La investigadora Ana María Carvajal captó los compuestos contaminantes con carbón activado en presentación granulada. Crédito: Nicolás Bojacá / Unimedios

La búsqueda de poderosos elementos para retirar metales pesados, gases y toxinas –entre otros desechos contaminantes– tanto de ríos, lagunas y quebradas como del aire, conduce a la misma naturaleza. Productos considerados como desechos se han convertido en un recurso óptimo para obtener carbón activado, un sólido poroso cuya elevada capacidad de adsorción y remoción lo reviste de capacidades purificadoras.

En el caso colombiano, la zoca y el “cuncho” del café, el bagazo de la caña de azúcar, las cáscaras de naranja, las tusas del maíz o las cortezas de coco han sido la materia prima de varios estudios adelantados en la Universidad Nacional de Colombia (UN), cuyo objetivo es ofrecer alternativas más sostenibles y económicas a la afectación provocada en las fuentes hídricas por las fábricas de pinturas, jabones, esmaltes, cosméticos y recubrimientos, entre otros productos.

Uno de los aportes más recientes es el de la investigadora Ana María Carvajal, estudiante del Doctorado en Ciencias Química de la un Sede Bogotá, quien ha dado un paso más allá: modificó el carbón activado de la cáscara de coco para incrementar su capacidad de adsorción. Después probó su eficacia en compuestos con gran potencial contaminante como 2,4-dinitrofenol, o ácido pícrico, usado en la fabricación de explosivos, y 4-nitrofenol, generado en procesos químicos como el fraccionamiento del petróleo, la producción de caucho, pinturas y plásticos, y el tratamiento de madera y pulpa de papel.

Así mismo el carbón mejorado se ensayó con hidrocarburos como pentano, hexano, heptano, octano y nonano, compuestos orgánicos volátiles presentes en la gasolina y que aportan a la contaminación del aire, principalmente en áreas urbanas, ocasionando cada vez más problemas respiratorios.

“Debido a la amplia gama de productos derivados del petróleo no ha sido posible evaluar la contaminación involucrada desde la fase de explotación hasta que se obtienen tales compuestos orgánicos fenólicos”, afirma la investigadora, quien agrega que “estos compuestos se incorporan en la atmósfera y en las fuentes de agua con una gran carga contaminante. No pueden ser extraídos mediante tratamientos sencillos, pues permanecen en el agua afectando su sabor y generando daños al ecosistema”.

Así mismo el carbón mejorado se ensayó con hidrocarburos como pentano, hexano, heptano, octano y nonano, compuestos orgánicos volátiles presentes en la gasolina.

El Estudio nacional del agua, publicado en 2015 por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (Ideam), destaca que “la afectación a la calidad del agua, expresada en cargas contaminantes de material biodegradable, no biodegradable, nutrientes, metales pesados y mercurio se concentra en cerca de 150 municipios que incluyen ciudades como Bogotá, Medellín, Cali, Barranquilla, Cartagena, Cúcuta, Villavicencio, Manizales y Bucaramanga. Además, la materia orgánica no biodegradable, es decir sustancias químicas, se estima en 918.670 toneladas al año, siendo Bogotá, Cali, Medellín y Cartagena los principales aportantes”.

Expuesto a temperaturas extremas

La doctoranda explica que para transformar la cáscara de coco en carbón se somete a un proceso de activación, el cual consiste en pasar el material por una corriente de nitrógeno a una temperatura de entre 400 y 900 oC, o por una corriente de dióxido de carbono (CO2), para generar la porosidad.

“Este tipo de sólido consta de estructuras grafénicas, es decir anillos aromáticos puestos en capas. En los bordes de cada capa se ubican compuestos nitrogenados y oxigenados, los cuales modifican la química superficial del carbón activado y las capas de estructuras grafénicas generan la porosidad”, detalla.

En la segunda modificación se utilizó ácido fosfórico, también a temperatura ambiente, para desarrollar cadenas de polifosfato en la superficie.

Tales caminos están categorizados según su tamaño: los ultramicroporosos son inferiores a 0,7 nanómetros; los microporosos, que realizan la mayor adsorción, miden 20 nanómetros; y los macroporosos y los mesoporosos son las cavidades más grandes, por las que entran los contaminantes.

Modificado con nitrógeno

Para aumentar la capacidad de adsorción del carbón de coco se realizaron modificaciones a la superficie del material. La primera consistió en impregnarlo con una solución concentrada de ácido nítrico, para incrementar la cantidad de oxígeno.

A diferencia de otros estudios, en el de la doctoranda Carvajal la impregnación se hizo a temperatura ambiente (18 oC), ya que este ácido es un potente oxidante que puede afectar la estructura porosa del carbón. En la segunda modificación se utilizó ácido fosfórico, también a temperatura ambiente, para desarrollar cadenas de polifosfato en la superficie.

De igual manera, la investigadora destaca que para obtener un producto con mayor cantidad de compuestos nitrogenados –ya que el nitrógeno cuenta con electrones que podrían potencializar la adsorción de los compuestos– se utilizó el carbón que había sido impregnado con ácido nítrico y se “funcionalizó” con una solución de hidróxido de amonio.

Las tres pruebas se realizaron para incrementar el con­tenido de grupos funcionales oxigenados y nitrogenados. Además se hicieron tres modificaciones para disminuir la cantidad de estos grupos, a través de carbonizaciones a 800, 900 y 1.000 oC de la muestra original del carbón activado de cáscara de coco.



Para obtener el carbón activado se someten las cáscaras de coco a temperaturas extremas. Crédito: Nicolás Bojacá / Unimedios

Una vez obtenido el material se procedió a preparar los compuestos fenólicos (en fase líquida) y los hidrocarburos (en fase gaseosa) a diferentes concentraciones. Después se aplicó el modelo conocido como “isotermas de adsorción”, a temperaturas de 10, 20 y 30 oC, con el fin de evaluar el efecto de estas en la capacidad de adsorción de los carbones y determinar la cantidad de energía involucrada en cada uno de los procesos.

Así, se encontró que en 4-nitrofenol y 2,4-dinitrofenol las carbonizaciones incrementaron la capacidad de adsorción del carbón activado entre el 10 y el 25 %, mientras que en los hidrocarburos volátiles fueron de entre el 23 y el 44 %.

Mercado con potencial

Desde 2005 la demanda de carbón activado en Colombia ha estado entre 900 y 1.300 toneladas por año, y la mayor parte ha sido abastecida por importaciones. Si bien el país cuenta con una planta de carbón activado (Carbón Activado Sulfoquímica s.a., ubicada en Itagüí), su producción no satisface la creciente demanda del mercado.

Aprovechar la cáscara de coco, considerada como un residuo, para aumentar la producción de carbón activado y aportar a la descontaminación, podría potencializar este mercado en el país, al tiempo que contribuye a conservar el recurso hídrico.

Con estos hallazgos se observa cómo las alteraciones en la química superficial y la estructura microporosa del carbón activado influyen en la adsorción de determina­dos compuestos. “Esto nos ayuda a saber qué tipo de modificaciones se deben hacer según el contaminante que quiera removerse de las fuentes de agua o del aire, para obtener un mayor desempeño y llevar a cabo la pu­rificación de manera exitosa”, concluyó la investigadora.

Escrito por: Vanessa Cardona Pérez Unimedios Bogotá