INSTITUTO TECNOLÓGICODE TUXTLA GUTIÉRREZ

PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN

“OBTENCIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO A PARTIR DE LA CÁSCARA DE COCO”

POR:MORENO UTRILLA CRISTHIAN BERNARDO.

RAMOS CASTELLANOS MIRNA PAOLA.

ABRIL DEL 2013.ÍNDICE

I. INTRODUCCIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 03

II. ANTECEDENTES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .04

2.1. CARBÓN ACTIVADO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .04

2.2. MÉTODOS DE ACTIVACIÓN DEL CARBÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 05

III. JUSTIFICACIÓN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 08

IV. REVISIÓN LITERARIA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 09

4.1. HISTORIA DEL CARBÓN ACTIVADO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 09

4.2. CARBÓN ACTIVADO A PARTIR DE LA CÁSCARA DE COCO. . . . . . . . . . . .10

V. OBJETIVO GENERAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

VI. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

VII. MATERIALES Y MÉTODOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

VIII. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

IX. RECURSOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

XI. BIBLIOGRAFÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

XII. ANEXOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

I. INTRODUCCIÓN

La palma de coco (Cocos nucífera L.) es un cultivo tropical por excelencia. En México se le encuentra en las regiones costeras del Pacífico, desde Sinaloa hasta Chiapas, y del Golfo-Mar Caribe, desde Veracruz hasta Quintana Roo.

Desde la época de la colonia, el cultivo del cocotero en México ha tenido un gran impacto económico, social, turístico y ecológico.

Son muy numerosas las actividades que se desarrollan en torno al cultivo, entre las que se destacan la cosecha, la producción y transporte de la copra, elaboración de coco rallado, artesanías, carbón, dulces, el comercio de fruta fresca y agua, por citar solo algunas.

En base a lo anterior, en el presente trabajo, como parte de un protocolo de investigación, se tiene como propósito elaborar carbón activado a partir de la cáscara dura del coco, con la finalidad de aprovechar los desechos de dicho fruto, el cual se ha visto que, en su mayoría, solo la pulpa y el agua son aprovechadas.

El carbón activado, debido a sus propiedades adsorbentes, llega a tener una diversidad de usos, los cuales pueden ser tanto industriales como domésticos, y hasta medicinales; por ejemplo, se utiliza en la extracción de metales, la purificación de agua potable (tanto para la potabilización a nivel público como doméstico), en medicina para casos de intoxicación, en

el tratamiento de aguas residuales, clarificación de jarabe de azúcar, purificación de glicerina, en máscaras antigás, en filtros de purificación y en controladores de emisiones de automóviles, entre muchos otros usos.

La utilidad del carbon activado es muy variada, dependiendo de aquella persona quien la vay a utilizar se le dara las caracteristicas espesificas, El carb´on activado es un adsorbente muy vers´atil ya que el tama˜no y la distribuci´on de sus poros en la estructura carbonosa pueden ser controlados para satisfacer las necesidades de tecnolog´ia actual y futura. Los carbones activados comerciales son preparados a partir de materiales precursores con un alto contenido en carbono, especialmente, materiales organicos como, madera, huesos, c´ascaras de semillas de frutos, como tambien, carb´on mineral, breas, turba y coque. La elecci´on del precursor es fundamentalmente una funci´on de su disponibilidad, precio y pureza, pero el proceso de fabricaci´on y la posible aplicaci´on del producto final deben ser igualmente tomados en cuenta. Los carbones activados tienen un alto costo que va desde US $ 1200 hasta US $14,000 la tonelada.En Mexico, el 85 % del carbon activado que se usa en la industria quimica es de importacion, siendo los principales paises abastecedores: Estados Unidos, los Paises Bajos, Inglaterra, Alemania, Canada y Francia. El interes por este tipo de material se basa en algunas de sus propiedades: a) estabilidad termica; b) resistencia al ataque acido; c) caracter esencialmente hid´ofobo (repelente al agua); d) bajo costo relativo; e) estructura porosa. Por tal razon, en los ultimos años ha aumentado considerablemente el numero de investigaciones en lo que concierne a su sintesis, y a sus diversas aplicaciones, como en la separacionde gases y en la industria en general. En el presente trabajo presentaremos como obtener carbon activado a partir de la cascara dura del coco (endocarpo) atravez de un metodo especifico este caso utilizamos el metodo de activacion fisico

II. ANTECEDENTES

2.1. CARBÓN ACTIVADO

El carbón activado al igual que otros tipos de carbón, forman un grupo de materiales carbonosos en los cuales la estructura y propiedades son más o menos similares a la estructura y propiedades del grafito.

El carbón activado es un grupo que posee una estructura cristalina reticular similar a la del grafito solo que el orden en la estructura del carbón activado es menos perfecta; es extremadamente poroso y puede llegar a desenrollar áreas superficiales del orden de 500 a 1500 m2 ó más, por gramo de carbón. El área de superficie del carbón activado varía dependiendo de la materia prima y del proceso de activación. Son las altas temperaturas la

atmósfera especial y la inyección de vapor del proceso de fabricación del carbón activado lo que activa y crea la porosidad, dejando mayormente una esponja de esqueleto de carbón.

Figura 1. (a) Arreglo estructural de las capas planas del grafito.(b) Estructura propuesta de las capas del carbón activado.

2.2. MÉTODOS DE ACTIVACIÓN DEL CARBÓN

La activación del carbón es la generación de partículas cristalinas altamente porosas con una enorme superficie de contacto en el interior de los gránulos o polvos de carbón, que le otorgan a éste un alto poder de adsorción.

El carbón activado puede fabricarse a partir de todo tipo de material carbonoso, o bien, a partir de cualquier carbón mineral no grafítico; sin embargo, cada materia prima brindará características y calidades distintas al producto.

En cuanto al proceso de activación, existen dos tipos de activación: activación física (llamada también térmica) y activación química (llamada también deshidratación química).

• ACTIVACIÓN FÍSICA

Cuando se parte de un material orgánico (madera, bagazo de caña, sangre, etc.), el proceso se inicia con su carbonización, la cual debe realizarse a una temperatura baja en la que no se favorezca la grafitación. Si se parte del carbón mineral, normalmente no se requiere la carbonización, a menos que éste contenga un alto contenido de volátiles.

El carbón resultante se somete a temperaturas cercanas a 1000 °C, en una atmósfera inerte o reductora, casi siempre saturada con vapor de agua. En estas condiciones, y a lo largo de un cierto tiempo, algunos átomos de carbón reaccionan y se gasifican en forma de CO2, y otros se recombinan y condensan en forma de las mencionadas placas grafíticas. Estas placas tienden a ser pequeñas e imperfectas, y el tamaño y grado de imperfección depende de la materia prima.

El grado de activación y el rendimiento depende de las condiciones de operación del horno de activación que son:

• La temperatura.

• La composición de los gases.

• El tiempo de resistencia.

• El flujo volumétrico de vapor.

El rendimiento suele estar entre 0.25 y 0.5 kg de carbón activado por kilo de carbón.

A mayor grado de activación generalmente corresponde un menor rendimiento. Existe, sin embargo, un punto máximo de activación posible, más allá del cual sólo

aumenta las pérdidas de carbón. Un hecho que resulta interesante es que aunque ésta varíe, la proporción de micro, meso y macro poros (figura 2) cambia poco. El tamaño de los poros depende básicamente de la materia prima.

Figura 2.

Existen distintos tipos de hornos de activación, entre ellos:

• El rotatorio de calentamiento directo.• El vertical de hogares múltiples.• El de lecho fluidizado.

El carbón activado sale del horno al rojo vivo, por lo que debe enfriarse antes de entrar en contacto con el aire que se encuentra a temperatura ambiente. De lo contrario, una parte de éste desaparecería como CO2 y el producto resultante con una cantidad muy grande de óxidos superficiales, que podrían afectarlo negativamente. Para lograr este enfriamiento puede recibirse el carbón en agua o en un equipo sellado con enfriamiento directo.

Lo anterior constituye la etapa básica del proceso. El resto consiste en operaciones de molienda y cribado para brindar al producto el rango buscado de tamaños de partícula.

• ACTIVACIÓN QUÍMICA

Este método sólo puede aplicarse a ciertos materiales orgánicos relativamente blandos y que están formados por moléculas de celulosa, como es el caso de la madera de pino.

La primera etapa consiste en deshidratar la materia prima mediante la acción de un agente reactivo, como ácido fosfórico, cloruro de zinc o carbonato de potasio. Posteriormente, se carboniza el material deshidratado a baja temperatura (500-600 °C), obteniéndose automáticamente la estructura porosa.

El producto resultante se lava, como objeto de dejarlo tan libre como sea posible del químico utilizado, así como para recuperar y reutilizar éste último. La rentabilidad del proceso radica, en gran medida, en la eficiencia de dicha recuperación.

El grado de activación puede variarse de acuerdo con la concentración del químico deshidratante utilizado.

Mediante esta tecnología no se obtienen las mismas placas grafíticas que resultan del método de activación térmica. Las paredes del carbón más bien se asemejan a una molécula orgánica, parte aromática y parte alifática, o a un polímero muy

ramificado y entre ligado. Además, estas paredes no son planas, sino rugosas (aun en el caso de los micro poros) y contienen grandes cantidades de átomos distintos al carbono, principalmente oxígeno.

Cuando una misma materia puede activarse de manera tanto térmica como química, el carbón activado producido por el segundo método adquiere poros cuyo tamaño es un poco mayor.

Las operaciones para dar un rango específico de tamaños de partículas son básicamente las mismas que se utilizan en el método de activación térmica (operaciones de molienda y cribado).

III. JUSTIFICACIÓN

Casi todas las sustancias carbonosas pueden emplearse para la fabricación de carbón activado y debido a que la cáscara de coco se pierde y es un producto de desecho, la mayoría de las veces muchas personas que trabajan con el coco u otros frutos carbonos simplemente utilizan la parte comestible y el resto lo desechan; es por eso que nosotros requerimos trabajar con este proyecto para poder aprovechar en mayor proporción al coco y tratar de no desecharlo cuando en realidad tiene un uso; pretendemos dar una alternativa de utilización a nuestra materia prima ya que es muy apropiada para el fin que se desea obtener. Además debido a la gran demanda de carbón activado para el tratamiento de aguas, la purificación de aceites vegetales, decoloración de ciertos jugos o la purificación del aire contaminado, nos lleva a realizar este estudio con el fin de optimizar las parámetros que ya existen para este proceso, también dependiendo del proveedor que requiera del carbón activado se realizarán los requerimientos especificados de la mejor calidad para satisfacer al cliente.

Para su mayor efecto hemos escogido la cáscara de coco ya que por su mayor durabilidad a la abrasión es mucho más efectivo durante su uso que otras fuentes de carbón activado.

IV. REVISIÓN LITERARIA

4.1. HISTORIA DEL CARBÓN ACTIVADO

Los primeros usos de materiales a base de carbón fueron en aplicaciones médicas. Para ello usaban carbón vegetal como adsorbente preparado a partir de madera carbonizada, así lo describen los griegos en un papiro encontrado en Tebas que data de 1550 a.C. Posteriormente, los griegos amplían su uso para filtrar el agua, con el fin de eliminar malos olores y sabores y prevenir enfermedades.

De igual forma, se sabe que los barcos fenicios almacenaban el agua para beber en barriles de madera parcialmente quemados en su interior. Sin embargo, la primera aplicación documentada del uso de carbón activo en fase gas, se da en 1793 por el Dr. D. M. Kehl quien usa carbón vegetal para eliminar olores emanados por la gangrena. El mismo doctor lo usaba también para filtrar el agua para beber [Oviedo, 2006].

La primera aplicación industrial del carbón activado tuvo lugar en Inglaterra, en 1794, donde se usó como decolorante en la industria del azúcar, aún cuando la patente se publica hasta 1812. En 1854 tiene lugar su primera aplicación a gran escala cuando un alcalde de Inglaterra ordena instalar filtros de carbón vegetal en los sistemas de ventilación de los drenajes. En 1872, aparecen las primeras máscaras con filtros de carbón activado usadas en la industria química para evitar la inhalación de vapores de mercurio.

No es sino hasta 1881, cuando Kayser introduce el término adsorción para describir como los materiales carbonizados atrapaban a los gases. En fechas cercanas, Von Raphael Ostrejko, quien se considera como el inventor del carbón activado, desarrolló varios métodos para producir carbón activado tal y como se conoce hoy en día. En 1901 patentó dos de sus métodos.

Durante la Primera Guerra Mundial el uso de agentes químicos trajo como consecuencia la necesidad de desarrollar filtros de carbón activado para máscaras de gas. Este fue el punto de partida para el desarrollo de la industria de carbón activado que se expandió hacia otros usos.

En los años 60 varias plantas de aguas empezaron a usar carbón activado en forma de polvo

o granular.

Actualmente, el carbón activado tiene cientos de aplicaciones diferentes, tanto en sistemas de vapor, como en fase líquida. El mayor consumo a nivel mundial es para aplicaciones en fase líquida siendo éste de hasta un 80%.

Entre sus variados usos podemos mencionar: para purificar agua, desodorizar, adsorber gases, decolorar, o ionizar. Dadas sus características muy versátiles, los hacen valiosos en las industrias de minería, vitivinicultura, de alimentos, cigarreras, farmacéuticas, fabricación de filtros para control de emisiones, de cosmética y muchísimas otras áreas.

En los últimos años, la creciente demanda de nuevos sistemas de almacenamiento de energía ha impulsado la utilización de los carbones activados en electrodos de condensadores eléctricos de doble capa, también llamados súper-condensadores. Estos dispositivos son usados en sistemas de copias de seguridad para computadoras, telefonía móvil, sistemas de potencia no-interrumpida, escáner, etc.

4.2. CARBÓN ACTIVADO A PARTIR DE LA CÁSCARA DE COCO

A partir de la cáscara de coco es posible obtener diferentes tipos de carbones activados para aplicaciones diversas variando las condiciones de preparación.

Por ejemplo, activando la cáscara de coco a alta temperatura (800 C) en presencia de◦ vapor de agua se puede obtener un carbón hidrofílico (afinidad con el agua), microporoso (con ultramicroporos de diámetros < 0.7 nm), apropiado para aplicaciones que involucran separación de gases; pero, si se activa a menor temperatura (450 C) usando un agente◦ químico, como ácido fosfórico o cloruro de zinc, se puede obtener un carbón hidrofílico de poros más anchos (con mesoporos > 2 nm) apropiado para aplicaciones en fase líquida [Reinoso, (2005)]. Además, de obtener una amplia distribución de poros, el carbón activado obtenido de la cáscara de coco resulta con mayor dureza y resistencia, comparado con el obtenido de madera. Otra ventaja que ofrecen los carbones activados obtenidos de materiales orgánicos, en relación a los obtenidos de materiales inorgánicos, es que en los primeros, el porcentaje de cenizas es menor.

El coco como materia prima a nivel mundial es muy abundante. Se produce en más de 90 países en el mundo, no obstante sólo en una docena de ellos se concentra el 91.1% de superficie plantada con este cultivo. Los países asiáticos son los que cuentan con la mayor extensión. Los dos únicos países en América que forman parte de este grupo son Brasil con 2.4% y México con 1.4% ocupando el doceavo lugar. En México, el estado de Guerrero es el que presenta la mayor superficie (51.8%) plantada por cocoteros [Sagarpa, 2001]. En el 2002 México reportó una producción anual de coco de 959,000 toneladas [Cofupro, 2002].

El cocotero, es la más importante de todas las palmeras. Es conocido como el árbol de la vida, ó el árbol de los mil usos, su fruto, hojas y madera, proporcionan a muchos pobladores rurales de alimento, bebidas, combustible y alojamiento. Aunque su uso predominante es el de la producción de copra (la carne seca del coco), de la que se obtiene aceite, muy bien cotizado en las industrias de alimentos y cosméticos, y los residuos que quedan, se usan para pasto animal. La cáscara dura o endocarpio del coco se usa como combustible de alto

valor calorífico (7500–7600 cal/g), y también sirve de materia prima para la obtención de carbón activado.

Debido al gran auge del mercado del carbón activado resulta conveniente estudiar las posibilidades de expansión en la utilidad y la producción del cocotero. Así, si se considera que una hectárea en una hacienda de cocos puede producir unos 10 mil cocos por año, y que cada coco tiene una cáscara de aproximadamente 200 gramos se tendría entonces, 2 toneladas de cáscara de coco por hectárea. Para obtener una tonelada de carbón activado se necesitan aproximadamente 11 toneladas de cáscara de coco [Soyentrepreneur, 1998]. Los requerimientos de producción que se estiman para la unidad que se propone son de aproximadamente 600 toneladas anuales de carbón activado.

V. OBJETIVO GENERAL

• Aprovechar los residuos de la cáscara del coco para obtener carbón activado.

VI. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Obtener carbón activado de la cáscara del coco por el método de activación física.

• Obtener diferentes tamaños de partículas del carbón activado.

• Dar valor agregado al producto final.

VII. MATERIALES Y MÉTODOS

La materia prima para la fabricación del carbón la constituye la cascara dura o hueso (endocarpo), que queda después de extraer la carne o pulpa (endospermo sólido) y la borra. Para iniciar con el procedimiento, primero se deben recolectar las cáscaras de cocos que se desecharon, para ello recolectaremos las cáscaras de aproximadamente 20 cocos; luego les quitaremos el resto de la cáscara de fibra y la limpiaremos. Procedemos con la cremación del endocarpo para poder obtener el carbón; se trabajará a condiciones específicas, tales como mantener la temperatura del sistema y el flujo de vapor para que el carbón resulte de la forma deseada durante y después del proceso, por ello utilizaremos en este caso una mufla para llevar el procedimiento. Al haber quemado el endocarpo de los 20 cocos obtendremos 1 kilo de carbón de coco, el cual limpiaremos para remover las sustancias innecesarias para

el siguiente proceso, es decir, la activación del carbón, que se llevará a cabo utilizando el método de activación física, por lo cual se volverá a quemar pero con presencia de un agente activante que puede ser CO2 y vapor de agua; esto hará que el carbón se oxide, lo que formará la primera fase de activación y se obtendrá una estructura esponjosa en el carbón y así pueda retener las partículas que contenga el fluido a limpiar.

Todo lo anterior se estará trabajando de una temperatura baja a temperaturas de 800 a 1000 °C para expulsar los hidrocarburos o (sustancias volátiles), por lo cual hay que tener cuidado, después de haber activado el carbón es necesario enfriarlo en agua. A veces son necesarios ciertos pretratamientos como la molienda y el tamizado por lo cual utilizaremos una zarandadora y un grupo de tamizas a determinado tamaño de malla para obtener el tamaño adecuado del precursor o también para darle forma al carbón en el caso puede ser en polvos, granulados o con formas. En otras ocasiones el material de partida es molido hasta formar un fino polvo, después compactado con algún aglomerante en forma de briquetas y luego vuelto a moler hasta obtener el tamaño deseado. De esta forma se consigue una mejor difusión del agente activante y por tanto una mejor porosidad en el carbón activado resultante, ya se apara purificar el agua o el aire, también puede depender de la persona quien requiera el carbón activado, a todo esto quedara un carbón poroso a lo que se eliminaron una cierta cantidad de carbón para obtener esa estructura porosa.

Al final para poder saber si nuestro procedimiento se obtuvo buenos resultados se necesita hacer una prueba de espectrofotometría, para ver el grado de porosidad en cada grano de carbón activado.

VIII. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

ACTIVIDADES

MESES

AGOSTO

SEPTIEMBRE

OCTUBRE

NOVIEMBRE

DICIEMBRE

Recolección de la cáscara de coco

Incineración y secado del carbón obtenido de la cáscara de coco

Activación del carbón por métodos físicos y comprobación de la activación del carbón por espectrofotometría.

Separación de los diferentes tamaños de partículas del carbón activado mediante tamizado.

Informe de resultados.

IX. RECURSOS

En la presente investigación, los cocos y/o cáscaras de coco serán donados por el señor _donaciano_______________________________________________, de la colonia Huanacastal, municipio de Tonalá, Chiapas, quien se comprometió a dar los cocos necesarios para nuestro protocolo de investigación.

Una vez obtenidas las cáscaras de coco, se trasladarán al Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez para llevar a la práctica nuestro proyecto, utilizando equipos de algunos laboratorios, como los molinos del laboratorio de ingeniería química (edificio N), espectrofotómetro del laboratorio de fisicoquímica (edificio F), tamizadora con sus respectivos tamices del laboratorio de alimentos (edificio D).

Los gastos del proyecto correrán a cuenta propia. En esta parte se incluyen tanto los gastos de transporte de material como el de los materiales que se utilizarán,

RECURSOS presupuesto

Cascaras de coco

Transporte $50

Almacenamiento

Combustible $20

Energía eléctrica $30

Molinos

Mufla

XI. BIBLIOGRAFÍA

• http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/20980/Capitulo1.pdf

• http://www.slideshare.net/renatolachira/carbn-activado

• http://www.izt.uam.mx/newpage/contactos/anterior/n64ne/carbon_v2.pdf

• http://guerrero.gob.mx/articulos/aprovechamiento-integral-de-la-palma-de-coco/

• http://www.carbotecnia.info/carbon%20activado.htm

• http://es.slideshare.net/renatolachira/carbn-activado

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• http://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3n_activado

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• http://www.carbotecnia.info/carbon%20activado.htm

• http://www.uru.edu/fondoeditorial/articulos/Garcia/preparacion%20de %20carbon%20activado.....pdf

• http://www.oocities.org/edrochac/sanitaria/carbonactivado.htm

• http://www.researchgate.net/publication/ 44215338_OPTIMIZACIN_DE_LA_PRODUCCIN_DE_CARBN_ACTIVADO_DE_CSCARA_DE_COCO_MEDIANTE_STEAM_EXPLOSION

•

• https://www.google.com.mx/url? sa=t & rct=j & q= & esrc=s & source=web & cd=10 & cad=rja & ved=0CHkQFjAJ & url=http %3A%2F%2Fojs.uo.edu.cu%2Findex.php%2Ftq%2Farticle%2Fdownload%2F2251%2F1792 & ei=ZPmFUa- PA6b00QHpyoHIBg & usg=AFQjCNGmxyx353Jj0kmMs9clGZQT90bXWw & sig2=vEG_DzHz-

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XII. ANEXOS