Carvão ativado: da produção à utilização prática.

O carvão ativado, também conhecido como carvão ativado, é uma forma de carbono que foi submetida a tratamentos de ativação com o objetivo de potenciar as capacidades adsorventes que o caracterizam, aumentando a superfície interna e a porosidade.

É produzido através da carbonização de materiais orgânicos como madeira, casca de coco ou diretamente a partir de carvão mineral, seguida de um processo de ativação que aumenta a sua porosidade e a sua capacidade de absorver substâncias químicas e impurezas.
O carvão ativado deve estas propriedades à sua estrutura altamente porosa.
Esta estrutura porosa não é uniforme; pelo contrário, é composta por uma complexa rede de poros de dimensões variáveis.

Utilização

No âmbito dos aquários marinhos de recife, o carvão ativado é utilizado como parte do sistema de filtragem para melhorar a qualidade da água.
A sua capacidade de adsorver substâncias orgânicas, compostos químicos nocivos e outras impurezas torna-o uma ferramenta valiosa para manter um ambiente aquático saudável e estável. Num aquário marinho de recife, a qualidade da água é crucial para a saúde e o bem-estar dos organismos vivos e, em geral, de todo o sistema.

L’água deve ter parâmetros estáveis e bem definidos para garantir a sobrevivência e a prosperidade dos habitantes do aquário.
Os parâmetros essenciais da água, como a temperatura, o pH, a tríade, a salinidade e a concentração de nutrientes, devem ser mantidos dentro de determinados intervalos para reproduzir as condições naturais e proporcionar um ambiente adequado aos nossos hóspedes.
A presença de um excesso de substâncias orgânicas em decomposição, compostos químicos nocivos ou outros contaminantes pode comprometer a qualidade da água, causando problemas de saúde aos habitantes do aquário e afetando negativamente a estabilidade de todo o ecossistema.

L’objetivo principal da utilização de carvão ativado num aquário marinho de recife é melhorar a qualidade da água através da remoção de substâncias indesejáveis e contaminantes.
O carvão ativado atua como um adsorvente seletivo altamente eficaz, adsorvendo substâncias orgânicas nocivas dissolvidas, como resíduos de medicamentos, metabolitos e toxinas produzidas pelos corais e pelos outros organismos.
Adsorve e retém também diversos compostos químicos nocivos, incluindo corantes, pesticidas e metais pesados, que podem ser introduzidos acidentalmente no aquário, contribuindo também ativamente para melhorar a transparência da água.

 

Processo de produção

O carvão ativado é conhecido pela sua estrutura altamente porosa, que lhe confere uma vasta área superficial por unidade de volume, à qual se devem as suas características.
Esta estrutura porosa é obtida através do processo de carbonização e ativação do material carbonoso de base.
Durante a carbonização, o material orgânico carbonoso é aquecido a altas temperaturas na ausência de oxigénio, produzindo carvão. Em seguida, o carvão é ativado por meio de tratamentos químicos ou físicos que abrem os poros e aumentam a sua porosidade.

Escolha das matérias-primas

Os materiais mais utilizados na produção de carvão ativado incluem a lenhina, as cascas de coco, o carvão mineral e a turfa. Cada tipo de material produz carvão ativado com características específicas de porosidade e capacidade de adsorção.

Madeira: O carvão ativado derivado da madeira tende geralmente a ter uma porosidade relativamente elevada e uma boa quantidade de macroporos, o que o torna adequado para a adsorção de moléculas de grandes dimensões. No entanto, isso reduz a sua eficácia na adsorção de moléculas pequenas, tornando-o menos interessante para os nossos fins, exceto se for submetido a um tratamento específico.

Turfa: A turfa, por ser menos densa e ter uma composição mais heterogénea do que os outros materiais carbonosos, dá origem a carvão ativado com uma mistura variável de poros, mas de qualidade inferior. Apesar de tenderem a ter um bom equilíbrio entre microporos e mesoporos, a sua reduzida área superficial torna-os menos eficazes e, por isso, menos adequados para aplicações avançadas.

Carvão fóssil: Os carvões ativados produzidos a partir de carvão fóssil, também conhecidos como «carvões minerais» (carvão betuminoso, linhite, antracite, etc.), apresentam uma estrutura porosa muito desenvolvida, com uma boa distribuição de microporos e mesoporos.
São particularmente apreciados pela sua capacidade de adsorver uma vasta gama de moléculas, o que os torna versáteis para diversas aplicações.

Coco: Estes carvões ativados são conhecidos pela sua elevada dureza e por terem uma grande quantidade de microporos, o que os torna particularmente eficazes na adsorção de pequenas moléculas orgânicas.
São frequentemente preferidos para aplicações que exigem a purificação da água de contaminantes moleculares de pequenas dimensões e estão entre os mais utilizados no nosso setor.

Ativação do carvão

L'ativação do carvão desempenha um papel crucial na determinação da sua eficácia como material adsorvente.
O processo de ativação do carvão tem um impacto significativo na estrutura porosa final do material. Por esta razão, a qualidade e as características finais do produto também dependem da técnica de ativação utilizada.

Ativação química: Na ativação química, o material carbonáceo é submetido à ação de agentes químicos ativantes antes da carbonização. Estes agentes químicos (por exemplo, ácido fosfórico, hidróxido de sódio ou de potássio, cloreto de zinco, etc.) degradam e expandem a estrutura do material de partida, aumentando a sua porosidade interna.
O tratamento é realizado a temperaturas compreendidas entre 450°C e 900°C, significativamente inferiores às utilizadas na ativação física.

Ácido fosfórico (H3PO4): Utilizado frequentemente para ativar materiais à base de lenhina. O processo leva à formação de uma estrutura altamente porosa, ideal para a adsorção de corantes e substâncias orgânicas de pequenas dimensões presentes no líquido.

Hidróxido de potássio (KOH): L'utilização de KOH é conhecida por produzir carvão ativado com uma grande quantidade de microporos e superfícies altamente ativas, úteis, por exemplo, para a adsorção de gases e vapores, como o amoníaco ou o dióxido de enxofre.
Este método é particularmente vantajoso para aplicações que requerem uma elevada densidade de microporos, como a purificação de água potável, a remoção de contaminantes de soluções químicas ou a adsorção de gases nocivos do ar.

Ativação física

L'ativação física começa com a carbonização do material carbonáceo a temperaturas que podem variar entre 600°C e 900°C num ambiente com baixo teor de oxigénio. Em seguida, o material carbonizado é exposto a gases oxidantes (por exemplo, vapor de água, dióxido de carbono) a temperaturas ainda mais elevadas, normalmente entre 800°C e 1000°C. Este processo abre a estrutura porosa do carvão, removendo a matéria orgânica volatilizada e criando uma extensa rede de poros.

Ativação com vapor de água

L'utilização de vapor de água é predominante quando se pretende produzir carvão ativado com uma boa distribuição de poros de todas as dimensões. O material resultante é eficaz na adsorção de uma vasta gama de compostos, desde compostos orgânicos voláteis na fase gasosa até contaminantes em soluções aquosas.

Ativação com CO2

Este método tende a produzir carvão ativado com uma maior concentração de mesoporos, útil para a adsorção de moléculas de dimensões médias a grandes.

Escolha da tecnologia de ativação

L'ativação física é frequentemente preferida para a produção de carvão ativado destinado a um amplo espectro de aplicações, incluindo a purificação do ar, o tratamento de águas residuais industriais e a adsorção de contaminantes provenientes de fluxos de gases complexos.
A escolha entre a ativação química e física depende de vários fatores, incluindo o custo, as propriedades desejadas do carvão ativado final e os requisitos específicos da aplicação. L'ativação química é frequentemente mais dispendiosa devido à utilização de reagentes químicos, mas pode produzir carvões ativados com propriedades adsorventes superiores para contaminantes específicos. Por outro lado, a ativação física é normalmente mais versátil e menos dispendiosa, tornando o carvão ativado produzido adequado a uma gama mais ampla de aplicações.

 

Impacto ambiental

Para além das considerações técnicas, o impacto ambiental e os custos de produção também são cruciais na escolha do método de ativação.
Lativação química, apesar de oferecer vantagens específicas em termos de controlo da porosidade e das propriedades adsorventes, implica a utilização e eliminação de substâncias químicas potencialmente perigosas, que podem ter implicações ambientais.
Consequentemente, a investigação e o desenvolvimento estão a orientar-se para processos mais ecológicos e sustentáveis, como a utilização de agentes ativadores mais seguros ou a recuperação e reutilização dos agentes químicos.
Em contrapartida, a ativação física, embora seja geralmente mais sustentável do ponto de vista ambiental, requer quantidades significativas de energia, especialmente nas fases de carbonização a alta temperatura e de ativação com gases oxidantes. Leficiência energética destes processos é, por isso, uma área de interesse para reduzir os custos operacionais e a pegada de carbono associada à produção de carvão ativado.

Felizmente, o avanço tecnológico visa desenvolver métodos de ativação mais eficientes, economicamente vantajosos e ambientalmente sustentáveis.
Por exemplo, a investigação explora o uso de micro-ondas para a ativação do carvão, o que pode proporcionar um aquecimento mais rápido e uniforme, reduzindo o tempo de processamento e o consumo de energia.

Propriedades químicas e físicas

O carvão ativado é insolúvel em água e não reage com as substâncias adsorvidas, o que faz dele um material inerte e relativamente seguro para utilizar num aquário.

As propriedades físicas do carvão ativado mais importantes no nosso contexto dizem respeito à sua estrutura porosa, que proporciona uma vasta área superficial disponível para a adsorção de impurezas.

A dimensão dos poros pode variar e é ajustada através da escolha de diferentes materiais e técnicas de ativação, permitindo ao carvão ativado adsorver uma gama diversificada de compostos.

As propriedades químicas do carvão ativado dependem do processo de ativação e da natureza do material de base.

 

Mecanismo de adsorção

O mecanismo de absorção de impurezas da água pelo carvão ativado baseia-se na atração física e química entre as moléculas das substâncias a adsorver e a superfície do carvão.

As moléculas indesejadas na água são capturadas e retidas na superfície do carvão ativado através de uma série de processos, incluindo adsorção física, adsorção química e atração eletrostática (forças de Van der Waals).

O carvão ativado pode conter grupos funcionais à superfície que podem interagir quimicamente com as substâncias a adsorver, aumentando ainda mais a sua eficácia.
As impurezas adsorvidas ficam então retidas nos poros, permitindo removê-las eficazmente.

Este processo de adsorção é altamente seletivo, permitindo ao carvão ativado remover classes específicas de substâncias com base na sua dimensão e nas suas propriedades químicas e físicas.

 

Porosidade e moléculas adsorvidas

Como referido anteriormente, o carvão ativado deve estas propriedades de adsorção à sua estrutura altamente porosa. Esta estrutura é composta por uma rede complexa de poros de dimensões variáveis, que podem ser classificados em microporos (diâmetro inferior a 2 nm), mesoporos (diâmetro entre 2 nm e 50 nm) e macroporos (diâmetro superior a 50 nm).

A distribuição e a dimensão dos poros influenciam significativamente a capacidade de adsorção do carvão ativado, determinando a sua eficácia na adsorção de moléculas de diferentes dimensões.

Microporos (diâmetro inferior a 2 nm)

Compostos fenólicos e pequenas moléculas orgânicas voláteis: Estes compostos orgânicos podem ter várias origens, bióticas e abióticas.
Incluem vários tipos de álcoois, aldeídos, ácidos orgânicos e outros catabolitos que podem estar presentes na água do aquário como resultado do metabolismo dos organismos vivos ou da decomposição de matéria orgânica.

São tóxicas para muitos organismos aquáticos e podem afetar negativamente a saúde do ecossistema do aquário.

Cloraminas: Substâncias químicas utilizadas na água potável para desinfeção, mas nocivas para os organismos vivos nos aquários.
As moléculas de cloro e cloramina são suficientemente pequenas para serem adsorvidas eficazmente pelos microporos.

Mesoporos (diâmetro entre 2 nm e 50 nm)

Proteínas, aminoácidos e péptidos nocivos: Embora sejam diferentes em tamanho, numerosas proteínas e péptidos nocivos podem aderir e ficar presos nos mesoporos. Muitos dos compostos tóxicos utilizados na batalha química contínua entre corais e algas são toxinas à base de proteínas, péptidos ou aminoácidos.

Eliminar estas substâncias contribui para atenuar os efeitos inibidores e reduzir as manifestações de alelopatia.

Corantes e taninos: São substâncias que podem conferir à água do aquário uma cor desagradável, reduzindo a transparência e influenciando negativamente o metabolismo do sistema.
Os mesoporos são eficazes na adsorção destas moléculas.

Medicamentos, antibióticos e outros contaminantes sintéticos: Após um tratamento farmacológico, é frequente encontrar no sistema resíduos dos medicamentos utilizados e dos seus catabolitos.
Estas podem permanecer na água durante muito tempo, manifestando efeitos nocivos noutros organismos e, em geral, em todo o sistema, em particular quando se trata de tratamentos com algicidas.
Os mesoporos no carvão ativado podem adsorver estas substâncias, contribuindo para reduzir os efeitos secundários nocivos dos tratamentos.

Macroporos (diâmetro superior a 50 nm)

Moléculas orgânicas grandes: Algumas moléculas orgânicas grandes, como certos polímeros naturais ou sintéticos presentes na água, podem ficar retidas nos macroporos. A sua remoção ajuda a prevenir a acumulação de substâncias que, de outra forma, poderiam favorecer o crescimento de algas ou bactérias nocivas.

É importante notar, no entanto, que, enquanto os microporos e mesoporos desempenham um papel direto na adsorção química de substâncias dissolvidas, os macroporos são mais importantes para facilitar o acesso das moléculas aos poros mais pequenos e para remover partículas maiores através de uma ação mais mecânica.

 

Utilização prática do carvão ativado

Ao utilizar carvão ativado em grânulos, flocos ou pellets, é importante lavar bem o material para maximizar a sua capacidade de absorção e remover pó, impurezas e resíduos de produção.

A maioria dos fabricantes recomenda enxaguar o carvão ativado com água de osmose durante alguns minutos.
Embora um enxaguamento com água de osmose seja geralmente mais do que suficiente e os processos adicionais tragam benefícios marginais, alguns aquariofilistas também preferem mergulhar o carvão em água quente durante algum tempo antes de o utilizar, para se certificarem de que está completamente ativado e de que os poros estão bem abertos e sem pó.

Posicionamento

O carvão ativado pode ser colocado em vários pontos do sistema de filtragem do aquário, consoante as necessidades e a utilização que lhe dermos.
A escolha entre uma utilização estática (ou seja, com o saco simplesmente suspenso numa zona de forte fluxo) ou dinâmica (em reatores específicos ou numa secção do sump com circulação forçada) depende do sistema e dos resultados que queremos obter.

Um dos métodos mais comuns consiste em colocar o carvão dentro de sacos de rede ou recipientes próprios, posicionados numa das secções do sump, depois da secção de pré-filtragem e filtragem mecânica.

Alguns entusiastas preferem utilizar reatores específicos para carvão ativado, que permitem uma maior exposição da água ao material filtrante, aumentando a sua eficácia e a velocidade de adsorção.

Em alguns sistemas, sobretudo quando se trata de uma utilização contínua, privilegia-se uma velocidade de absorção mais moderada e aceita-se perder um pouco de eficiência para obter uma redução mais gradual dos compostos orgânicos.

No entanto, se for utilizado para remover um contaminante tóxico, poderá ser mais vantajoso utilizá-lo ativamente, fazendo circular água à força através do material, de modo a aumentar a sua eficiência e a velocidade de remoção.

Frequência de substituição

A frequência com que se deve substituir o carvão ativado no aquário marinho de recife depende de vários fatores, incluindo a carga biológica do aquário, a quantidade e qualidade do carvão utilizado, a população do sistema, a presença de contaminantes.

De um modo geral, recomenda-se substituir o carvão ativado a cada 2-4 semanas, contudo, dependendo das condições específicas dos diferentes sistemas, a frequência da substituição pode ser ajustada às necessidades do aquário.

É essencial aprender a monitorizar e interpretar as condições do sistema para determinar o momento ideal para substituir o carvão.

A duração da eficácia do carvão ativado pode variar significativamente consoante o tipo e a qualidade do próprio carvão, bem como a intensidade da utilização. Para manter uma eficácia ideal, é fundamental avaliar periodicamente as condições da água e substituir o carvão antes de esgotar a sua capacidade de adsorção.

Limitações e precauções

A utilização inadequada de L'carvão ativado pode provocar vários efeitos secundários negativos no aquário e nos seus habitantes.
Por exemplo, um excesso de carvão ativado pode remover substâncias úteis da água, como elementos vestigiais, necessários para o crescimento e a saúde dos corais, ou levar à remoção demasiado rápida e agressiva de compostos orgânicos, o que pode desestabilizar o ecossistema e perturbar os animais.

Foi observado várias vezes que uma velocidade excessiva na absorção de algumas moléculas orgânicas pode revelar-se nociva para numerosos corais.

Em caso de utilização de grandes quantidades em sistemas com circulação forçada, vários corais podem ficar irritados e fechar-se, ou começar a libertar muco.

Além disso, o carvão de baixa qualidade pode libertar grandes quantidades de fosfatos, bário, zinco, alumínio ou outros contaminantes, comprometendo ainda mais a qualidade da água.

Esperamos que este pequeno artigo vos tenha sido útil, ajudando a esclarecer algumas dúvidas e fornecendo informações valiosas sobre a utilização de carvão ativado nos vossos aquários.