Carvão ativado (CA) refere-se aos materiais altamente carbonáceos com alta porosidade e capacidade de sorção produzidos a partir da madeira, cascas de coco, carvão e cones, etc. O CA é um dos adsorventes frequentemente utilizados em várias indústrias para a remoção de numerosos poluentes de corpos de água e ar. Uma vez que, o CA sintetizado a partir de produtos agrícolas e resíduos, provou ser uma ótima alternativa às fontes não renováveis e caras tradicionalmente usadas. Para a preparação do CA, dois processos básicos, carbonização e ativação, são usados. No primeiro processo, os precursores são submetidos a altas temperaturas, entre 400 e 850 °C, para expelir todos os componentes voláteis. A alta temperatura elevada remove todos os componentes não carbono do precursor, como hidrogênio, oxigênio e nitrogênio na forma de gases e alcatrões. Este processo produz carvão com alto teor de carbono, mas baixa área superficial e porosidade. No entanto, a segunda etapa envolve a ativação do carvão previamente sintetizado. O aumento do tamanho dos poros durante o processo de ativação pode ser categorizado em três: abertura de poros anteriormente inacessíveis, desenvolvimento de novos poros por ativação seletiva e alargamento de poros existentes.
Geralmente, duas abordagens, física e química, são usadas para ativação a fim de obter a área de superfície e a porosidade desejadas. A ativação física envolve a ativação de carvão carbonizado usando gases oxidantes, como ar, dióxido de carbono e vapor, em altas temperaturas (entre 650 e 900 °C). O dióxido de carbono é geralmente preferido devido à sua natureza pura, fácil manuseio e processo de ativação controlável em torno de 800 °C. Alta uniformidade de poros pode ser obtida com ativação de dióxido de carbono em comparação com vapor. No entanto, para ativação física, o vapor é muito preferível em comparação ao dióxido de carbono, uma vez que CA com área de superfície relativamente alta pode ser produzido. Devido ao menor tamanho da molécula de água, sua difusão dentro da estrutura do carvão ocorre de forma eficiente. A ativação por vapor foi encontrada ser cerca de duas a três vezes maior do que a de dióxido de carbono com o mesmo grau de conversão.
No entanto, a abordagem química envolve a mistura do precursor com agentes ativadores (NaOH, KOH e FeCl3, etc.). Esses agentes ativadores atuam como oxidantes e também como agentes desidratantes. Nessa abordagem, a carbonização e a ativação são realizadas simultaneamente a uma temperatura comparativamente mais baixa (300-500 °C) em comparação com a abordagem física. Como resultado, a decomposição pirolítica é efetuada, resultando na expansão de uma estrutura porosa aprimorada e em alto rendimento de carbono. As principais vantagens da abordagem química em relação à física são a baixa exigência de temperatura, estruturas com alta microporosidade, grande área superficial e tempo de conclusão da reação minimizado.
A superioridade do método de ativação química pode ser explicada com base em um modelo proposto por Kim e seus colaboradores [1], segundo o qual vários microdomínios esféricos responsáveis pela formação de microporos são encontrados no CA. Por outro lado, os mesoporos são desenvolvidos nas regiões intermicrodomínios. Experimentalmente, eles formaram carvão ativado a partir de resina à base de fenol por ativação química (usando KOH) e física (usando vapor) (Figura 1). Os resultados mostraram que o CA sintetizado pela ativação de KOH possuía alta área de superfície de 2878 m2/g em comparação com 2213 m2/g pela ativação a vapor. Além disso, outros fatores, como tamanho do poro, área de superfície, volume do microporo e largura média do poro, foram considerados melhores em condições ativadas por KOH em comparação com as ativadas por vapor.
Diferenças entre CA preparado a partir da ativação por vapor (C6S9) e ativação por KOH (C6K9), respectivamente, explicadas em termos de modelo de microestrutura.
Dependendo do tamanho da partícula e do método de preparação, ele pode ser categorizado em três tipos: CA energizado, CA granular e CA de esferas. O CA energizado é formado por grânulos finos com tamanho de 1 mm e diâmetro médio de 0,15 a 0,25 mm. O CA granular tem tamanho comparativamente maior e menor área de superfície externa. O CA granular é usado para várias aplicações em fase líquida e gasosa, dependendo de suas proporções dimensionais. Terceira classe: o CA de esferas é geralmente sintetizado a partir do piche de petróleo com diâmetro variando de 0,35 a 0,8 mm. É conhecido por sua alta resistência mecânica e baixo teor de poeira. É amplamente utilizado em aplicações de leito fluidizado, como filtragem de água, devido à sua estrutura esférica.
Data de publicação: 18/06/2022