rápida y fuerte. Con este fin, se realizó un tratamiento térmico del vástago mediante una combustión con controles de temperatura, contenido de oxígeno y tiempo, lo que permitió obtener una sustancia denominada carbón activado, con características más apropiadas para la adsorción que el vástago crudo como se retira de la planta.


Comercialmente, los carbones activados son fabricados a partir de materiales orgánicos con alto contenido de carbono, denominados precursores (los más comunes son carbón mineral, madera, cortezas vegetales, conchas de animales, huesos y cáscaras de fruta). La selección del precursor depende de su disponibilidad y precio, y también se tiene en cuenta que se pueda obtener sin mezclas con otros residuos. El carbón activado preparado artificialmente cuenta con un elevado grado de porosidad, alta superficie interna y una naturaleza química en su superficie, lo que le da sus propiedades adsorbentes.


Para obtener el carbón activado del vástago de banano fue necesario hacer un análisis físico y químico. Entre otros análisis, se realizó el reconocimiento de la composición química, la presencia de sustancias con alto contenido de carbono y la humedad inicial del vástago. El residuo fue secado al aire y molido para obtener partículas con un tamaño inferior a los 2 milímetros, lo cual arrojó permitió obtener un material crudo picado y luego molido.


Una vez realizado el proceso físico de secado y molido, el vástago de banano crudo se transformó en un precursor con una forma más homogénea, se realizó el tratamiento térmico a temperaturas de entre 700 y 800ºC, en un reactor controlado a escala de laboratorio, en el cual se inyectó nitrógeno gaseoso para controlar el contenido de oxígeno. Finalmente se obtuvo un carbón activado con la apariencia que se observa en la figura 6, con mayor porosidad que el material original, menor tamaño de partícula y más área superficial para capturar las moléculas de un contaminante o sustancia.


Una vez obtenido este material adsorbente, denominado carbón activado de vástago de banano (CAVB), se realizó el análisis de su eficiencia como adsorbente. Para ello se emplearon dos contaminantes: un tinte denominado azul de metileno (en diferentes concentraciones) y el fungicida clorotalonilo, más conocido en el campo como Bravo o Daconil, uno de los más aplicados en la zona de Urabá, de forma aérea, para el control de la sigatoka negra, pues es un elemento tóxico y peligroso para hongos y otros microorganismos.


El paso siguiente fue probar la retención de los contaminantes (tinte y plaguicida) a escala de laboratorio para determinar el tiempo mínimo que tarda el CAVB para retener a su máxima capacidad ambas sustancias, que se encontraban disueltas en agua. Se halló que, con un tiempo de contacto de 15 minutos, el carbón activado elaborado a partir de vástago de banano puede capturar hasta un 99% del tinte y un 98% del plaguicida, logrando una retención del doble de lo que se logró capturar con un carbón activado comercial en el mismo experimento. Este resultado permite sugerir que es una buena opción para múltiples tratamientos contra la contaminación en la misma zona de producción del residuo. En las figuras 7a y 7b se observa parte del ensayo de laboratorio.


La verificación de la eficiencia del CAVB permite establecer sus aplicaciones, pues existen muchos filtros domésticos carbón activado, debido a que es un material estable, inerte y extremadamente poroso.


La filtración con materiales a base de carbono no es reciente. Se sabe que en la Antigüedad el grafito se utilizaba para filtrar el agua de bebida en la India, y que la madera carbonizada se usaba como adsorbente médico en el antiguo Egipto; sin embargo, el carbón activo producido de forma industrial como se conoce y se comercializa actualmente fue desarrollado desde los años treinta del siglo XX para eliminar el sabor y el olor del agua. Desde entonces se utiliza en muchas industrias para eliminar o recuperar de las aguas compuestos orgánicos como tintes o disolventes o para purificar el aire, así como en las plantas potabilizadoras, donde se usan para tratar el agua suministrable a la población.


Considerando lo anterior, el material elaborado y analizado en este proyecto se convierte en una opción asequible en múltiples actividades de filtración y retención de contaminantes de uso doméstico o industrial; sin embargo, se debe tener presente que, debido a que no elimina todas las sustancias disueltas, puede ser que no retenga algunos elementos como el calcio y el magnesio, que se disuelven de manera natural y proveen altos contenidos de sales al agua. No obstante, filtrar el agua doméstica con carbón activado permite eliminar problemas de sabor y olor debidos al cloro y otras partículas en suspensión. Además, proporciona mayor seguridad respecto a contaminantes no deseables, que podrían estar presentes en muy bajas cantidades en el líquido.

 


RESULTADOS

 

El estudio experimental demostró que el vástago residual del banano es apropiado para producir un carbón activado con condiciones favorables para ser empleado en la captura y retención de sustancias contaminantes como tintes y plaguicidas que se aplique en emulsiones y soluciones a base de agua como es el caso del clorotalonilo.

Igualmente se encontró que la eficiencia en captura del CAVB puede superar en un 15.85% a un carbón activado comercial. Este resultado es de gran importancia debido a que el precursor o la materia prima de la cual se fabricó el carbón activado en este estudio es un residuo de gran generación en una actividad agroindustrial importante para el país, con lo cual se abre la posibilidad de dar valor agregado a un material que no es considerado valioso dentro de dicha producción.


Algunas de las aplicaciones que pueden tener el material obtenido en este proyecto y que pueden ser exploradas en posteriores trabajos son:


  • Remoción de impurezas de aguas potables que generan en ella olor, sabor y color.

  • Tratamiento de agua en procesos industriales y residuales.


  • Purificación del aire y gases industriales.


  • Respiradores de cartucho para protecciones personales.


  • Eliminación de olores en lugares cerrados, como cocinas, bodegas y refrigeradores.


  • Adsorbente de etileno para evitar la maduración prematura de frutas y verduras.


  • Filtración de humo de chimeneas.


  • Retención de pesticidas con origen en actividades agrícolas o domésticas.




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