Una nueva generación de carbones activados de altas prestaciones para aplicaciones medioambientales

Abstract

[EN] Activated carbon (AC) is a highly prized item on the world market for its numerous applications in the field of medicine, the biopharmaceutical industry and the environment. The search for environmentally sustainable and low cost processes has intensified research into the use of solid wastes from different sources as precursors of these carbon materials. In this thesis, anthracene oil was used as a precursor material of activated carbon. It was converted into pitch by polymerization using an oxygen-assisted heat treatment. The resultant pitch was partially pyrolyzed to generate a biphasic system consisting of mesophase and an isotropic phase (polymerized pitch). The two phases were separated and both were subjected to chemical activation. The resulting activated carbons showed surprising textural characteristics, such as a high surface area (up to 3200 m2·g-1) and a good micropore and mesopore development. The activated carbons were tested for adsorption processes in liquid phase and for the removal of organic compounds (benzene and toluene) and their adsorption capacity was found to be among the highest ever reported in the literature, reaching values of up to 860 mg·g-1 and 1200 mg·g-1, respectively, and 1200 mg·g-1 for the combined adsorption of benzene and toluene from an industrial wastewater. It was also observed that the adsorption kinetics in the batch experiments was extremely fast and was in accordance with the pseudo-second order kinetic model. This high kinetic performance was attributed to the combined presence of micropores and mesopores in the activated carbons. Finally, the potential of these activated carbons for the catalytic degradation of phenol in aqueous solution was analyzed when they were used as photocatalysts in physical mixtures of AC and TiO2. It was found that the apparent synergy between the AC and TiO2 particles resulted from an erroneous simplification of the Langmuir-Hinshelwood equation to a first order equation. When an extended form of the Langmuir-Hinshelwood equation which takes into account the inhibitory effect of the phenol concentration was applied, no synergistic effect of AC was observed. Thus, in physical mixtures, the AC merely reduces the inhibitory effect of the phenol concentration by decreasing its initial value but there is no synergistic effect.

[ES] El carbón activado (CA) es un producto muy cotizado en el mercado mundial por sus innumerables aplicaciones dentro del campo de la medicina, la industria biofarmacéutica y el medio ambiente. La búsqueda de procesos ecosostenibles y de bajo coste ha potenciado el aprovechamiento de residuos sólidos de distinta procedencia como precursores de estos materiales. En esta Tesis Doctoral se empleó como material precursor de carbón activado un subproducto de la destilación del alquitrán que representa aproximadamente el 30% del alquitrán total, el aceite de antraceno. El aceite de antraceno se transformó en brea mediante la polimerización de sus componentes (hidrocarburos aromáticos policíclicos ligeros) a través de un tratamiento térmico asistido por oxígeno. La brea resultante se pirolizó parcialmente generando un sistema bifásico compuesto de mesofase y fase isótropa (brea polimerizada). Se separaron las dos fases y ambas se sometieron a una activación química. Los carbones activados resultantes presentaron unas características texturales sorprendentes, elevadas áreas superficiales (de hasta 3200 m2·g-1) y un buen desarrollo de porosidad, tanto microporos como mesoporos. Estos carbones activados se probaron en procesos de adsorción en fase líquida para la eliminación de compuestos orgánicos (benceno y tolueno) y se encontró que su capacidad de adsorción estaba entre las más altas descritas en la literatura alcanzando valores de 860 mg·g-1 y 1200 mg·g-1 para benceno y tolueno, respectivamente y de 1200 mg·g-1 para la adsorción conjunta de benceno y tolueno en aguas residuales industriales. También se observó que la cinética de adsorción de estos experimentos realizados en discontinuo (“batch”) era extraordinariamente rápida y que se ajustaba a un modelo de pseudosegundo orden. Este alto rendimiento cinético se atribuyó a la presencia combinada de microporos y mesoporos en los carbones activados. Por último, se analizó el potencial de estos carbones activados en la degradación fotocatalítica de fenol en disolución acuosa cuando se empleaba como fotocatalizador mezclas físicas de CA y TiO2. Se encontró que la aparente sinergia del CA sobre las partículas de TiO2 procedía de una simplificación errónea de la ecuación de Langmuir-Hinshelwood a la ecuación de primer orden. De modo que cuando se aplicó la ecuación de Langmuir-Hinshelwood sin simplificar (la cual incluye el efecto inhibitorio de la concentración de fenol) no se encontró ningún efecto sinérgico del CA. Por tanto en estas mezclas físicas el CA simplemente reduce el efecto inhibitorio de la concentración de fenol por disminución de su valor inicial pero no tiene ningún efecto sinérgico.