I carboni attivi impiegati nel processo di concentrazione solventi per la depurazione di aria industriale devono essere preferibilmente di origine vegetale, derivanti ad esempio dalla carbonizzazione dei gusci di cocco, per la loro più elevata temperatura di accensione connessa con la tipologia delle ceneri contenute.
I carboni attivi idonei per il processo di concentrazione solventi hanno un costo di acquisto di 2 ÷ 4 €/kg e richiedono una sostituzione od un trattamento di rigenerazione esterna dopo 3000-4000 ore di esercizio.

I carboni attivi di origine vegetale hanno proprietà adsorbenti, nei confronti dei solventi organici, sotto diversi aspetti superiori a quelle delle zeoliti: hanno una superficie specifica dei micropori attivi di adsorbimento generalmente intorno a 1200 m2/g, porosità totale dei micropori a livello di 0,4 cm3/g, una distribuzione dei micropori attivi particolarmente estesa, tra 0,4-2 nm; questa ultima proprietà consente l’adsorbimento di una vasta varietà di solventi e componenti organici, a partire dai più volatili, come acetone e metanolo, fino ai meno volatili come per esempio gli aromatici pesanti.

In pratica i solventi a media ed alta volatilità, quali acetone ed etilacetato, presenti nell’aria a concentrazione 0.3÷0,6 g/Nm3 e temperatura ambiente, vengono adsorbiti nel carbone attivo da gusci di cocco in concentrazioni dell’ordine del 10 ÷ 15 % in peso di carbone secco e in fase di rigenerazione con aria a 120 C sono rilasciati per il 50 ÷ 60% circa del tenore iniziale nell’adsorbente.
I solventi pesanti, quali butilacetato, toluene, isomeri dello xilene, presenti nell’aria a concentrazione 0.3÷0,6 g/Nm3 e temperatura ambiente, sono adsorbiti nel carbone attivo da gusci di cocco in concentrazione dell’ordine del 25 ÷ 35 % in peso di carbone secco e in fase di rigenerazione con aria 120 C sono rilasciati per il 15 ÷ 30% circa del tenore iniziale.

In media per le miscele tipiche di solventi contenuti nell’aria proveniente da linee di verniciatura il carbone attivo da gusci di cocco in fase di adsorbimento si carica intorno al 18% del proprio peso secco ed in fase rigenerazione rilascia il 45% almeno dei solventi inizialmente trattenuti, con una capacità adsorbente operativa quindi del 8% del proprio peso secco.

La distribuzione estesa di micropori attivi è anche causa di fenomeni di irreversibilità nell’adsorbimento, in quanto i micropori di dimensione più ridotta tendono a trattenere le molecole di solvente adsorbito anche in condizioni di rigenerazione piuttosto spinta ed il fenomeno è tanto più vistoso quanto più è elevato il peso molecolare delle molecole trattenute. In presenza di una miscela di solventi, l’adsorbimento dei componenti più pesanti è poi nettamente favorito a discapito dei più leggeri che tendono ad essere scacciati dalla matrice microporosa del carbone.

Tuttavia, nonostante tale inconveniente, i test su impianto pilota, le verifiche con il modello di simulazione ed anzitutto i risultati in impianti commerciali hanno mostrato che è comunque possibile realizzare il processo di concentrazione solventi con carbone attivo derivante da gusci di cocco, con elevata efficienza, pur con temperature di aria calda di rigenerazione non superiore a 140 C.

I carboni attivi sono caratterizzati da proprietà cinetiche di adsorbimento e desorbimento concettualmente più elevate rispetto le zeoliti, in quanto la migrazione delle molecole di solvente adsorbite, dalla superficie della particella fino ai micropori più interni, e viceversa, si verifica tramite due meccanismi che concorrono in parallelo:

  • la diffusione delle molecole attraverso la fase gassosa presente nei macropori che si diramano entro la matrice microporosa;
  • la diffusione delle molecole attraverso la stessa matrice microporosa che si comporta come una fase continua senza barriere.

Risulta invece del tutto trascurabile la resistenza finale alla diffusione, presente nella matrice microporosa che circonda i canalicoli dei macropori.

Nel complesso le caratteristiche del carbone attivo da gusci di cocco risulterebbero senz’altro favorevoli ad un loro impiego frequente e preferenziale nei processi di concentrazione solventi, se non intervenissero due aspetti sfavorevoli che condizionano le prestazioni del carbone attivo in questa applicazione.

Il primo aspetto è costituito dal comportamento tendenzialmente idrofilo del carbone attivo che, in fase di adsorbimento e depurazione dell’aria, provoca un adsorbimento non trascurabile di vapore acqueo a sfavore della cattura dei componenti organici più volatili: metanolo ed acetone principalmente. In fase di rigenerazione l’acqua adsorbita richiede poi tempo ed energia aggiuntiva per il rilascio.

Per limitare al minimo tali effetti è pratica usuale riscaldare di 5 ÷ 10°C l’alimentazione dell’aria inquinata, fino ad una temperatura di 35 ÷ 40°C, che da un lato non penalizza sensibilmente l’adsorbimento dei solventi organici nel carbone attivo, mentre dall’altro è sufficiente a determinare una drastica riduzione dell’adsorbimento di acqua.

Il secondo aspetto è costituito dalle interazioni pericolose del carbone stesso con i componenti chetonici adsorbiti che, per effetto catalitico si ossidano parzialmente, con elevato rilascio di calore. Il fenomeno, che indubbiamente è connesso con la tipologia e contenuto di ceneri nell’adsorbente, per i carboni di origine minerale è così rilevante e sistematico da causare frequentemente eventi di incendio.

L’acetone non presenta problemi; si hanno rischi già concreti in presenza di metil-isobutil-chetone e cicloesanone, mentre rischi di autoaccensione piuttosto elevati si presentano nel caso del metil-etil-chetone.
Per quanto concerne l’impiego del carbone attivo la CEMATEK utilizza carbone da guscio di cocco, trattato acido per la rimozione di ceneri fino all’1% peso, che si è rivelato notevolmente più sicuro rispetto le altre tipologie di carbone attivo. Si può affermare che l’impiego di questa tipologia di carbone in letti adsorbenti di limitato spessore, unito ad un controllo adeguato e scrupoloso delle condizioni operative di rigenerazione del carbone attivo e delle procedure di fermata impianto è concettualmente sufficiente ad evitare eventi di incendio.

Per pervenire a condizioni operative di sicurezza intrinseca è necessario comunque mantenere il tenore di chetoni al disotto del 20% della miscela di solventi ed operare con temperatura dell’aria di rigenerazione inferiore a 140°C.