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Objetivos de aprendizaje

• Describir las fuentes y producción de carbón activado
• Describir la teoría de eliminación de químicos orgánicos
• Describir los tipos de aplicaciones donde se utiliza carbón activado
• Describir los métodos de eliminación y los métodos de regeneración del carbón activado

El carbón activado se usa comúnmente para adsorber compuestos orgánicos naturales, compuestos de sabor y olor, y productos químicos orgánicos sintéticos en el tratamiento del agua potable. La adsorción es el proceso físico y químico de acumular una sustancia en la interfaz entre las fases líquida y sólida.

Los filtros de carbón activado se utilizan para eliminar sabores no deseados, olores, radón y algunos contaminantes orgánicos volátiles artificiales del agua potable. La eficiencia de la unidad depende del tipo de carbón activado instalado, la profundidad del lecho filtrante, el tipo de contaminantes en el agua y su concentración, y el tiempo de contacto entre el agua y el filtro de carbón. Los filtros de carbón activado no adsorben todos los tipos de contaminantes igualmente bien.

El material sólido utilizado en un filtro de carbón activado es un carbón especializado fabricado para ese propósito. Los contaminantes se adhieren a la superficie de estos gránulos de carbono o quedan atrapados en los pequeños poros del carbón activado. Generalmente, se usa un filtro de carbón activado con un filtro de pretratamiento para eliminar sedimentos o partículas de hierro que pueden estar presentes y pueden obstruir el filtro de carbón.

El carbón activado granular es un filtro eficaz para eliminar los químicos orgánicos que pueden estar en el agua potable. Aunque el carbón activado es eficiente para eliminar una variedad de productos químicos orgánicos, una resina sintética especialmente formulada puede ser un mejor absorbedor para un contaminante específico.

A medida que las aguas superficiales continúan amenazadas por contaminantes industriales, las aguas subterráneas son cada vez más la fuente de aplicaciones potables y no potables, y es importante eliminar estas trazas de contaminantes orgánicos. El tratamiento de dichas aguas para la eliminación de contaminantes orgánicos varía en función de los usos previstos, sin embargo, en la mayoría de los casos, incluso las cantidades traza de los contaminantes requieren algún nivel de eliminación para cumplir con los requisitos de agua potable.

Las sustancias orgánicas están compuestas por dos elementos básicos, carbono e hidrógeno, y a menudo son responsables de problemas de sabor, olor y color en las aguas subterráneas. Como tal, el tratamiento se usa generalmente para mejorar el agua estéticamente objetable.

Las fuentes de compuestos orgánicos (COV, compuestos de sabor y olor, subproductos de desinfección y cloro libre) que se encuentran en las aguas subterráneas pueden incluir fugas de gasolina/tanques de almacenamiento subterráneos, escurrimiento agrícola que contiene herbicidas o pesticidas, desechos sólidos o vertederos de desechos peligrosos y desechados incorrectamente Residuos industriales/químicos.

La capacidad de los compuestos orgánicos para causar efectos en la salud varía mucho desde aquellos que son altamente tóxicos hasta aquellos sin efecto conocido para la salud. El alcance y la naturaleza del efecto sobre la salud dependerá de muchos factores, incluido el nivel de exposición y la duración del tiempo expuesto. Irritación ocular y respiratoria, dolores de cabeza, mareos, trastornos visuales y deterioro de la memoria se encuentran entre los síntomas inmediatos que algunas personas han experimentado poco después de la exposición a algunos orgánicos.

Las tecnologías más adecuadas para la eliminación de contaminantes orgánicos en aguas de proceso son el carbón activado granular (GAC) y la aireación.

GAC ha sido designado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) como la mejor tecnología disponible (BAT) para la eliminación de químicos orgánicos. La adsorción de carbón activado proporciona un tratamiento eficaz y confiable para eliminar contaminantes orgánicos y es adecuada para tratar una amplia gama de compuestos orgánicos en un amplio rango de concentraciones. La filtración GAC también eliminará el cloro.

La filtración GAC es reconocida por la Asociación de Calidad del Agua como un método aceptable para mantener ciertos contaminantes del agua potable dentro de los límites de las Normas Nacionales de Agua Potable de la EPA. Los compuestos orgánicos que son fácilmente adsorbidos por el carbón activado incluyen:

• Disolventes aromáticos (benceno, tolueno, nitrobencenos)
• Compuestos aromáticos clorados (PCB, clorobencenos, cloroaftaleno)
• Fenol y clorofenoles
• Compuestos aromáticos polinucleares (acenafteno, benzopirenos)
• Plaguicidas y herbicidas (DDT, aldrina, clordano, heptacloro)
• Alifáticos clorados (tetracloruro de carbono, éteres de cloroalquilo)
• Hidrocarburos de alto peso molecular (colorantes, gasolina, aminas, húmicos)

Varios tipos de GAC están disponibles para eliminar los orgánicos del agua, sin embargo, el carbono más utilizado en los EE. UU. Es el carbono a base de carbón debido a su dureza, capacidad de adsorción y facilidad de disponibilidad.

## Coagulación y Floculación

Las impurezas particuladas en el agua son el resultado de la erosión de la tierra, minerales disueltos y la descomposición del material vegetal. Las impurezas adicionales se agregan por la contaminación aerotransportada, las descargas industriales y los desechos animales. Es probable que las fuentes de agua superficial y el agua recuperada, contaminadas por las personas y la naturaleza, contengan material orgánico e inorgánico suspendido y disuelto, así como formas biológicas como bacterias y plancton. Con pocas excepciones, esta agua requiere tratamiento para eliminar las impurezas particuladas y el color antes de que se distribuya al consumidor.

## Coagulación

El término coagulación describe el efecto que se produce cuando se agregan ciertos químicos al agua cruda que contiene partículas de sedimentación lenta o insedimentables. Las partículas pequeñas comienzan a formar flóculos más grandes o más pesados, que se eliminan por sedimentación y filtración.

La mezcla del producto químico coagulante y el agua cruda a tratar se conoce comúnmente como mezcla flash. El propósito principal del proceso de mezcla rápida es mezclar rápidamente y distribuir equitativamente el producto químico coagulante en toda la columna de agua. Todo el proceso ocurre en muy poco tiempo (varios segundos), y los primeros resultados son la formación de partículas muy pequeñas.

### Coagulantes

En la práctica, los coagulantes químicos se denominan coagulantes primarios o coadyuvantes coagulantes. Los coagulantes primarios neutralizan las cargas eléctricas de las partículas, lo que hace que comiencen a agruparse. El propósito de los adyuvantes coagulantes es agregar densidad a los flóculos de sedimentación lenta y agregar tenacidad para que el flóculo no se rompa en los procesos que siguen.

Las sales metálicas como el sulfato de aluminio, el sulfato férrico, el sulfato ferroso y los polímeros orgánicos sintéticos se usan comúnmente como químicos de coagulación en el tratamiento del agua, ya que son efectivos, relativamente bajos en costo, disponibles y fáciles de manejar, almacenar y aplicar.

Cuando se agregan sales metálicas, como sulfato de aluminio o sulfato férrico, al agua, se producen una serie de reacciones con el agua y con otros iones en el agua. Se deben agregar cantidades químicas suficientes al agua para superar el límite de solubilidad del hidróxido metálico, dando como resultado la formación de un precipitado (flóculo). El flóculo resultante formado se adsorberá entonces sobre las partículas (turbidez) en el agua.

Los polímeros orgánicos sintéticos utilizados en el tratamiento del agua consisten en cadenas largas de pequeñas subunidades, llamadas monómeros. Las cadenas poliméricas pueden ser estructuras lineales o ramificadas, que varían en longitud desde una fracción de micra hasta 10 micrones. El número total de monómeros en un polímero sintético cn se puede variar para producir materiales de diferentes pesos moleculares, los cuales varían de aproximadamente 100 a 10,000,000. Los polímeros catiónicos tienen una carga eléctrica positiva, los polímeros aniónicos tienen una carga negativa y los polímeros no iónicos no tienen carga eléctrica.

Los polímeros normalmente utilizados en el tratamiento del agua contienen grupos ionizables en las unidades monoméricas y se denominan polielectrolitos. Los polímeros con grupos cargados positivamente en las unidades monoméricas se denominan polielectrolitos catiónicos, mientras que los polímeros con partículas cargadas negativamente se denominan polielectrolitos aniónicos. Los polímeros sin grupos ionizables se denominan polímeros no iónicos.

Los polímeros catiónicos tienen la capacidad de adsorberse sobre partículas cargadas negativamente, turbidez y neutralizar su carga. También pueden formar un puente entre partículas que recoge las partículas. Los polímeros aniónicos y no iónicos también forman puentes entre partículas, que ayudan a recoger y eliminar partículas del agua.

Si bien el alumbre es quizás el químico coagulante más utilizado, los polímeros catiónicos se utilizan en el campo del tratamiento de agua como coagulante primario y como coadyuvante coagulante. Los polímeros aniónicos y no iónicos también han demostrado ser efectivos en ciertas aplicaciones como adyuvantes coagulantes y auxiliares de filtro.

La teoría de la coagulación es compleja. La coagulación es una reacción física y química que se produce entre la alcalinidad del agua y el coagulante agregado al agua, lo que resulta en la formación de flóculos insolubles.

Para un coagulante específico, el pH del agua determina qué especies de hidrólisis predominan después de mezclar el químico con el agua a tratar. Los valores de pH más bajos tienden a favorecer las especies cargadas positivamente, que son deseables para reaccionar con coloides y partículas con carga negativa, formar flóculos insolubles y eliminar impurezas del agua.

Generalmente se añaden polímeros en el proceso de coagulación para estimular o mejorar la formación de flóculos insolubles.

Generalmente, el operador no tiene control sobre el pH y la alcalinidad del agua fuente. Por lo tanto, la evaluación de estos indicadores de calidad del agua puede desempeñar un papel importante en la selección del tipo de coagulantes químicos que se utilizarán en una planta de tratamiento de agua en particular, o en el cambio del tipo de coagulante normalmente utilizado si se producen cambios significativos en el pH y la alcalinidad en el agua cruda.

En algunos casos, la alcalinidad natural en el agua cruda puede ser demasiado baja para producir una precipitación completa de alumbre. En estos casos, a menudo se agrega cal para asegurar una precipitación completa. Se debe tener cuidado para mantener el pH dentro del rango deseado.

La sobredosificación, así como la subdosificación de coagulantes, pueden conducir a una reducción de la eficiencia de eliminación de sólidos. Esta condición se puede corregir realizando cuidadosamente pruebas de tarro y verificando el rendimiento del proceso después de realizar cualquier cambio en la operación del proceso de coagulación.

## Floculación

La floculación es un proceso lento de agitación que provoca la acumulación de partículas pequeñas coaguladas en partículas más grandes y sedimentables. El proceso de floculación proporciona contacto entre las partículas para promover su recolección en flóculos para facilitar su eliminación por sedimentación y filtración. Generalmente, estos contactos o colisiones entre partículas son el resultado de la agitación gentil creada por un medio mecánico o hidráulico de mezcla.

Un proceso de floculación eficiente implica la selección del tiempo de agitación adecuado, el tiempo de detención, la intensidad de agitación adecuada, un recipiente de forma adecuada para una mezcla uniforme y equipo mecánico u otros medios para crear la acción de agitación. La mezcla insuficiente dará como resultado colisiones ineficaces y mala formación de flóculos. La mezcla excesiva puede desgarrar las partículas floculadas después de que se hayan agrupado.

La adsorción es la acumulación de un gas, líquido o sustancia disuelta en la superficie o zona de interfaz de otro material. Este proceso elimina los compuestos productores de sabor y olor porque los compuestos se adhieren al material agregado al agua para ese propósito. En el tratamiento del agua, este material es carbón activado en polvo (PAC) o carbón activado granular. Se agrega PAC al proceso de tratamiento en el afluente, y se usa GAC como medio de filtro. El material que se elimina por adsorción se conoce como el adsorbato y el material responsable de la eliminación se conoce como el adsorbente.

Los adsorbentes primarios para el tratamiento del agua son los dos tipos de carbón activado. Estos materiales son activados por un proceso que implica tratamiento con vapor a alta temperatura y alta presión. La fuente original del carbono puede ser madera, carbón, cáscaras de coco o huesos. El propósito del proceso de activación es aumentar significativamente la superficie de las partículas para que pueda tener lugar más adsorción por libra de carbono.

La naturaleza de la estructura porosa del compuesto de carbono que se utiliza ejercerá un efecto significativo en el éxito del proceso de tratamiento. Si los poros del carbono son demasiado pequeños, los compuestos que se están tratando no podrán ingresar a la estructura y solo se utilizará una pequeña porción de la superficie disponible para el tratamiento. Los procesos de activación producen carbonos con diferentes áreas superficiales. Debido a que la adsorción es un fenómeno superficial, los carbonos con superficie ralladora generalmente proporcionan una mayor capacidad de adsorción.

El carbón activado se clasifica típicamente sobre la base del índice de fenol o índice de yodo. Cuanto mayor sea el valor, mayor será la capacidad de adsorción del carbono para fenol o yodo. Esta estrategia es un excelente enfoque para evaluar la efectividad del carbono para la eliminación de fenol o yodo. Sin embargo, no existe una relación directa entre los compuestos que causan problemas de sabor y olor y la eliminación de fenol o yodo. Solo probando varios carbonos para una eliminación efectiva de sabores u olores objetables se puede hacer una buena comparación para una aplicación particular.

La adsorción de carbón activado en polvo es la técnica más común utilizada específicamente para el control del sabor y el olor en plantas de tratamiento de agua. Este uso generalizado se debe en gran parte a su acción inespecífica sobre una amplia gama de compuestos que causan sabor y olor. El tratamiento con PAC tiene limitaciones, y su efectividad y tasa de dosis requerida varía ampliamente de planta a planta.

El carbón activado en polvo se puede aplicar al agua en cualquier punto del proceso de tratamiento antes de la filtración. Debido a que el carbono debe entrar en contacto con el material a eliminar para que se produzca la adsorción, es ventajoso aplicar PAC en las instalaciones de mezcla de la planta. El carbón activado en polvo suele ser menos efectivo para eliminar compuestos después de la cloración, por lo que es deseable la aplicación aguas arriba del tratamiento con cloro. El cloro reaccionará con el carbono y neutralizará los efectos del cloro y la adsorción por el carbono.

El carbón activado en polvo a menudo se aplica en la mezcladora flash de la planta. Esta ubicación proporciona una mezcla inicial de alta velocidad y el mayor tiempo de contacto a través de la planta. Para la efectividad del PAC es necesario mezclar minuciosamente y un largo tiempo de contacto. Otra ubicación común para la aplicación PAC es el afluente del filtro. Si bien el tiempo de contacto y la mezcla se reducen drásticamente en comparación con las aplicaciones de mezcla flash, este método garantiza que el agua pase a través de una capa PAC antes de liberarse al sistema de distribución. Este procedimiento se utiliza con el tratamiento KMnO4 para evitar problemas de agua coloreada en el sistema de distribución.

Cuando se usa PAC, las dosis pueden variar de 1 a 15 mg/L, la literatura indica que se han requerido hasta 100 mg/L para tratar adecuadamente algunos problemas graves de sabor y olor. A dosis muy altas, los costos del tratamiento se vuelven prohibitivos y la consideración del tratamiento con carbón activado granular en el filtro se convierte en una opción.

El uso de carbón activado en polvo para la eliminación del sabor y el olor puede interferir con el rendimiento del filtro en una planta de tratamiento de agua. El apelmazamiento de PAC en la superficie de los filtros puede causar corridas de filtro sustancialmente más cortas de lo esperado. Si esto ocurre, los ajustes para mejorar la eliminación de PAC en el proceso de sedimentación pueden aumentar la longitud efectiva de la filtración. Una ventaja añadida de optimizar el proceso de sedimentación es la eliminación física de los compuestos de sabor y olor con el lodo sedimentado.

El carbón activado se usa comúnmente para adsorber compuestos orgánicos naturales, compuestos de sabor y olor, y productos químicos orgánicos sintéticos en el tratamiento del agua potable. La adsorción es el proceso físico y químico de acumular una sustancia en la interfaz entre las fases líquida y sólida. El carbón activado es un adsorbente efectivo porque es un material altamente poroso y proporciona una gran superficie a la que los contaminantes pueden adsorberse. Los dos tipos principales de carbón activado utilizados en aplicaciones de tratamiento de agua son el carbón activado granular (GAC) y el carbón activado en polvo (PAC).

Las dos opciones más comunes para ubicar una unidad de tratamiento de GAC en plantas de tratamiento de agua son: (1) adsorción post-filtración, donde la unidad GAC se ubica después del proceso de filtración convencional (contactores o adsorbedores post-filtro); y (2) filtración-adsorción, en la que algunos o todos los medios filtrantes en un filtro de medios granulares se sustituye por GAC.

En aplicaciones de post-filtración, el contactor GAC recibe agua de la más alta calidad y, por lo tanto, tiene como único objetivo la eliminación de compuestos orgánicos disueltos. El lavado a contracorriente de estos adsorbentes suele ser innecesario, a menos que se produzca un crecimiento biológico excesivo. Esta opción proporciona la mayor flexibilidad para manejar GAC y para diseñar condiciones de adsorción específicas al proporcionar tiempos de contacto más largos que los adsorbedores de filtro.

Los factores principales para determinar el volumen requerido del contactor GAC son: (1) avance, (2) tiempo de contacto de lecho vacío (EBCT) y (3) caudal de diseño. El tiempo de avance es el momento en que la concentración de un contaminante en el efluente de la unidad GAC excede el requerimiento de tratamiento. Como regla general, si la concentración de efluentes de GAC es mayor que el estándar de desempeño por más de tres días consecutivos, el GAC se agota y debe ser reemplazado/regenerado. El EBCT se calcula como el volumen de lecho vacío dividido por el caudal a través del carbono. Los EBCT más largos se pueden lograr aumentando el volumen del lecho o reduciendo el caudal a través del filtro. El EBCT y el caudal de diseño definen la cantidad de carbono a contener en las unidades de adsorción. Un EBCT más largo puede retrasar el avance y reducir la frecuencia de sustitución/regeneración de GAC. La profundidad de carbono y el volumen del adsorbente se pueden determinar una vez que se establece el EBCT óptimo. Los EBCT típicos para aplicaciones de tratamiento de agua varían entre 5 y 25 minutos.

La tasa de carga superficial para los filtros GAC es la velocidad de flujo a través de un área dada del lecho filtrante GAC y se expresa en unidades de gpm/ft2. Las tasas de carga superficial para los filtros GAC suelen oscilar entre 2 y 10 gpm/ft2. Se pueden usar altas tasas de carga superficial cuando los compuestos altamente adsorbibles (como los SOC) están dirigidos a la eliminación. La velocidad de carga superficial no es importante cuando la transferencia de masa está controlada por la velocidad de adsorción, como es el caso de los compuestos menos adsorbibles.

La tasa de uso de carbono (CUR) determina la velocidad a la que se agotará el carbono y la frecuencia con la que se debe reemplazar o regenerar el carbono. La efectividad del tratamiento con carbono mejora al aumentar los tiempos de contacto. Los lechos más profundos aumentarán el porcentaje de carbono que se agota al momento del avance. La profundidad y el volumen óptimos del lecho se seleccionan típicamente después de evaluar cuidadosamente los costos de capital y operación asociados con la frecuencia de reactivación y los costos de construcción del contactor.

Dependiendo de la economía, las instalaciones pueden tener sistemas de regeneración in situ o fuera del sitio o pueden desperdiciar carbono gastado y reemplazarlo por nuevo. El GAC gastado debe eliminarse reconociendo que los contaminantes pueden ser desorbidos, lo que potencialmente puede resultar en la lixiviación de contaminantes del GAC gastado cuando se expone a agua filtrante, suelos contaminantes o aguas subterráneas. Debido a preocupaciones de contaminación, la regeneración de GAC gastada suele ser favorecida sobre la eliminación. Los tres métodos de regeneración de GAC más comunes son vapor, térmica y química; de los cuales la regeneración térmica es el método más común utilizado. Las tecnologías de regeneración térmica disponibles utilizadas para eliminar los compuestos orgánicos adsorbidos del carbón activado incluyen: (1) hornos eléctricos de infrarrojos, (2) hornos de lecho fluidizado, (3) hornos de solera múltiple y (4) hornos rotativos.

## Preguntas de revisión

1. Describir las fuentes y producción de carbón activado.
2. Describir la teoría de remoción química orgánica.
3. Describir los tipos de aplicaciones donde se utiliza carbón activado.
4. Describir los métodos de eliminación y los métodos de regeneración del carbón activado.

## Preguntas de prueba

1. ______ es el proceso físico y químico de acumular una sustancia en la interfaz entre las fases líquida y sólida.
1. Absorción
3. Oxidación
4. Estabilización
2. Las tecnologías más adecuadas para la eliminación de contaminantes orgánicos en aguas de proceso son ______ y _______.
1. Oxidación, reducción
2. Coagulación, floculación
3. _______ es la recolección de un gas, líquido o sustancia disuelta en la superficie o zona de interfaz de otro material.
4. Absorción
6. Oxidación
7. Estabilización
8. El carbón activado se clasifica típicamente sobre la base del _________. Cuanto mayor sea el valor, mayor será la capacidad de adsorción del carbono para fenol o yodo.
2. Número de absorción
3. Número de sabor y olor
4. Número de fenol o número de yodo
9. _________ se usa comúnmente para adsorber compuestos orgánicos naturales, compuestos de sabor y olor, y productos químicos orgánicos sintéticos en el tratamiento del agua potable.
1. Oxidación
2. Coagulación
3. Absorción