O carvão ativado é um material carbonáceo de origem natural cuja estrutura contém uma grande quantidade de poros de diversos tamanhos, o que lhe confere uma elevadíssima área superficial interna e consequentemente alta capacidade de retenção de contaminantes dissolvidos em líquidos ou gases através do processo de adsorção, podendo o material ser de origem mineral ou vegetal.  

Carvão de origem mineral pode ser proveniente de vários tipos de matéria-prima (carvões betuminosos, de lignite, etc.), que são extraídos de minas de carvão e passam pelo processo de ativação, para se obter o produto final com determinadas características específicas.

Já o carvão de origem vegetal (madeira, turfa, caroço de azeitona, casca de coco, etc) são carbonizados para se transformarem em carvão, passando este material depois pelo processo de ativação, e eventualmente tratamento químico final. A porosidade e as características absortivas de determinado grau de carvão ativado são dependentes da matéria-prima utilizada e do tipo de ativação e tratamento final a que ela é sujeita, sendo diferentes graus de carvão utilizados em cada aplicação específica.

De acordo com Pedro Paixão, representante da Cabot, a ativação de carvão, é um processo que consiste basicamente em exponencializar a quantidade de poros existentes na sua estrutura. Após a ativação podem ainda haver tratamentos químicos posteriores para aperfeiçoar determinada característica final (impregnação para se obter melhor afinidade relativamente a determinado contaminante específico, lavagem para maior pureza do produto final, acerto de pH ou neutralização).

Visto que o carvão possui tantos poros, sua enorme área de superfície fornece vários lugares de ligação. A adsorção pode ocorrer de duas maneiras: química ou física. A adsorção química ou quimissorção ocorre por meio de ligações químicas, principalmente covalentes, e a adsorção física ou fisissorção ocorre por meio de interações intermoleculares do tipo Van der Waals, como a força de dipolo induzido e a de dipolo permanente.

Desta forma, o carvão ativado é usado em uma infinidade de áreas com o objetivo de remover cor e odor de determinados materiais por meio da adsorção. Algumas dessas áreas são: purificação de água, tratamento do ar contra gases poluidores, como em filtros de indústrias; no tratamento de resíduos industriais, como a reciclagem de águas industriais; na indústria farmacêutica, na indústria química, tratamento de efluentes, catálise, na indústria alimentícia e na adsorção de gases, sendo que um exemplo muito comum é o retirar odores de geladeiras.

De acordo com Luciano Barche, gerente de vendas da Clarimex, o carvão ativado é um material poroso, obtido através de todo tipo de material que contenha em sua composição Carbono. Desde os tempos remotos os egípcios descobriram que o carvão de madeira poderia ser utilizado para purificar outros produtos e inclusive usar para fins medicinais. 

"Na atualidade, o carvão ativado é utilizado para remover cor, odor e sabor de uma infinidade de produtos, os quais podemos encontrar em aplicações simples como em filtros de refrigerador até sistemas industriais complexos, modernas plantas de tratamento de águas e efluentes ou delicados sistemas de elaboração de antibióticos", completa Barche. 

De acordo com o representante da Clarimex, o processo de adsorção ocorre em quatro etapas. A primeira delas é o transporte no seio da solução envolvendo o movimento do material (substância) a ser adsorvido (adsorvato) através do seio da solução líquida para a camada-limite ou filme fixo de líquido existente ao redor da partícula sólida do adsorvente. A segunda etapa é o transporte por difusão através da camada limite, corresponde ao transporte do adsorvato por difusão através da camada limite até a entrada dos poros do adsorvente (difusão externa). 

Em seguida temos o transporte através dos poros que envolve o transporte do adsorvato através dos poros da partícula por uma combinação de difusão molecular através do líquido contido no interior dos poros e difusão ao longo da superfície do adsorvente (difusão interna). Por fim, a adsorção, ligação do adsorvato em um sítio disponível do adsorvente, envolvendo vários mecanismos, tais como: adsorção física, adsorção química, troca iônica, precipitação, complexação. 

As características específicas dos distintos tipos de carvões ativados dependem principalmente da matéria prima e do processo de ativação utilizado. Barche explica que é importante mencionar que uma mesma matéria prima que seja ativada por processos distintos, dará como resultado carvões com propriedades diferentes. Praticamente qualquer material com alto conteúdo de carbono é suscetível de ativar.

"O processo de ativação consiste basicamente em reordenar os átomos de carbono em anéis tipo benzeno para conseguir uma estrutura cristalina retícular similar à do grafite, ou seja, a ativação consiste em "multiplicar" a quantidade de poros de um carvão dando como resultado uma estrutura extremadamente porosa de grande área superficial disponível para realizar o processo de adsorção de impurezas que provocam odor, cor ou sabor indesejável", enfatiza Barche. 

Para ter uma adsorção de contaminantes com elevada eficiência e a purificação acontecer de forma efetiva, é necessário que o carvão tenha uma grande área superficial interna, tendo na sua constituição uma grande quantidade de poros adequados aos tipos de contaminações específicas que se pretendem remover. A característica porosa do carvão mais adequada a cada caso específico consegue-se através da seleção das melhores matérias-primas e de processos de ativação de excelência (ativação física por vapor, ou ativação química por ácido fosfórico).

A adsorção física é a mais comum e ocorre de forma eficiente quando o carvão selecionado é formado por poros cujo tamanho é adequado ao peso molecular do contaminante a reter substâncias adsorvíveis de alto peso molecular (contaminantes orgânicos que provocam cores escuras em líquidos) são eficientemente retidas em poros grandes de carvões meso- / macro-porosos. Por outro lado, substâncias de baixo peso molecular (contaminantes orgânicos que provocam odores em líquidos ou gases) são eficientemente retidas em poros de tamanho menor de carvões mais micro-porosos. 

A adsorção química ocorre quando é uma troca de elétrons que determina a retenção de contaminantes à superfície do carvão ativado (remoção de cloro de água potável, remoção de H₂S e mercaptanos de biogás ou de ar contaminado de estações de efluentes, remoção de mercúrio de gás natural, etc). Nestes casos podem eventualmente usar-se carvões impregnados com determinado material que lhe confere maior afinidade ao contaminante específico que se pretende remover, facilitando essa "reação" entre o contaminante e a superfície do carvão e otimizando assim a eficiência de purificação.

"O Carvão Ativado, na maioria das vezes, é composto apenas pelo elemento químico carbono e é utilizado como elemento constituinte de processos de filtragem. A adsorção é a captura de moléculas, normalmente macro moléculas orgânicas, pelos poros característicos do carvão ativado", completa Paulo Puterman, Phd em Biotecnologia e diretor da 120PW. 

Barche ressalta que é importante mencionar, que um dos principais uso do carvão é para retirar cloro da água, e neste caso não ocorre adsorção e sim reação do Cl com o Carbono do carvão. O ácido hipocloroso se dissocia na água para formar o íon hipoclorito (OCl-).  Esta é a forma ativa de desinfecção do cloro livre. 

O carvão ativado normalmente é utilizado para adsorver e reter compostos orgânicos dissolvidos na água, que proporcionam cor, odor e/ou sabor. No caso da decloração, esta não ocorre por adsorção, e sim mediante uma reação química que remove o ácido hipocloroso. "Esta reação é relativamente rápida, a concentração de cloro pode reduzir  a  metade em  poucos segundos e eliminar até 99% em menos de 60 segundos em um carvão ativado virgem", completa.

Na remoção de cloraminas, o ácido hipocloroso foi usado durante muitos anos como o principal desinfetante, sem dúvida, é um forte agente oxidante que reage com a matéria orgânica dissolvida na água e forma os trihalometanos (THM´s), considerados como compostos cancerígenos. O carvão ativado remove tanto as cloraminas como o ácido hipocloroso, porém as cloraminas requerem de um maior tempo de contato. As cloraminas podem estar presentes como mono, di e tri cloraminas. Em níveis normais de pH a monocloramina predomina na água.

De acordo com Paixão, o uso de carvão ativado pode oferecer grandes vantagens, entre elas está a grande afinidade para orgânicos dissolvidos, normalmente quanto mais hidrofóbicos melhor será a taxa de adsorção e consequentemente a eficácia de purificação de determinado fluido, trata-se de um produto de origem natural, ou seja, amigo do ambiente e disponível em diversas formas de acordo com o tipo de aplicação industrial: carvão ativado em pópara, carvão ativado granular e carvão ativado extrudado. 

No primeiro caso, a dosagem e homogeneização são com o fluido em processos por batelada, sendo posteriormente separado o carvão com os contaminantes retidos nos seus poros do fluido purificado através de determinado processo de separação, como decantação, filtração etc.

O carvão ativado granular para enchimento de filtros de leito fixo que operam em contínuo, sendo esse leito substituído por um novo carvão virgem ou reativado após saturação, momento em que todos os poros estão preenchidos e começa a haver passagem de contaminantes na corrente após o carvão. 

Por fim, o carvão ativado extrudado, são pellets disponíveis em diversos diâmetros e implicam maior dureza do material, bem como a garantia de menor perda de carga no leito ao longo da operação. Este tipo de carvão ativado funciona da mesma forma que o carvão granular, isto é, operação contínua em leitos fixos.

Por se tratar de um material inflamável e como tal, por razões de segurança, o seu manuseio exige alguns cuidados específicos para que não ocorram riscos de combustão. É necessário operar a temperaturas moderadas, em especial quando se processam gases – cada carvão tem a sua temperatura de auto-ignição específica, portanto a temperatura máxima de operação virá de acordo com o tipo de carvão a utilizar em cada caso. 

"Quando se processa biogás há ainda que ter em atenção a concentração de H₂S à entrada do filtro de carvão, para se garantir que o leito não entra em combustão. Normalmente recomenda-se uma concentração de H₂S máxima à entrada do filtro inferior a 2000ppm para evitar a ocorrência de hot spots no leito e assim garantir uma operação totalmente segura", ressalta Paixão. 

Para Puterman, a maior vantagem está na disponibilidade irrestrita nas diversas localizações geográficas. Como pode ser produzido a partir de uma série de matérias primas vegetais, os produtos acabaram ganhando um bom espaço nos processos de filtragem. "O mercado está atrelado a processos. Existe um grande campo para impregnação com metais que possibilitam uma ação diversificada dos processos de adsorção", completa. 

Novos produtos especiais para tratamento de biogás, desenvolvidos no sentido de proverem seletividade e preferência de adsorção para contaminantes específicos (principalmente siloxanos) em detrimento de outros contaminantes, cuja remoção não é necessária neste tipo de aplicação, são novidades na Cabot e já fazem parte da sua linda de produtos. 

De acordo com Paixão, a produção destes graus de carvão inovadores é conseguida através de técnicas de modificação de superfície que lhe conferem essa seletividade, e traduz-se num tempo de vida do leito de carvão muito mais prolongado em comparação com outros carvões tradicionalmente utilizados neste segmento.

Barche explica ainda que o mercado nacional esta sofrendo com a restrição econômica atual do país, visto que o país esta produzindo menos e consequentemente usando menos produto. Ele destaca que as principais novidades do setor são produtos altamente ativados. A empresa oferece, hoje, carvões granulares com níveis de ativação de até 1200 mg/g de índice de iodo, que é um método que mede o quanto ativado está o carvão.  Sendo que no mercado o mais usual é índice 850. 

"Também temos produtos pulverizados com alto índice de ativação, onde o objetivo é dosificar menos carvão para conseguir os mesmos níveis de purificação atuais ou melhorar resultados que hoje não se alcança com os carvões tradicionais", destaca. 

120PW: paulo.puterman@gmail.com