1 OBTENCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO A PARTIR DEL PSEUDOTALLO DE PLATANO Y LA BORRA DEL CAFÉ Y SU EVALUACIÓN EN LA REMOCIÓN DE CONTAMINANTES Y OLOR

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OBTENCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO A PARTIR DEL PSEUDOTALLO DE PLATANO Y LA BORRA DEL CAFÉ Y SU EVALUACIÓN EN LA REMOCIÓN DE CONTAMINANTES Y OLORES DE AGUAS RESIDUALES
OBTAINING ACTIVATED CARBON FROM THE PLATANO PSEUDOTALLO AND THE COFFEE CAP AND ITS ASSESSMENT IN THE REMOVAL OF POLLUTANTS AND ODORS OF WASTEWATER
Gian Carlos Naranjo Rojas, Carlos Toro Gómez, Luis Eduardo Giraldo
Universidad del Quindío facultad de ciencias básicas y tecnologías
Laboratorio de Procesos Químicos Universidad del Quindío
Docente: Carlos Alberto Guevara 
Marzo 13 del 2020 
RESUMEN. El incremento de la contaminacion de las afluentes hidricas, ha dado origen a la necesidad de buscar metodos amigables con el medio ambiente para su posterior uso como descontaminante, ademas el pseudotallo del platano y la borra del café ambos son residuos biomasicos que se desechan desconociendo su potencial uso. Por tanto se hace carbon activado mediante tratamiento fisicoquimico con vapor y pirrolisis. La optimización de carbón activado se realizó con diferentes sales a una misma concentración como MgCl2, ZnCl2, CaCl2 al 20 %. y H3PO4 al 30 %. La severidad del tratamiento con vapor tuvo un efecto significativo en la obtención de carbón activado. La microporosidad del carbón activado fue evaluado en aguas residuales por medio de absorción UV-vis. Ambos tratamientos absorbieron la materia residual con una mínima turbidez. El metodo empleado en la obtencion de carbon activado y que mejores resultados arrojo deacuerdo a la norma ISO 7887 fue con el pseudatallo del platano utilizando el CaCl2 como agente activador. 
Palabras claves: Pseudotallo del platano, borra del café, agente activante.
UNIVERSIDAD DEL QUINDÍO
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS Y TECNOLOGÍAS
PROGRAMA DE QUÍMICA
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ABSTRACT. 
The increase in the contamination of the tributaries of water has given rise to the need to search for environmentally friendly methods for their subsequent use as a decontaminant. Furthermore, the pseudostem of plantain and the coffee bean are both biological residues that are discarded without knowing their potential use. Therefore activated carbon is made by physicochemical treatment with steam and pyrrolysis. Optimization of activated carbon was carried out with different sales at the same concentration as MgCl2, ZnCl2, CaCl2 at 20%. and 30% H3PO4. The severity of the steam treatment had a significant effect on obtaining activated carbon. The microporosity of activated carbon was evaluated in wastewater by means of UV-vis absorption. Both treatments absorb residual matter with minimal turbidity. The method used to obtain activated carbon and the best results according to ISO 7887 standard was the pseudo stem of the banana using CaCl2 as an activating agent.
Keywords: Pseudotallo of banana, coffee erase, activating agent.
INTRODUCCIÓN. 
El uso del carbón activado, en el transcurso de la historia proveniente de la civilización griega (Tebas), el cual a partir de la madera carbonizada (carbón vegetal), fue usada en aplicaciones médicas, continuando cronológicamente en el 400 a.c. Hipócrates recomienda filtrar el agua con carbón vegetal para la eliminar malos olores, sabores, para prevenir enfermedades, la primera aplicación documentada del uso del carbón activado aplicado a tratamiento de corrientes gaseosas el mismo autor uso el carbón vegetal para mitigar los olores emanados por la gangrena [1]. 
Actualmente, en la superficie de nuestro planeta, alrededor de unos 155 billones de toneladas de materia orgánica son producidas mediante el proceso fotosintético cada año, mientras tanto, solamente una porción de esta materia orgánica es directamente comestible para el hombre y los animales, siendo el restante un foco de contaminación, el material orgánico que proviene del café, este es un producto agrícola cultivado en grandes extensiones por todo el mundo, usado como bebida a partir de los granos previamente molidos, siendo la borra del café su principal desecho de esta actividad [2].
El carbón activado posee una estructura cristalina similar a la del grafito, es extremadamente porosa y puede llegar a desarrollar áreas superficiales del orden de 500 a 1500 metros cuadrados por gramos de carbón, esta área varía dependiendo de la materia prima y proceso de activación. Es conveniente analizar primero el proceso de absorción, es un proceso por el cual los átomos en la superficie de un sólido, atraen, retienen moléculas de otros compuestos, estas fuerzas de atracción son conocidas como fuerzas de Van der Waals, la activación de cualquier carbón consiste en multiplicar el área superficial [3].
Los procesos de absorción se utilizan ya que presentan eficiencia en la purificación de aguas residuales, esto a ocasionando un desarrollo en las operaciones y procesos en la industria química, un variado número de aplicaciones de los fenómenos de absorción se hacen evidentes durante el proceso de catálisis heterogénea [4].
La obtención de carbones activados a partir de material lignocelulósico es ampliamente usada en la industria química debido al bajo costo y a la abundancia de este tipo de materiales, para la preparación de carbón activado, primeramente, el material es calcinado y posteriormente es sometido al proceso de activación esto produce un aumento en su porosidad y su capacidad de absorción. Existen dos tipos de fenómenos de absorción, física por medio del cual las impurezas se unen a la superficie del carbón por unas fuerzas débiles, en este tipo de absorción no existe intercambio de electrones entre adsorbente y adsorbato, a diferencia de la química donde aparecen fuerzas mayores, en las cuales ocurren modificaciones de las estructuras químicas del adsorbato y del adsorbente [5]. 
MATERIALES Y MÉTODOS 
· Preparación de la biomasa vegetal
La materia prima que se utilizó tanto el pseudotallo del platano como la borra del caféson provenientes de residuos en cosecha en una finca de Armenia Quindío. El material se limpió y se molió hasta obtener las fibras del plátano y la caracterización de carbón activado. Se utilizó un espectrómetro UV-vis marca shimadzu. 
La obtecion de carbon activado se realizo usando dos materias primas difenerentes, una de ellas fue el pseudotallo de platano (cascara de platano) la cual inicialmente se rebano en trozos rectangulares semifinos con el fin de introducirlos en un molino mecanico, para poder ser exprimidos y molidos hasta liberar la mayor cantidad de agua y reducir el tamaño de particula, con el objetivo de asegurar que el material este lo mas seco posible se dejo en un secador. El otro material usado en la obtencion del carbon activado fue la borra de café, sin embargo este ya se encontraba totalmente seco.
Una vez realizado el paso anterior cada grupo (8 grupos), pesaron 20 g de la muestra correspondiente y se dejo totalmente cubierta por la disolucion del agente activante por un periodo de 24 horas, cada grupo uso un agente activante diferente, ver tabla 1. Los cuales son H3PO4 al 40 %, y diferentes sales como MgCl2, ZnCl2, CaCl2 al 20 %. 
	Grupo
	Codigo
	Materia prima
	Agente activante
	1
	DAK
	Borra del café
	H3PO4, al 40 %
	2
	CY
	Borra del café
	MgCl2, al 20%
	3
	CGL
	Borra del café
	ZnCl2, al 20%
	4
	DJ
	Borra del café
	CaCl2, al 20%
	5
	FDJ
	Cascara de platano
	H3PO4 al 40 %
	6
	YIR
	Cascara de platano
	MgCl2, al 20%
	7
	JJL
	Cascara de platano
	ZnCl2, al 20%
	8
	JJ
	Cascara de platano
	CaCl2, al 20%
En la tabla siguiente, se encuentra consignado el material usado por cada grupo como del agente activante empleado. 
Tabla 1. Relacion entre la muestra trabajada y el agente activante empleado por cada grupo.
· Preparación del Carbón activado
Transcurridas las 24 horas el material vejetal ya esta activado, para poder retirar el agente activado sobrante se lavo con agua destilada en una relacion 1:5, la disolucion resultante se filtro y el filtrado se llevo a evaporacion con el fin de determinadar la cantidad de activante absorbido por el material vegetal. Si el agente activante utilizado fueel H3PO4 al 40 %, el filtrado no se evaporo si no que se titulo con NaOH.
Culminado este proceso el precipitado (material vegetal activado) se calcino en una mufla electrica entre 400 a 600 °C durante una hora. 
Finalmente una vez calcinado el material vegetal, se seco en una estufa a 110 °C, durante 48 horas, si el agente activante fue H3PO4 al 40 % este se neutralizo con NaOH y se lavo con agua destilada antes de ser secado en la estufa, finalmente el carbon activado se trituro en un mortero de agata y se paso por un tamiz numero 100, con el fin de seleccionar el tamaño de particula adecuado.
· Evaluación del Carbón activado
Con el objetivo de medir la capacidad de absorcion de contaminantes de una muestra residual, se realizo un analisis de dicha capacidad a un agua residual proveniente de la curtiembre La Maria ubicada en la ciudad de Armenia, para ello a una alicuota de 50 mL de esta agua residual se junto con 0.25 g del carbo activado previamente preparado, y esta disolucion se llevo a agitacion magnetica por 30 minutos. 
Una vez terminao este proceso se pasaron las muestras por un filtro de 0.22 µm y se midió su absorción en un espectrofotómetro UV-Vis a 430, 525 y 620 nm, de acuerdo a la norma ISO 7887, se utilizó como blanco, agua destilada pasada por el mismo filtro de 0,22 µm. Finalme se evaluo el porcentaje de remoción, con la siguiente formula:
Formula 1: Porcentaje de remoción.
ANALISIS Y RESULTADOS 
Despues de realizar la practica un aspecto importante, es poder determinar el rendimiento de la materia vegetal escogida con respecto al carbon activado.
	Grupo
	Codigo
	carbon activado (g)
	1
	DAK
	4.5
	2
	CY
	2.26
	3
	CGL
	3.084
	4
	DJ
	3.186
	5
	FDJ
	1.86
	6
	YIR
	1.14
	7
	JJL
	2.11
	8
	JJ
	10.1078
Tabla 2. Cantidad de carbon activado generado por cada grupo.
En la tabla anterior, se encuentra consignado la masa en gramos resultante de carbon activado generado apartir de la muestra vegetal usada por cada grupo.
· Porcentaje de rendimiento: Para obtener el porcentaje de rendimiento de obtencion del carbon activado utilizando la cascara de platano con cualquierea de los mencionados agentes activadores se tendrá en cuenta el peso obtenido de carbón activado al finalizar el proceso y la cantidad de vástago húmedo (masa húmeda, mh) que se tenían que tener con respecto a la cantidad tomada al ya estar exprimido (masa exprimida, me) en cada una de las dos muestras tomadas. Para obtener el porcentaje de rendimiento de obtencion del carbon activado utilizando la borra del café con cualquierea de los mencionados agentes activadores se tendra en cuenta el peso del carbon activado obtenido y el peso de la borra de café inicial. Se mostraran con detalle el calculo de dos grupos correspondiente a la cascara de platano y a la borra del café, estos resultados se mostraran en la tabla 3. 
Para la cascara de platano (grupo 5): 20 g masa exprimida. (La misma cantidad de muestra vejetal fue usada por los grupos 5, 6, 7, 8, lo unico que cambia es la masa de carbon activado obtenida. 
100 g mh 68.18 g me
X 20 g me
Para la borra de café (Grupo 3): 
20 g de material vegetal seco, 3.084 g de carbon activado resultante.
De esta manera se hace para los demas grupos.
	Grupo
	Codigo
	Material vegetal seco (g)
	Porcentaje de rendimiento 
	1
	DAK
	20
	22.5 %
	2
	CY
	20
	11.3 %
	3
	CGL
	20
	15.42 %
	4
	DJ
	20
	15.93 %
	5
	FDJ
	20
	6.34 %
	6
	YIR
	20
	3.89 %
	7
	JJL
	20
	7.19 %
	8
	JJ
	60
	11.48 %
Tabla 3. Porcentaje de rendimiento de cada grupo, en relacion al carbon activado resultante.
La cantidad de carbón activado obtenidos con activación física y química, teniendo en cuenta las condiciones empleadas Se observa que el ácido fosfórico fue el mejor agente activador en comparación con las sales utilizadas mostrando rendimientos mucho mayores tanto para la borra de café como la borra de plátano.
Los rendimientos teniendo en cuenta las sales de ZnCl2, CaCl2 y MgCl2 utilizados para la borra de café dieron porcentajes mucho más altos, Por otra parte, se observa una disminución del porcentaje de carbón activado para las sales ZnCl2, CaCl2 y MgCl2 usadas en el vástago de plátano.
El rendimiento de carbón activado puede variar dependiendo de las condiciones del proceso como lo es la velocidad de calentamiento, el tiempo de residencia de los productos y la temperatura máxima alcanzada. También es importante reconocer la composición del material vegetal en porcentaje de celulosa, hemicelulosa y lignina [6]. 
Algunos compuestos activantes como el ácido fosfórico son agentes deshidratantes que influyen en la pirolisis, este acido se emplea para la activación de materiales lignocelulosos y compuestos como la hemicelilosa y α-celulosa se utilizan bases fuertes [7]. Esto corrobora que los mayores porcentajes de rendimientos obtenidos experimentalmente para la borra de café y la cascara de plátano fueron con ácido fosfórico debido a que este realiza una deshidratación del material que contiene lignocelulosa que da lugar a la carbonización y posterior a esto se le da una activación térmica el cual da a continuación con la carbonización realizado a altas temperaturas. 
Existen otro tipo de sales las cueles se utilizaron en la práctica siendo agentes químicos activantes como lo son ZnCl2, CaCl2 y MgCl2, sin embargo, el más usados industrialmente es el ZnCl2 llevándose a una activación térmica entre 550 y 900 ̊C lo pues podría explicar que la temperatura máxima alcanzada de 450 ̊C; este fue uno de los factores posibles en rendimientos menores de carbón activado en plátano comparados con los del café. 
· Evaluación espectroscópica del carbón activado en aguas residuales de la curtiembre La Maria
Para cada uno de los carbones activados obtenidos se emplearon en un agua proveniente de la curtiembre La Maria, para poder determinar el efecto positivo o negativo del carbón activado en la absorcion de contaminantes de una muestra residual se hizo uso de la norma ISO 7887, esta establece que la intensidad de color en una muestra de agua se debe hacer mediante la medición de la atenuación de la luz (absorción) y esta se logra gracias a la tecnica UV-VIS en longitudes de onda específicas como 430 nm, 525 nm y 620 nm. Los resultados anteriores estan consignados en la tabla 4. 
	Grupo
	430 nm
	525 nm
	620 nm
	1
	0.37835
	0.22618
	0.15506
	2
	0.33505
	0.20047
	0.13694
	3
	0.36328
	0.21506
	0.14443
	4
	0.27380
	0.16714
	0.11439
	5
	0.16990
	9.9682E-2
	6.8704E-2
	6
	0.59137
	0.32385
	0.22500
	7
	1.05200
	0.75684
	0.55843
	8
	0.15735
	9.4532E-2
	6.5727E-2
	Agua sin tratar
	0.38581
	0.23753
	0.16852
Tabla 4. Absorbancia obtenida con cada carbón activado en las longitudes de onda especificadas.
· Porcentaje de remoción:
Para cada una de los carbonos activados obtenido se procede a calcular el porcentaje de remoción de cada una de las longitudes de onda de absorción máxima realizadas para así poder cuantificar la intensidad de color, esto es realizado empleando la fórmula 1.
A continuación, se mostrará con detalle el cálculo del porcentaje de remoción de un grupo (grupo 3, 430 nm), estos resultados se mostraran en la tabla 5.
De esta manera se hace para los demas grupos y para las demas longitudes de onda.
	Grupo
	430 nm
(%)
	525 nm 
(%)
	620 nm (%)
	1
	1.9335943
	4.7783438
	7.9871825
	2
	13.156735
	15.602240
	18.739615
	3
	5.8396620
	9.4598577
	14.295039
	4
	29.032425
	29.634152
	32.120816
	5
	55.962780
	58.033932
	59.230952
	6
	-53.28012
	-36.34067
	-33.51530
	7
	-172.6731
	-218.6292
	-231.3731
	8
	59.215676
	60.202079
	60.997507
Tabla 5. Coeficientes de absorción calculados en cada longitud de onda respecto al carbón activado de cada grupo.
Al hacer este tipo de analisis, es importante determinar cualitativamente las propiedades fisicas del agua, como olor y color. El agua sin tratar proveniente de una curtiembre de la ciudad de Armenia era de un color café amarillento muy turbio, y un olor bastante fuerte resultando ser desagradable.
Transcurridos los 30 minutos de agitacion magnetica endonde cada grupo tenia el carbon activado previamente obtenido con el agua de la curtiembre, se evidencio una disminucion de olor y color. Lo anterior se corrobo en el analis realizado en el espectro UV-VIS (Tabla 5), donde el grupo 8 obtuvo un porcentaje de remocion del 59.22 % para 430 nm, 60.20 % para 525 nm y 60.99% para 620 nm, este tipo de carbon activado se obtuvo apartir de la cascara de plano y CaCl2 al 20 % como agente activante, seguido a este en el porcentaje de remocion se encuentra el grupo 5, 4, 2, 3, 1. 
La porosidad del carbon activado se relaciona con la estructura del grafeno los cuales forman una red cristalina en forma de panal de abeja. Esta estructura es la que contrubuye a su propiedad mas importante, su capacidad adsorbente, ya que constituye una estructura accesible y con elevada porosidad por lo tanto en el espectro de UV-VIS se puede afirmar que la absorbancia de las muestras 2 y 6 son mucho menores a la absorbancia de la muestra problema lo que quiere decir que hay menor cantidad de particulas en el agua y el tamaño de los poros fue el mas adecuadopara la adsocion del material particulado. Para las muestras 1,3,4,5 y 7 las absorbancias dieron resultados parecidos y para las el grupo 8 y 9 mostro absorbancias muchomayores lo cual indica un posible contaminacion o un mal tratamiento o erros del operario. para Hacer afirmaciones mas detalladas acerca de la remocion de particulas contaminantes en aguas es necesario hacer otros estudio de isotermas de adsorcion asi como estudios de tamaño de particulas mediante la difraccion entre otros. [7]. 
Sin embargo no todo es color de rosa, pues la (Tabla 5) muestra valores negativos, dando a entender que en vez de remover los contaminantes de la muestra residual, este tipo de carbon activado contribuyo a crear mas, muestra de ello tenemos el grupo 7 y 6, donde no hubo remocion de contaminantes, este tipo de carbon activado se obtuvo apartir de la cascara de plano y ZnCl2 al 20 % y MgCl2 como agente activante respectivamente.
 
CUESTIONARIO
1. Acudiendo a información verificable y actualizada, emitida por instituciones responsables, calcule la cantidad de residuos generados por la agroindustria que Usted seleccionó y que podrían ser transformados en sustancias de mayor valor. Además, a partir del rendimiento calculado, determinar la cantidad de carbón activado que podría ser obtenido, utilizando todos estos residuos. 
Rta: Según el ministerio de Ambiente, el país genera unos 12 millones de toneladas al año, siendo el 85% generado en las casas mientras que en la industria se produce el 15% restante [8].
El centro nacional de investigaciones de café, Cenicafe, propone un manejo de los residuos en la agroindustria cafetetera, ya que, en este caso, se utiliza el 9,5% del peso del fruto fresco en la preparación de la bebida, siendo el 90,5% queda en forma de residuo, esto ha ocasionado un crecimiento en el aprovechamiento de los subproductos generados en la industria del café (la pulpa del café, mucilago, pergamino y la borra del café).
Un metodo empleado para el aprovechamiento de estos residuos es un sistema modular de tratamiento anaerobio (SMTA) es un prototipo para el tratamiento de las aguas residuales generadas en la industria del café, donde se obtiene el (lodo metanogenico) el cual es preparado de la borra del café siendo el soporte para los sustratos utilizados en la generación de hongos tropicales (Hypsizygus marmoreus, Lentinula edodes y Ganoderma lucidum) [9]. 
2. ¿Qué materias primas de nuestra región, podrían ser utilizadas para obtener carbón activado? Acuda a la literatura científica para mostrar algunos ejemplos.
Rta: Algunos de los desechos más comunes en la zona de Quindío son las hojas de plátano, el tamo de arroz, la cascarilla del algodón, el aserrín de zoca y roble, el salvado de maíz [9].
3. Adicionalmente, a la caracterización realizada en la práctica de laboratorio, ¿qué otras metodologías, se podrían implementar en la U.Q. (teniendo en cuenta la infraestructura), para determinar, por ejemplo, el tamaño de poro, la capacidad de adsorción, el punto de saturación del carbón, la superficie de contacto, del carbón obtenidos?
Rta: La metodología a implementar para los procesos de precalentamiento, carbonización y activación del carbón activado son las siguientes:
Métodos físicos mediante la implementación del vapor de agua utilizando el autoclave y mediante el uso de la radiación del microondas para generar el carbón activado.
Para obtener el tamaño del poro, la capacidad de adsorción, el punto de saturación del carbón, la superficie de contacto se tendrá que caracterizar mediante difracción de rayos x (XRD), el microscopio electrónico de barrido (SEM), y el microscopio electrónico de transmisión [10]. 
4. ¿Cuáles son los usos de los carbones activados?, ¿Qué relación tiene la fuente (materia prima), de la que se obtiene, con los usos que se proponen para el carbón activado?
Rta: Los usos del carbón activado son muy diversos, desde terapias de desintoxicación, especialmente el colon, limpia y blanquea los dientes, alivios estomacales (hichazon, gases, diarrea), extracción de metales (oro), Potabilización del agua, Clarificación de jarabe de azúcar. La relacion de la fuente prima con los usos del carbón activado es significativa, ya que obtener una buena materia prima depende entre otras cosas, la disponibilidad, la accesibilidad económica, pureza, y el rendimiento de la obtencion de carbón activado en relacion con la cantidad de material vegetal usado [11]. 
CONCLUSIONES
· El carbón activado obtenido apartir de la cascara de plátano y el CaCl2 al 20%, fue eficaz a la hora de remover residuos sólidos del agua de la curtiembre. 
· El grupo 1 y el grupo 8 obtuvo un porcentaje de rendimiento mucho mayor el cual fue de 22,5 para el grupo 1 y 11.48 % para el grupo 8.
REFERENCIAS
[1] Radke,C. J.,J.M.Prausnitz,"Thermodinamics of Multi-solute Adsorption from Dilute Liquid Solutions". AICIIE Journal l8 (1972):76I-76 
[2] G.Carriazo, A. l. (2010). Adsorption properties of an activated carbon and determination of Langmuir's equation using low cost materials. Educación Química, volume 21, 224-229.
[3] Ortega, G. C. (s.f.). Aprovechamiento de la borra de café para la producción de carbón activado y su. Memorias III Seminario Internacional de Ciencias Ambientales SUE-Caribe, 43-45.
[4] Daud, W.M.A.W., Ali, W.S.W., Sulaiman, M.Z., 2000. The effects ofcarbonization temperature on pore development in palm-shell-based activated carbon. Carbon 38, 1925–1932.
[5] Tsai, W. T., Chang, C. Y., & Lee, S. L. (1998). a Low Cost a D S O R B E N T From a G R I C U L T U R a L Waste Corn Cob By Zinc Chloride Activation. 64, 211–217.
[6] Hu, Z., Srinivasan, M.P., 1999. Preparation of high-surface-area activated carbons from coconut shell. Micropor. Mesopor. Mater. 27, 11–18. 
[7] R. C. Bansal, J. B. Donnet, and F. Stoeckli, Active carbon. Marcel Dekker, New York (1988).
[8] Vera, H. D. (04 de Junio de 2019). Basuras y multas. La crónica del Quindío.
[9] Valencia, N. R. (2018). Manejo de residuos en la agroindustria cafetera.
[10] A.S. Balaganesh, R. S. (2018). Synthesis and Characterization of Porous Calcium Oxide Nanoparticles (CaO NPS). International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE).
[11] Solís-Fuentes, J. A. (2012). Obtención de carbón activado a partir de residuos. Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal, 36-48.