Materiali filtranti

Carboni Attivi

A prima vista tutti i carboni attivi sembrano uguali. Tutti derivano dalla stesso elemento, il carbonio, e tutti sono utilizzati grazie alla loro capacità di assorbimento, per la rimozione di sostanze indesiderate da gas e liquidi. In verità, per ciascuna applicazione, vi sono dei carboni attivi che svolgono un'azione migliore di altri. La ragione di ciò può essere dovuta a innumerevoli fattori, ma indubbiamente, la competenza tecnica delle persone coinvolte nell'ottimizzazione di un processo gioca un ruolo determinante.

Da tempo il nostro obiettivo principale è quello di individuare, tra le diverse categorie di carboni, la qualità più idonea per ogni specifica applicazione, sperimentando i prodotti in polvere o granulari, attivati fisicamente o chimicamente, verificandone l'effetto sul risultato finale. Anche l'esperienza che abbiamo accumulato, aiutando i nostri clienti ad individuare le migliori soluzioni, è stata determinante. Possiamo dire di avere capacità indiscutibili per risolvere qualsiasi problema di adsorbimento.

Maggiore capacità adsorbente, migliore qualità del prodotto

I carboni attivi sono dei prodotti industriali chimicamente inerti, essenzialmente composti da carbonio, con una struttura porosa molto sviluppata. Essi presentano una superficie interna molto estesa la quale conferisce al prodotto un potere adsorbente molto elevato rispetto ad una numerosa varietà di sostanze. In generale il volume specifico dei pori è maggiore di 0,8 ml/g e la superficie specifica interna è superiore a 1000 m²/g. I pori hanno dimensioni variabili e si distinguono in tre grandi classi:

• Macropori: di diametro superiore a 500 Angstrom. Rappresentano la superficie generalmente inutilizzabile ed intervengono poco sui fenomeni di adsorbimento.
• Mesopori: detti anche pori di transizione, di diametro compreso tra 30 e 500 Angstrom. Costituiscono le vie di accesso principali ed hanno un ruolo determinante nella cinetica di adsorbimento.
• Micropori: di diametro compreso tra 5 e 30 Angstrom. Costituiscono la parte attiva, ossia l'essenziale della superficie specifica.

L'adsorbimento, fenomeno per il quale le molecole di una fase fluida (liquida o gassosa) sono fissate alla superficie di un solido, è la conseguenza di un campo di forze attrattive. Le forze che provocano la fissazione di molecole sulla superficie del carbone sono relativamente deboli. Sono del tipo "legami di Van Der Waals" e creano, dopo un tempo determinato, uno stato di equilibrio che dipende dalla temperatura e dalla composizione delle molecole nella fase fluida. Si può pertanto definire "isoterma di adsorbimento" la curva che rappresenta, a temperatura costante, la quantità di sostanze adsorbite sul carbone in funzione della concentrazione delle molecole libere nel fluido a contatto con il materiale adsorbente.

Carboni attivati fisicamente

L'attivazione fisica viene generalmente utilizzata per l'attivazione del carbone minerale, del guscio di noce di cocco e del legno, che vengono prima carbonizzati. L'attivazione viene fatta a circa 800°C - 1000°C in atmosfera controllata ed in presenza di vapore. In questo modo si riesce a bruciare il gas che si libera senza bruciare il carbone.

Si ottengono carboni attivi che hanno prevalentemente meso e micro pori, ideali per la rimozione di inquinanti sia in fase liquida che gassosa.

Carboni attivati chimicamente

L'attivazione chimica è un processo monostadio che dà luogo ad una decomposizione termica della materia prima senza pre-carbonizzazione. Essa è realizzata a temperature di 500-600°C, in presenza di un agente disidratante e ossidante quale l'acido fosforico o il cloruro di zinco.

Il diametro medio dei pori dei carboni attivati chimicamente è superiore rispetto a quello dei carboni attivati fisicamente, caratteristica fondamentale nei processi di decolorazione dove le molecole da adsorbire sono di grossa taglia.

Controllo della qualità

I carboni attivi sono dei prodotti complessi e non è facile da definire semplicemente l'insieme delle proprietà. Le determinazioni analitiche si dividono in tre gruppi:

Caratteristiche morfologiche

Granulometria: misura delle dimensioni dei grani e delle ripartizioni granulometriche, attraverso i metodi classici di setacciatura per via umida o meccanica, o tramite metodi moderni al laser.

Massa volumetrica: misura della massa di una unità di volume in condizioni standard. Non dipende unicamente dalla qualità del carbone: essa varia con la granulometria, la sistemazione ed il compattamento dei granuli.

Porosità: misura della superficie specifica del carbone e della ripartizione dei pori in funzione del loro diametro.

Caratteristiche chimico-fisiche

Umidità: misura della perdita di peso per essiccamento in stufa nel caso che l'acqua sia il solo composto volatile presente. In caso contrario si utilizza un metodo per distillazione con xilene.

Ceneri: misura delle sostanze inorganiche residue dopo calcinazione del carbone (ceneri totali) e di quelle che si solubilizzano per trattamento con acidi (ceneri solubili).

PH: misura del pH dell'acqua trattata con il carbone in condizioni standard. Dipende dal sistema di attivazione e dalla natura chimica dei radicali esistenti sulla sua superficie.

Le proprietà adsorbenti sono rappresentate da indici che esprimono il potere adsorbente dei carboni nei riguardi di molecole di taglia diversa. Esiste una correlazione tra questi indici e la struttura porosa del carbone.

Indice di Melasso: rappresenta il contenuto dei meso-pori nella struttura del carbone. Infatti la colorazione del melasso proviene da molecole di taglia variabile da 30 a 100 Angstrom circa. Il risultato di questa misura ha riscontro in diverse applicazioni tipiche dei carboni attivi ed in particolare nei processi di decolorazione dei prodotti di base dell'industria chimico-farmaceutica.

Indice di Iodio: indice di micro-porosità. Taglia variabile tra 5 e 15 Angstrom. Essendo la molecola dello Iodio di piccole dimensioni, è accessibile a tutta la porosità del carbone. Questo test dà pertanto un'indicazione della superficie specifica totale del carbone a condizioni che nessun corpo suscettibile di reagire con lo iodio sia presente.

L'insieme delle determinazioni analitiche sono indicazioni frammentarie che bisogna interpretare con precauzione. Solo L'isoterma di adsorbimento evidenzia la qualità di un carbone attivo nell'applicazione considerata.

Isoterma di adsorbimento

Esiste un buon numero di leggi empiriche che permettono di rappresentare il fenomeno dell'adsorbimento. Nel caso di adsorbimento in fase liquida, il rapporto tra quantità adsorbite e dosi di carbone impiegato è definito dall'isoterma di Freundlich, che su un diagramma in scala logaritmica rappresenta l'equazione di una retta di pendenza 1/n.

Terre decoloranti

Le terre decoloranti vengono prevalentemente utilizzate, come il nome stesso suggerisce, per la rimozione di sostanze cromofore; questo però non esclude l'impiego di questo prodotto in altre applicazioni, laddove le caratteristiche di questo media filtrante siano ottimali nella risoluzione di qualche problematica, come per esempio la purificazione dei grassi animali.

La terre decoloranti, come i carboni attivi, si suddividono in:

• terre decoloranti attivate chimicamente
• terre decoloranti attivate fisicamente

a seconda del processo di attivazione a cui vengono sottoposte.

Le terre decoloranti attivate chimicamente presentano di solito un pH medio di 2-3, mentre quelle attivate fisicamente hanno un pH decisamente più alcalino, di solito superiore a 7.

Attapulgite, montmorillonite, sepiolite, clinoptilolite, sono le sostanze più comuni di cui sono costituite le terre decoloranti, o singolarmente o una combinazione di esse; le argille di partenza contengono soprattutto silice e allumina e si possono trovare tracce di ferro, magnesio, calcio e potassio. I depositi di argilla hanno un aspetto similare a quello del terreno e possono avere gradazioni di colore dal cuoio o marrone chiaro al giallo o al bianco puro.

Metodi di attivazione

Nonostante le caratteristiche adsorbenti già molto buone, queste argille subiscono dei trattamenti particolari per aumentare queste caratteristiche di base.

Attivazione chimica

Il processo di attivazione con acido solforico o con acido cloridrico permette la rimozione di vari ioni, liberando i siti attivi atti all'adsorbimento delle impurità; i vari tipi di ioni (Ca, Mg, Fe, K) sono omogeneamente dispersi nella matrice argillosa Si-Al.

Le terre attivate con acido sono in grado di rimuovere la clorofilla, i carotenoidi e altri composti come il fosforo o composti di ossidazione dagli oli alimentari, minerali e dai grassi.

Attivazione fisica

Il processo di attivazione fisica avviene portando l'argilla ad elevate temperature di circa 600°C in un forno rotativo in modo da liberare la struttura porosa già intrinseca del materiale stesso. L'attapulgite e la sepiolite sono le argille più indicate per questo tipo di processo.

Anche la terra attivata fisicamente è in grado di rimuovere la clorofilla, i carotenoidi e altri composti come il fosforo o composti di ossidazione dagli oli alimentari, minerali e dai grassi.

Granulometria

Un parametro fondamentale delle terre decoloranti, sia acide che basiche, è la distribuzione granulometrica infatti oltre a dover avere un'alta capacità di rimozione di sostanze cromofore (clorofilla, carotenoidei, etc.) devono possedere una granulometria tale da non essere un parametro limitante durante il processo di filtrazione.

Per mezzo di macinazioni particolari possono essere ottenuti differenti distribuzioni granulometriche a seconda della richiesta del mercato: esistono infatti terre decoloranti che permettono di lavorare con una velocità di filtrazione maggiore.

Terre diatomee

Le terre diatomee, conosciute anche come farine fossili, sono un derivato della fossilizzazione dei resti di diatomee, una specie di protisti, caratterizzati da un esoscheletro composto da silice, che vivono in laghi salati ed oceani.

Gli accumuli di diatomee fossilizzate sono reperibili soprattutto in antichi laghi salati, oggi prosciugati, presenti in particolari aree geografiche, dove vengono estratte le materie prime impiegate per la produzione delle farine fossili.

Le terre diatomee sono ideali per essere impiegate come coadiuvanti di filtrazione per la rimozione della componente solida sospesa all'interno di liquidi, la loro grande versatilità ne permette l'impiego in svariate applicazioni che spaziano dalla purificazione e trattamento delle acque, alla filtrazione di liquidi alimentari, applicazioni nell'industria chimica e farmaceutica.

Si suddividono in tre grandi famiglie, a seconda del grado di lavorazione necessaria per la loro produzione:

• Naturali (di colore ocra) ideali per essere impiegate nell'industria zootecnica e nella filtrazione di liquidi alimentari (Birra, Vino, Olio, Zuccheri, etc.);
• Calcinate (di colore rosa) largamente utilizzate per la filtrazione di liquidi alimentari (Birra, Vino, Olio, Zuccheri, etc.), nei prodotti dell'industria chimica (acidi citrici, fosforici, etc.), e dell'industria degli oli minerali (lubrificanti ed additivi);
• Calcinate a flusso (di colore bianco) impiegate nella filtrazione di liquidi alimentari (Birra, Vino, Olio, Zuccheri, etc.), prodotti dell'industria chimica (acidi citrici, fosforici, etc.), dell'industria degli oli minerali (lubrificanti ed additivi), farmaceutica (alginati, antibiotici) e medica (sangue e plasma).