Carbone attivo: Dalla Produzione all'Uso Pratico.
Il carbone attivo, noto anche come carbone attivato, è una forma di carbonio che ha subito dei trattamenti di attivazione con lo scopo di potenziare le capacità adsorbenti che lo caratterizzano, aumentando superficie interna e porosità.
È prodotto tramite la carbonizzazione di materiali organici come legno, noce di cocco o direttamente da carbone fossile, seguita da un processo di attivazione che aumenta la sua porosità e la sua capacità di assorbire sostanze chimiche e impurità.
Il carbone attivo, deve queste proprietà alla sua struttura altamente porosa.
Questa struttura porosa non è uniforme ma piuttosto, si compone di una complessa rete di pori di dimensioni variabili.
Utilizzo
Nell'ambito degli acquari marini di barriera, il carbone attivo viene utilizzato come parte del sistema di filtraggio per migliorare la qualità dell'acqua.
La sua capacità di adsorbire sostanze organiche, composti chimici nocivi e altre impurità lo rende uno strumento prezioso per mantenere un ambiente acquatico sano e stabile.
In un acquario marino di barriera, la qualità dell'acqua è cruciale per la salute e il benessere degli organismi viventi, ed in generale di tutto il sistema.
L'acqua deve avere parametri stabili e ben definiti per garantire la sopravvivenza e la prosperità degli abitanti dell'acquario.
I parametri chiave dell'acqua, come la temperatura, il pH, la triade, la salinità e la concentrazione di nutrienti, devono essere mantenuti entro determinati intervalli per replicare le condizioni naturali ed offrire un ambiente adeguato ai nostri ospiti.
La presenza di un eccesso di sostanze organiche in decomposizione, composti chimici nocivi o altri contaminanti può compromettere la qualità dell'acqua, causando problemi di salute agli abitanti dell'acquario e influenzando negativamente la stabilità dell’intero ecosistema.
L'obiettivo principale dell'utilizzo del carbone attivo nell'acquario marino di barriera è quello di migliorare la qualità dell'acqua mediante la rimozione di sostanze indesiderate e contaminanti.
Il carbone attivo agisce come un adsorbente selettivo altamente efficace, adsorbendo sostanze organiche nocive disciolte come residui di farmaci, metaboliti e tossine prodotte dai coralli e dagli altri organismi.
Adsorbe e trattiene anche diversi composti chimici nocivi, inclusi coloranti, pesticidi e metalli pesanti, che possono essere introdotti accidentalmente nell'acquario, così come contribuisce in maniera attiva al miglioramento della trasparenza dell’acqua.
Processo di produzione
Il carbone attivo è noto per la sua struttura altamente porosa, che gli conferisce una vasta area superficiale per unità di volume e alla quale dobbiamo le sue caratteristiche.
Questa struttura porosa è ottenuta tramite il processo di carbonizzazione e attivazione del materiale carbonioso di base.
Durante la carbonizzazione, il materiale organico carbonioso viene riscaldato a temperature elevate in assenza di ossigeno, producendo carbone.
Successivamente, il carbone viene attivato mediante trattamenti chimici o fisici che aprono e aumentano la sua porosità.
Scelta delle materie prime
I materiali più comunemente utilizzati per la produzione di carbone attivo includono lignina, gusci di noce di cocco, carbone fossile e torba. Ogni tipo di materiale produce un carbone attivo con caratteristiche specifiche di porosità e capacità di assorbimento.
Legno: I carboni attivi derivati dal legno, generalmente tendono ad avere una porosità relativamente alta e una buona quantità di macro-pori, rendendoli adatti per l'adsorbimento di molecole di grandi dimensioni. Tuttavia questo riduce la loro efficienza nell'adsorbire piccole molecole rendendoli meno interessanti per i nostri scopi, se non trattati in maniera specifica.
Torba: La torba, essendo meno densa e più eterogenea nella composizione rispetto agli altri materiali carboniosi, porta alla produzione di carbone attivo con un mix variabile di pori, ma di qualità inferiore. Nonostante tendano ad avere un buon equilibrio tra micro e meso-pori, la loro scarsa area superficiale li rende meno performanti e quindi meno adatti ad applicazioni avanzate.
Carbone fossile: I carboni attivi prodotti da carbone fossile, conosciuti anche come “carboni minerali” (carbone bituminoso, lignite, antracite, etc.) presentano una struttura porosa molto sviluppata con una buona distribuzione di micro e meso-pori.
Sono particolarmente apprezzati per le loro capacità di adsorbimento di un'ampia gamma di molecole, rendendoli versatili per diverse applicazioni.
Cocco: Questi carboni attivi sono noti per la loro elevata durezza e per avere una grande quantità di micro-pori, il che li rende particolarmente efficaci nell'adsorbimento di piccole molecole organiche.
Sono spesso preferiti per applicazioni che richiedono la purificazione dell'acqua da contaminanti molecolari di piccole dimensioni e sono tra i più comunemente utilizzati nel nostro settore.
Attivazione del carbone
L'attivazione del carbone gioca un ruolo cruciale nel determinare la sua efficacia come materiale adsorbente.
Il processo di attivazione del carbone ha un impatto significativo sulla struttura porosa finale del materiale, per questa ragione la qualità e le caratteristiche finali del prodotto dipendono anche dalla tecnica di attivazione impiegata.
Attivazione Chimica: Nell'attivazione chimica, il materiale carbonioso è sottoposto all'azione di agenti chimici attivanti prima della carbonizzazione.
Questi agenti chimici (es. acido fosforico, idrossido di sodio o di potassio, cloruro di zinco, etc.) degradano e gonfiano la struttura del materiale di partenza, aumentando la sua porosità interna.
Il trattamento avviene a temperature comprese tra 450°C e 900°C, significativamente inferiori a quelle utilizzate nell'attivazione fisica.
Acido Fosforico (H3PO4): Comunemente usato per attivare materiali a base di lignina. Il processo porta alla formazione di una struttura altamente porosa, ideale per l'adsorbimento di coloranti e sostanze organiche di piccole dimensioni dal liquido.
Idrossido di potassio (KOH): L'utilizzo di KOH è noto per produrre carbone attivo con una grande quantità di micro-pori e superfici altamente attive, utili ad esempio per l'adsorbimento di gas e vapori, come l'ammoniaca o il biossido di zolfo.
Questo metodo è particolarmente vantaggioso per applicazioni che richiedono un'alta densità di micro-pori, come la purificazione dell'acqua potabile, la rimozione di contaminanti da soluzioni chimiche, o l'adsorbimento di gas nocivi dall'aria.
Attivazione Fisica
L'attivazione fisica inizia con la carbonizzazione del materiale carbonioso a temperature che possono variare da 600°C a 900°C in ambiente a basso ossigeno. Successivamente, il materiale carbonizzato è esposto a gas ossidanti (ad esempio, vapore acqueo, anidride carbonica) a temperature ancora più elevate, tipicamente tra 800°C e 1000°C. Questo processo apre la struttura porosa del carbone, rimuovendo la materia organica volatilizzata e creando una rete estesa di pori.
Attivazione con vapore acqueo
L'uso del vapore d'acqua è prevalente quando si vuole produrre carbone attivo con una buona distribuzione di pori di tutte le dimensioni. Il materiale risultante è efficace nell'adsorbimento di una vasta gamma di composti, da quelli organici volatili in fase gassosa a contaminanti in soluzioni acquose.
Attivazione con CO2
Questo metodo tende a produrre un carbone attivo con una maggiore concentrazione di meso-pori, utile per l'adsorbimento di molecole di dimensioni medio-grandi.
Scelta della tecnologia di attivazione
L'attivazione fisica è spesso preferita per la produzione di carbone attivo destinato a un ampio spettro di applicazioni, inclusa la depurazione dell'aria, il trattamento delle acque reflue industriali, e l'adsorbimento di contaminanti da flussi di gas complessi.
La scelta tra attivazione chimica e fisica dipende da diversi fattori, inclusi il costo, le proprietà desiderate del carbone attivo finale, e le specifiche dell'applicazione.
L'attivazione chimica è spesso più costosa a causa dell'uso di reagenti chimici, ma può produrre carboni attivi con proprietà adsorbenti superiori per specifici contaminanti.
D'altra parte, l'attivazione fisica è tipicamente più versatile e meno costosa, rendendo il carbone attivo prodotto adatto a una gamma più ampia di applicazioni.
Impatto ambientale
Oltre alle considerazioni tecniche, l'impatto ambientale e i costi di produzione sono anch'essi cruciali nella scelta del metodo di attivazione.
L'attivazione chimica, nonostante offra vantaggi specifici in termini di controllo della porosità e delle proprietà adsorbenti, comporta l'uso e lo smaltimento di sostanze chimiche potenzialmente pericolose, che possono avere implicazioni ambientali.
Di conseguenza, la ricerca e lo sviluppo si stanno orientando verso processi più ecocompatibili e sostenibili, come l'utilizzo di agenti attivanti più sicuri o il recupero e riutilizzo degli agenti chimici.
In contrasto, l'attivazione fisica, pur essendo generalmente più sostenibile dal punto di vista ambientale, richiede quantità significative di energia, specialmente nelle fasi di carbonizzazione ad alta temperatura e attivazione con gas ossidanti.
L'efficienza energetica di questi processi è quindi un'area di interesse per ridurre i costi operativi e l'impronta carbonica associata alla produzione di carbone attivo.
Fortunatamente l'avanzamento tecnologico mira a sviluppare metodi di attivazione più efficienti, economicamente vantaggiosi e ambientalmente sostenibili.
Ad esempio, la ricerca esplora l'uso di microonde per l'attivazione del carbone, che può offrire un riscaldamento più rapido e uniforme, riducendo i tempi di processo e il consumo energetico.
Proprietà chimiche e fisiche
Il carbone attivo è insolubile in acqua e non reagisce con le sostanze adsorbite, rendendolo un materiale inerte e relativamente sicuro da utilizzare in acquario.
Le proprietà fisiche del carbone attivo più importanti nel nostro ambito riguardano la sua struttura porosa, che fornisce una vasta area superficiale disponibile per l'adsorbimento di impurità.
La dimensione dei pori può variare e viene calibrata scegliendo materiali e tecniche di attivazione diverse, consentendo al carbone attivo di adsorbire una gamma diversificata di composti.
Le proprietà chimiche del carbone attivo dipendono dal processo di attivazione e dalla natura del materiale di base.
Meccanismo di adsorbimento
Il meccanismo di assorbimento delle impurità nell'acqua da parte del carbone attivo si basa sull'attrazione fisica e chimica tra le molecole delle sostanze da adsorbire e la superficie del carbone.
Le molecole indesiderate nell'acqua vengono catturate e trattenute sulla superficie del carbone attivo attraverso una serie di processi, tra cui adsorbimento fisico, adsorbimento chimico e attrazione elettrostatica (forze di Van der Waals).
Il carbone attivo può contenere gruppi funzionali superficiali che possono interagire chimicamente con le sostanze da adsorbire, potenziandone ulteriormente l’efficacia.
Le impurità adsorbite rimangono quindi intrappolate nei pori permettendone una efficace rimozione.
Questo processo di adsorbimento è altamente selettivo, consentendo al carbone attivo di rimuovere specifiche classi di sostanze in base alla loro dimensione e alle loro proprietà chimiche e fisiche.
Porosità e molecole adsorbite
Come detto precedentemente, il carbone attivo, deve queste proprietà adsorbenti alla sua struttura altamente porosa. Questa struttura si compone di una complessa rete di pori di dimensioni variabili che possono essere classificati in micro-pori (diametro inferiore a 2 nm), meso-pori (diametro tra 2 nm e 50 nm) e macro-pori (diametro superiore a 50 nm).
La distribuzione e la dimensione dei pori influenzano significativamente le capacità di adsorbimento del carbone attivo, determinando la sua efficacia nell'adsorbire molecole di dimensioni diverse.
Micropori (diametro inferiore a 2 nm)
Composti fenolici e piccole molecole organiche volatili:
Questi composti organici possono derivare da varie fonti, biotiche e abiotiche.
Comprendono vari tipi di alcoli, aldeidi, acidi organici ed altri cataboliti che possono essere presenti nell'acqua dell'acquario come risultato del metabolismo degli organismi viventi o della decomposizione di materia organica.
Sono tossici per molti organismi acquatici e possono influenzare negativamente la salute dell'ecosistema dell'acquario.
Cloramine: Sostanze chimiche utilizzate nell'acqua potabile per la disinfezione, ma nocive per gli organismi viventi negli acquari.
Le molecole di cloro e cloramina sono di dimensioni sufficientemente ridotte da essere adsorbite efficacemente dai micro-pori.
Mesopori (diametro tra 2 nm e 50 nm)
Proteine, amminoacidi e peptidi nocivi: Anche se differiscono per dimensione, numerose proteine e peptidi nocivi sono in grado di aderire e rimanere intrappolati nei meso-pori. Molti dei composti tossici impiegati nella continua battaglia chimica tra coralli e alghe sono costituiti da tossine basate su proteine, peptidi o aminoacidi.
Eliminare queste sostanze contribuisce a attenuare gli effetti inibitori e a ridurre le manifestazioni di allelopatia.
Coloranti e tannini: Si tratta di sostanze che possono conferire all'acqua dell'acquario un colore sgradevole, riducendo la trasparenza e influenzando negativamente il metabolismo del sistema.
I meso-pori sono efficaci nell'adsorbire queste molecole.
Farmaci, antibiotici e altri contaminanti di sintesi: Dopo un trattamento farmacologico, è frequente ritrovare nel sistema residui dei farmaci impiegati e dei loro cataboliti.
Questi possono rimanere a lungo nell'acqua, manifestando effetti nocivi su altri organismi ed in generale su tutto il sistema, in particolare quando si tratta di trattamenti con alghicidi.
I meso-pori nel carbone attivo possono adsorbire queste sostanze, contribuendo a ridurre gli effetti secondari nocivi dei trattamenti.
Macro-pori (diametro superiore a 50 nm)
Grandi molecole organiche: Alcune grandi molecole organiche, come certi polimeri naturali o sintetici presenti nell'acqua, possono essere trattenute nei macro-pori. La loro rimozione aiuta a prevenire l'accumulo di sostanze che potrebbero altrimenti favorire la crescita di alghe o batteri nocivi.
È importante notare però, che mentre i micro e meso-pori svolgono un ruolo diretto nell'adsorbimento chimico di sostanze disciolte, i macro-pori sono più importanti per facilitare l'accesso delle molecole ai pori più piccoli e per la rimozione di particelle più grandi attraverso un'azione più meccanica.
Utilizzo pratico del carbone attivo
Quando si utilizzano carboni attivi in granuli scaglie o pellet, è importante lavare accuratamente il materiale per massimizzare la sua capacità di assorbimento e rimuovere polveri, impurità e residui di produzione.
La maggior parte dei produttori consiglia di risciacquare il carbone attivo in osmosi per alcuni minuti.
Nonostante un risciacquo in osmosi sia generalmente più che sufficiente e che ulteriori processi portino benefici marginali, alcuni hobbisti preferiscono anche immergere il carbone in acqua calda per un certo periodo prima dell'uso per assicurarsi che sia completamente attivato ed i pori siano ben aperti e liberi da polveri.
Posizionamento
Il carbone attivo può essere posizionato in diversi punti del sistema di filtraggio dell'acquario, a seconda delle necessità e dell’utilizzo che ne faremo.
La scelta tra un impiego statico (quindi con il sacchetto semplicemente appeso in una zona di forte flusso) o dinamico (in reattori dedicati o in sezione della sump con circolo forzato) dipende dal sistema e dai risultati che vogliamo ottenere.
Uno dei metodi più comuni è l'inserimento del carbone all'interno di sacchetti di rete o contenitori appositi posizionati in una delle sezioni della sump, dopo la sezione di prefiltraggio-filtraggio meccanico.
Alcuni appassionati preferiscono utilizzare reattori dedicati per il carbone attivo, che permettono una maggiore esposizione dell'acqua al materiale filtrante, aumentandone l'efficacia e la velocità di adsorbimento.
In alcuni sistemi, in particolare nel caso di un utilizzo continuativo, si predilige una velocità di assorbimento più moderata e si è pronti a perdere un poco di efficienza per avere una riduzione dei composti organici più delicata.
In caso invece lo si impieghi per la rimozione di un contaminante tossico, può essere più interessante l’impiego attivo con un circolo forzato di acqua che attraversi il materiale in modo da aumentarne l’efficienza e la velocità di rimozione.
Frequenza ricambio
La frequenza con cui si dovrebbe sostituire il carbone attivo nell'acquario marino di barriera dipende da vari fattori, tra cui il carico biologico dell'acquario, la quantità e la qualità di carbone utilizzata, il popolamento del sistema, la presenza di contaminanti.
In linea generale, si raccomanda di sostituire il carbone attivo ogni 2-4 settimane, tuttavia a seconda delle condizioni specifiche dei diversi sistemi, la frequenza della sostituzione può essere modificata per essere adeguata alle necessità della vasca.
È essenziale imparare a monitorare ed interpretare le condizioni del sistema per determinare il momento ottimale per la sostituzione del carbone.
La durata dell'efficacia del carbone attivo può variare significativamente a seconda del tipo e della qualità del carbone stesso, così come dall'intensità dell'uso.
Per mantenere un'efficacia ottimale, è cruciale valutare periodicamente le condizioni dell'acqua e sostituire il carbone prima che la sua capacità di adsorbimento sia esaurita.
Limitazioni e Precauzioni
L'utilizzo improprio del carbone attivo può portare a vari effetti collaterali negativi sull'acquario e sui suoi abitanti.
Per esempio, un eccesso di carbone attivo può rimuovere sostanze utili dall'acqua, come elementi traccia, necessari per la crescita e la salute dei coralli o portare a una rimozione troppo rapida ed aggressiva di composti organici, che può destabilizzare l'ecosistema e disturbare gli animali.
È stato più volte osservato, che un’eccessiva velocità nell’assorbimento di alcune molecole organiche può rivelarsi nociva per numerosi coralli.
In caso di utilizzo di grandi quantità in sistemi con circolazione forzata, diversi coralli possono essere infastiditi e chiudersi, o cominciare a filare.
Inoltre, un carbone di bassa qualità può rilasciare grandi quantità di fosfati, bario, zinco, alluminio o altri contaminanti, compromettendo ulteriormente la qualità dell'acqua.
Speriamo che questo piccolo approfondimento possa esservi stato utile, contribuendo a chiarire alcuni dubbi e fornendovi informazioni preziose sull'utilizzo del carbone attivo nei vostri acquari.