carbone attivo: aspetti e problematiche della riattivazione - Watergas

CARBONI ATTIVI
CARBONE ATTIVO: ASPETTI E PROBLEMATICHE
DELLA RIATTIVAZIONE
Un numero sempre maggiore di impianti di trattamento acque e effluenti gassosi prevedono uno
stadio di filtrazione a carboni attivi per migliorare la qualità dell’acqua o dell’aria in uscita. I
carboni attivi come noto sono uno dei più versatili adsorbenti presenti in natura, infatti presentano
affinità verso un elevato numero di composti organici e verso alcuni materiali inorganici.
Il carbone attivo è un prodotto costituito da una struttura carboniosa che, per ossidazione in
condizioni controllate, acquisisce un’elevata porosità che si traduce in alta superficie specifica (da
650 a 1500 m 2 /g);
Una grande varietà di materiali grezzi a base di carbonio minerale o organico può essere usata per
ottenere un carbone attivo, ma le sostanze maggiormente utilizzate per la produzione sono i residui
di legno, bitume, lignite, torba, gusci di noci di cocco etc.
La “carbonella”, carbone ottenuto dalla legna, che possiamo definire un antenato del moderno
carbone attivo, era già in uso per scopi medicinali ai tempi degli antichi Egizi (2000 a. C.); cenni
dell’utilizzo di questi particolari carboni nell’adsorbimento di gas nocivi sono stati riportati in
letteratura da Scheele (1773) e da Fontana (1777).
Il carbone attivo ha una struttura casuale altamente porosa, con una notevole variazione
dell’ampiezza dei pori, essa può andare da piccole fratture a cavità che raggiungono le dimensioni
molecolari. E’ anche descritto come avente una superficie “sgualcita”, in cui i piani lamellari sono
disposti in maniera casuale (Figura 1).
Figura 1. Rappresentazione schematica della microstruttura del carbone attivo.
Il processo secondo cui questi materiali funzionano passa sotto il nome di adsorbimento, un
fenomeno superficiale di attrazione molecolare che si verifica attraverso il contatto tra due fasi: una
fase solida (il carbone attivo) e una fase fluida (un gas o un liquido), a seconda della struttura
molecolare queste forze di attrazione sono più o meno intense, risultando così che alcuni composti
vengono adsorbiti maggiormente rispetto ad altri.

Queste forze di attrazione sono di debole entità, la loro origine e natura non sono ancora
esattamente note. E’ certo che diverse forze agiscono separatamente o simultaneamente: forze di
Van der Waals, forze di capillarità, forze di origine elettrostatica, legami di valenza analoghi a
quelli che uniscono gli elementi in un composto chimico.
L’adsorbimento di tipo fisico è un processo reversibile e, data la sua stessa natura,dà luogo di regola
alla formazione di uno strato multimolecolare di adsorbato sulla superficie del materiale adsorbente.
Il fenomeno dell’adsorbimento, in condizioni definite, raggiunge uno stato di equilibrio; ciò avviene
in un certo tempo. Lo studio specifico e di relazione fra i due aspetti, equilibrio e cinetica,
costituiscono il fondamento teorico per comprendere, e al limite prevedere, l’andamento e
l’intensità del fenomeno. Ciò, insieme alla valutazione di altri parametri di natura fisica, chimica e
microbiologica, consente di scegliere e dimensionare un processo di trattamento basato sull’impiego
del carbone attivo.
L’adsorbimento delle molecole presenti in una soluzione può essere rappresentato come una
reazione chimica:
dove:
A è l’adsorbato
B è l’adsorbente
A × B il complesso adsorbente adsorbato.
A + B ⇔ A × B
Il processo di adsorbimento è costituito da una serie di stadi successivi, i quali determinano il
trasporto della specie di interesse all’interno della fase fluida e il successivo trasferimento di questa
al materiale solido.
E’ importante la stretta dipendenza che esiste tra il fenomeno dell’adsorbimento e la porosità del
carbone attivo. Il massimo rateo di adsorbimento è proporzionale alla massima area superficiale
contenente pori disponibili per l’adsorbato. L’area superficiale, come già detto, può variare da
poche centinaia a più di 1500 m 2 /g , ma non tutta è accessibile dalle sostanze adsorbite.
Vi è una certa variabilità nella dimensione dei pori che permette una suddivisione in tre gruppi:
Macropori - con raggio > di 20 nm
Mesopori - con raggio compreso tra 1 e 25 nm
Micropori - con raggio < di 1 nm
Un numero relativamente alto di micropori generalmente corrisponde ad una vasta area superficiale
con una grande capacità di adsorbimento per le piccole molecole, mentre un gran numero di
macropori è normalmente correlato alla capacità di adsorbimento per le molecole più grandi. I
macropori, sono considerati importanti per un rapido trasporto dell’adsorbato nei pori piccoli
(Figura 2, 3).

.
FIGURA 2. Particolare microscopico dei pori di un carbone attivo.
Al fine di individuare le diverse fasi del processo, si immagini di fare riferimento a una singola
particella di materiale adsorbente posta in contatto con la fase fluida caratterizzata da una
concentrazione Ca della specie A che si intende rimuovere (figura 4) . Attorno a tale particella si
assiste alla formazione di un film fluido stagnante, cioè di una zona fluida nella quale i fenomeni di
trasporto convettivo risultano praticamente nulli e in cui il trasporto delle molecole di soluto
avviene dunque per sola diffusione molecolare.
Con riferimento alla figura 4, è possibile individuare per la generica molecola di soluto i seguenti
stadi del processo di adsorbimento:
1) diffusione/convezione all’interno della massa fluida;
2) diffusione attraverso il film fluido stagnante, fino al raggiungimento dell’interfaccia
solido/fluido;
3) diffusione all’interno della porosità del materiale adsorbente (diffusione
intraparticellare), fino al raggiungimento di un sito attivo;
4) adsorbimento propriamente detto sul sito attivo.
Per descrivere la cinetica del processo di adsorbimento risulta in linea di principio necessario
considerare tutti gli stadi suddetti, poiché ciascuno fornisce in generale una resistenza diversa al
processo globale di adsorbimento. In realtà si osserva che il processo di trasferimento attraverso la
massa fluida (stadio 1) risulta molto veloce rispetto agli stadi 2 e 3; lo stesso può dirsi per la
reazione di adsorbimento (stadio 4). Di conseguenza, è possibile assumere che la cinetica globale
del processo sia governata dalle velocità degli stadi 2 e 3 (diffusione nel film fluido e diffusione
intraparticellare).

FIGURA 3. (Classificazione dei pori)
FIGURA 4. (Stadi del processo di adsorbimento)
La superficie attiva è costituita essenzialmente da meso e micropori che rappresentano le categorie
più importanti per l’adsorbimento, mentre i macropori sono le vie rapide di accesso che consentono
una diffusione efficiente delle sostanze organiche all’interno. La struttura dei pori di un carbone
attivo può variare notevolmente in funzione della natura della materia prima e del processo di
attivazione subito. La struttura dei macropori è facilmente visibile con un microscopio elettronico
(fig.2), mentre risulta più difficile e meno esatta la determinazione dei meso e micropori.
L’equazione matematica che ben rappresenta il fenomeno dell’adsorbimento, è l’equazione di
Freundlich:
X/M=KC 1/n
o in forma logaritmica, per avere un andamento lineare e facilmente utilizzabile
log X/M = log K + (log C)/n
dove:
X = peso della sostanza adsorbita
M = peso del carbone attivo usato
C = concentrazione residua dell’inquinante (all’equilibrio)
K,n = costanti del processo di adsorbimento (assumono valori diversi in funzione del tipo di
inquinante)

Figura 5. Isoterma di adsorbimento del tricloroetilene su carbone attivo a 25 °C.
L’isoterma di adsorbimento (fig.5), determinata ad una data temperatura, rappresenta la quantità di
sostanza che si adsorbe sul carbone attivo, col variare della concentrazione residua della stessa nel
fluido. Dato che l’adsorbimento fisico è un equilibrio per un determinato tempo di contatto si
raggiungerà un equilibrio tra le molecole adsorbite e quelle ancora libere, all’equilibrio si avrà la
massima quantità che il carbone può adsorbire per una data concentrazione.
La cinetica per il raggiungimento dell’equilibrio dipende dalla dimensione delle particelle di
carbone: usando un carbone attivo con le medesime caratteristiche chimico-fisiche, ma con diversa
taglia granulometrica, sebbene il risultato possa essere analogo, il tempo impiegato per
l’adsorbimento varia secondo la grandezza dei granuli più i granuli sono piccoli più la velocità di
raggiungimento dell’ equilibrio è maggiore. Per il carbone in polvere bisogna trovare un
compromesso tra il grado di adsorbimento ricercato ed una efficace filtrabilità. L’accesso delle
sostanze organiche alla porosità del carbone attivo può accelerarsi con l’aumentare della
temperatura se questa consente di ottenere una diminuzione della viscosità della soluzione da
trattare; si tenga presente che l'adsorbimento è un processo esotermico, quindi un eccessivo
aumento della temperatura può far retrocedere l'equilibrio ottenendo una diminuzione
dell'assorbimento specifico: anche per la temperatura operativa è quindi essenziale trovare un buon
compromesso.
E’ dunque la porosità che conferisce al carbone attivo le particolari caratteristiche: tale porosità
viene prodotta mediante il processo di attivazione della materia prima preventivamente
carbonizzato.
I processi utilizzati per la produzione del carbone attivo sono due:
1. Attivazione fisica;
2. Attivazione chimica.
Il primo caso comprende la carbonizzazione (o pirolisi), ossia la conversione della materia prima in
carbone, e l’attivazione, l’ossidazione che rende possibile lo sviluppo della struttura interna porosa.
La carbonizzazione, viene condotta a temperature comprese tra 400 e 600 °C e in atmosfera priva di
ossigeno, consente la liberazione delle sostanze volatili dal materiale, il che dà luogo ad un prodotto
carbonioso denominato char, praticamente privo di porosità.

L’attivazione viene effettuata in una fase successiva, condotta a temperature comprese tra i 700 e
1100 °C e in atmosfera di CO2, aria e vapore acqueo (gas ossidanti); in tale fase ha luogo la
formazione dei pori.
Le principali reazioni responsabili dell’attivazione sono:
a) Reazione con vapore:
b) Reazione CO2:
C+H2O CO + H2
C+2 H2O CO2 + 2 H2
C + CO2 2CO
Nel caso dell’attivazione chimica, invece, la materia prima viene mantenuta a contatto per un tempo
che varia da 5 a 24 ore con ZnCl2 o con P2O5 ad una temperatura tra 400 e 700°C.
L’utilizzo di ZnCl2 nell’attivazione chimica è in pratica abbandonato a causa dell’impatto
ambientale della sostanza e dell’inapplicabilità del carbone attivo in alcuni casi dovuta proprio alla
presenza dello zinco.
Il carbone attivato chimicamente viene utilizzato principalmente nel trattamento di prodotti
farmaceutici, alimentari tipo (succhi di frutta, olio, vino, zuccheri).In alcuni casi per la rimozione di
sostanze nocive gassose (es. SO2, H2S, Hg, o materiali radioattivi ) e la catalisi è necessaria un
impregnazione con composti inorganici o organici.
Con l’impregnazione si rende il carbone più selettivo o più efficace nei confronti di una specifica
classe di inquinanti.
Sono disponibili tre differenti forme di carbone attivo: in polvere o PAC (Powdered Activated
Carbon), granulare o GAC (Granular Activated Carbon) e estruso (Pelletized Activated Carbon).
Il carbone in polvere è usato soprattutto nel trattamento di liquidi, il carbone granulare viene usato
sia per liquidi che per gas, mentre la forma estrusa è maggiormente usata nel trattamento degli
aeriformi, grazie alle ridotte perdite di carico ed all’elevata resistenza all’abrasione.
Ogni tipo di Carbone Attivo può essere caratterizzato da una serie di parametri, generalmente
riportati sulle schede tecniche, che ne individuano alcune proprietà:
• la Granulometria indica la dimensione dei granuli di carbone, espressa usualmente in Mesh o in
mm. Un carbone attivo si definisce in polvere quando il 90 % delle particelle è inferiore a 80 Mesh
(0.18 mm) mentre un carbone attivo granulare può essere presente in diverse dimensioni, di solito lo
si produce in un range di dimensioni di cui le più comuni sono 12x40 mesh (1,7 -0.425 mm), 8x30
mesh (2.36 -0.6 mm), 10x20 mesh (2.0 – 0.85 mm), 4x8 mesh (4.75- 2.36 mm).
Il carbone attivo estruso si presenta sotto forma di cilindri con il diametro da 0.8 a 4 mm e
lunghezza da 4 a 15 mm.
Due grandezze collegate alla granulometria sono:
a) La taglia effettiva che rappresenta la luce della maglia attraversata dal 10% in peso del
carbone setacciato.
b) Il coefficiente di uniformità che è dato dal rapporto tra la luce della maglia che corrisponde
al 60% in peso del passante e la luce della maglia che corrisponde al 10% in peso del
passante (cioè la taglia effettiva).

• la Densità Apparente rappresenta il quantitativo di carbone presente nell’unità di volume
considerato espressa generalmente in Kg/m 3 ; E’ un parametro legato all’origine del carbone e al
grado di attivazione, per i carboni minerali i valori sono compresi tra 400 e 500 kg/m 3 , i vegetali
tipo cocco tra i 500 – 550 Kg/m 3 mentre i vegetali da legna possono arrivare anche sotto i 200
kg/m 3 .
Quando si deve quantificare il carbone attivo da inserire in un filtro di un determinato volume
bisogna tener presente la densità del letto controlavato e drenato che indica la densità del carbone
dopo che è stato completamente bagnato e contro lavato (per eliminare la parte fine e migliorare la
compattezza dei granuli), di solito è 0.88 la densità apparente.
• l’Indice di Iodio, espresso in mg/g, indica i mg di iodio adsorbito da un grammo di carbone attivo
quando la concentrazione residua dello iodio in soluzione è 0,02 N. Il valore trovato indica il grado
di attivazione e di conseguenza la capacità di adsorbimento, rappresenta indirettamente la superficie
attiva; e’ l’indice maggiormente utilizzato per indicare le prestazioni di un carbone attivo. In
definitiva da un’indicazione della microporosità del carbone.
• il Contenuto in Ceneri rappresenta la percentuale di materiale inorganico presente all’interno del
carbone; può variare da circa il 2% dei carboni attivi di origine vegetale (es. cocco) al 15 % o più
dei carboni minerali.
• il Contenuto in Umidità rappresenta la percentuale di acqua in esso presente;
• l’Area superficiale espressa in m 2 /g, rappresenta la superficie libera a disposizione dell’inquinante
per grammo di carbone, può variare da 500 a 1500 m 2 /g.
• l’Indice di Blu di Metilene, espresso in mg/g o in % indica la capacità del carbone di rimuovere
sostanze di medie-grandi dimensioni, indirettamente è una misura del numero di mesopori presenti
nel carbone.
• l’Indice di Melasso rappresenta la capacità del carbone attivo di rimuovere molecole molto grandi,
ci da un’indicazione del numero di macropori presenti. I macropori sono importanti non solo per
l’adsorbimento di molecole grandi ma anche per un rapido accesso ai mircopori interni degli
inquinanti.
• l’Indice di Fenolo consente di ricavare indicazioni circa la capacità di adsorbimento di un carbone
attivo nei confronti di sostanze a massa molecolare medio/alta, ed è definito come la
concentrazione di carbone attivo in g/l necessario a ridurre una concentrazione di fenolo da 200 a 20
ppm (abbattimento del 90%).
• l’Indice di Benzene si determina a diversi gradi di saturazione e da un indicazione sulla
distribuzione dei pori, è prevalentemente usato per applicazione dei carboni attivi nel trattamento di
gas. E’ un parametro che è stato abbandonato a causa della cancerogenicità del benzene.
• l’Indice di Tetracloruro di Carbonio o CTC è un parametro ampiamente usato per confrontare
diversi carboni utilizzati per trattamento di gas. Espresso in % indica la quantità di tetracloruro
adsorbito dal carbone attivo fino alla saturazione. Come per il benzene si tende a non utilizzarlo più
a causa della cancerogenicità.
• La Durezza è un parametro che indica la resistenza del carbone agli attriti. Il carbone attivo è
esposto a rotture meccaniche durante la spedizione, l’istallazione, il controlavaggio e la

iattivazione. Se il carbone non ha una durezza sufficiente elevata, l’attrito durante tali operazioni
possono generare polveri o granuli frantumati di piccole dimensioni che aumenterebbero le perdite.
I valori di durezza sono in funzione della natura del carbone, quelli ottenuti da gusci di cocco sono i
più duri mentre quelli ottenuti da legna o da lignite presentano bassi indici di durezza e alta
polverosità.
Nella tabella 1 vengono riportati alcune proprietà dei carboni attivi in funzione della natura, come
anticipato la porosità del carbone, il numero dei micro, meso e macropori, giocano un ruolo
fondamentale nel processo di adsorbimento. I micropori sono fondamentali per l’adsorbimento di
molecole a basso peso molecolare tipo THM, cloroformio, diclorometano etc, quindi per la loro
rimozione è buona norma utilizzare un carbone attivo di cocco; se in presenza anche di molecole a
peso molecolare maggiore tipo benzine, pesticidi etc, si può preferire un carbone attivo di origine
minerale che presenta una versatilità maggiore rispetto a quello di cocco.
I carboni da legna o lignite avendo un elevato numero di macropori vengono impiegati
principalmente per la rimozione di macromolecole, tipo coloranti, olii, prodotti farmaceutici,
zuccheri etc.
Per la rimozione di cloro, cloriti, ipoclorito è stato riscontrato che i carboni minerali presentano
delle prestazioni migliori rispetto ai carboni vegetali. In questo caso siamo in presenza di una
reazione catalitica in cui lo stadio iniziale è l’adsorbimento sulla superficie del carbone
successivamente seguita da una reazione RedOx di riduzione del cloro a cloruro, non è ben chiaro il
perché i carboni minerali siano più attivi si presume che la presenza di un maggior quantitativo di
materiale inorganico (contenuto in ceneri) possa influenzare il processo catalitico.
Sia per l’impiego negli impianti di trattamento acque (in filtri a pressione o a gravità) che in quelli
per trattamento aria man mano che l’adsorbimento di inquinanti avviene all’interno dei pori si ha
una progressiva diminuzione delle capacità adsorbitive e un profilo di disattivazione come quello
riportato nella figura 5. La zona di trasferimento di massa (mass transfer zone, MTZ) si muove
lungo il letto di carbone ad un certo punto all’uscite del filtro si comincerà a rilevare la presenza
dell’inquinante ad una concentrazione, Cu inferiore alla Co, man mano che aumentiamo i
quantitativi di fluido trattato la concentrazione si avvicinerà sempre più alla Co, quando lo
raggiungiamo il carbone attivo è totalmente esausto, cioè non è più in grado di adsorbire altro
quantitativo di inquinante, abbiamo raggiunto l’equilibrio di adsorbimento, il massimo quantitativo
di inquinante che può adsorbire il carbone attivo in determinate condizioni.
In pratica non si raggiunge quasi mai la saturazione totale in quanto spesso le concentrazioni
massime consentite dalle normative vigenti per un determinato inquinante sono di molto inferiori a
quelle in entrata.
Raggiunte o la concentrazione massima di emissione consentito dalla normative o la concentrazione
di saturazione, il carbone attivo può essere rigenerato, riattivato o smaltito, nel linguaggio comune i
termini riattivazione e rigenerazione vengono considerati sinonimi, tecnicamente non lo sono e
precisamente con il termine rigenerazione si intende quel processo di rimozione dell’inquinante dal
carbone attivo senza che si abbia la sua distruzione, al contrario la riattivazione è un processo che
avviene ad alta temperatura e si ha la totale distruzione degli inquinanti adsorbiti e il completo
ripristino della superficie del carbone. Quest’ultimo processo lo andremo a trattare più in dettaglio,
spendendo prima qualche parola sulla rigenerazione.

Tabella 1- Confronto tra carboni attivi di diversa origine.
Proprietà
Carbone di
Cocco
Carbone
Minerale
Carbone di
Lignite
Carbone di
Legna
Micropori Alti Alti Medi Bassi
Mesopori Medi Alti Medi Medi
Macropori Bassi Medi Alti Alti
Durezza Alta Alta Bassa Bassa
Ceneri Max 5% Max 15% Max 20% Max 5%
Polveri Basse Medi Alte Alte
Riattivazione Buona Buona Scarsa Scarsa
Densità
Apparente
0.5-0.60 g/cc 0.40 -0.52 g/cc 0.3- 0.4 g/cc 0.2- 0.35 g/cc
Indice di Iodio >1100 >1000 Max 600 >1000
Come detto la rigenerazione è un processo in cui l’inquinante adsorbito non viene distrutto ma si
cerca di recuperarlo per poterlo, in molti casi, riutilizzare nel processo produttivo, è il caso di
composti ad alto valore aggiunto o di impianti dove vengono usati in elevate quantità e il recupero
comporta una diminuzione notevole dei costi di processo (es. impianti di recupero solventi nelle
aziende produttrice di colle e adesivi, che usano elevati quantitativi di toluene, esano, acetato
d’etile).
La rigenerazione viene effettuata introducendo vapore surriscaldato, prossimo alla temperatura di
ebollizione dell’inquinante da rimuovere, all’interno del filtro a carboni attivi ottenendo la
rimozione del composto adsorbito. Il vapore è utilizzato quando l’inquinante non è solubile in
acqua, infatti successivamente il flusso di vapore viene raffreddato ottenendo la separazione
dell’organico dall’acqua.
Quando si ha al contrario un composto miscibile in acqua si preferisce utilizzare un gas inerte, tipo
azoto o lavorare a bassa pressione, nel caso di composti basso bollenti.

Figura 5: Profilo di disattivazione del carbone attivo in funzione del volume trattato.
Il processo di rigenerazione non consente però di desorbire tutto l’organico adsorbito e quindi di
liberare tutti i pori riportando la capacità adsorbitiva del carbone al valore iniziale, le molecole
presenti all’interno dei micropori non riescono a desorbire all’esterno come risultato si ha che la
durata del carbone sarà inferiore nel successivo ciclo produttivo rispetto a quello vergine, dopo
alcuni cicli di stripping il carbone attivo deve necessariamente subire un pro cesso di riattivazione
termica per ripristinare anche i micropori.
La riattivazione termica è un processo, al contrario, in cui si ha la totale distruzione dei composti
adsorbiti per mezzo della temperatura (di solito >900°C) in forni rotativi o multistrato,(Fig. 6 e 7).
In entrambi i forni la riattivazione viene effettuata alimentando vapore in controcorrente al flusso
del carbone.
Il processo di riattivazione all’interno dei forni possiamo dividerlo sostanzialmente in quattro stadi:
1) Essiccamento a temperatura intorno ai 100-200°C. Viene eliminata la maggior parte
dell’acqua contenuta nel carbone insieme agli adsorbati altamente volatili;
2) Evaporazione dell'acqua residua e degli adsorbati volatili a temperature comprese tra 200 e
500°C. In questa fase si decompongono anche gli adsorbati instabili per formare frammenti
volatili;
3) Pirolisi delle sostanze adsorbite non volatili e dei frammenti adsorbiti, fino a formare un
residuo carbonioso tra 500 e 700 °C;
4) Attivazione del carbone a temperature superiori a 700°C. Viene ossidato il residuo
pirolizzato mediante vapore o anidride carbonica.
La temperatura necessaria per il processo di riattivazione viene fornita di solito da un bruciatore a
metano posizionato all’estremità di uscita del carbone, sono rari gli impianti che utilizzato un
riscaldamento per mezzo di resistenze elettriche.
In entrambi i forni il flusso del carbone è in controcorrente al flusso gassoso e la temperatura cresce
dalla zona di entrata a quella di uscita secondo un gradiente che dipende da caso a caso

Fig. 6- Forno a Multistadi Fig. 7 – Forno Rotativo
Durante la fase di asciugatura viene desorbita la maggior parte dell’acqua (se il carbone è bagnato)
e dei composti volatili (che possono bruciare se è presente dell’ossigeno nella fase gassosa), man
mano che la temperatura sale i composti più altobollenti presenti all’interno dei pori o desorbono o
subiscono processi di decomposizione formando molecole più piccole che diffondono nella fase
gassosa o per effetto della temperatura reagiscono per dare molecole a più alto peso molecolare che
rimangono all’interno dei pori.
Raggiunti i 500 °C i composti organici ancora presenti nella struttura del carbone cominciano a
pirolizzare formando coke che si deposita all’interno dei pori.
A questo punto si potrebbe pensare che il carbone è riattivato, ma in realtà non è così in quanto il
coke depositandosi sulle pareti dei pori ne blocca i siti attivi oppure può nel caso dei micropori
chiuderli completamente impedendone l’accesso, si ha come conseguenza una diminuizione delle
capacità adsorbitive del carbone. Se andassimo ad analizzare l’indice di iodio (parametro che ci
indica la capacità adsorbitiva) troveremo un valore di molto inferiore rispetto al valore iniziale.
Fondamentale per la riattivazione del carbone è lo stadio successivo dove si raggiungono
temperature maggiori di 900 °C, in questo stadio si ha l’ossidazione del coke, non da parte
dell’ossigeno, dato che all’interno del forno il contenuto di ossigeno deve essere piuttosto basso
altrimenti si avrebbe la totale combustione anche del carbone con notevoli perdite di materiale, ma
dalla reazione del coke con H2O e CO2.
Le reazioni chimiche che intervengono al momento della riattivazione sono simili a quelle usate per
la produzione del carbone attivo vergine, dove il vapore e l’anidride carbonica sono gli agenti
ossidanti:
CO può quindi reagire con il vapore:
H2O(g) + C(s) → CO(g) + H2(g)
CO2(g) + C(s) → 2CO(g)
CO(g) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g)
L’H2O presente all’interno del forno proviene sia da quella che si forma durante la combustione del
metano sia da quella che si introduce nel forno proveniente da generatori di vapore.

La prime due reazioni sono endotermiche, hanno bisogno di alte temperature per avvenire. Sia la
CO2 che l’ H2O tendono a reagire preferibilmente con il coke rispetto al carbone attivo originale in
quanto, ha una struttura meno compatta rispetto al carbone attivo ottenendo che la reazione di
ossidazione sia energeticamente più favorita. Durante la fase di attivazione il carbone raggiunge
temperature tali da grafitizzare parzialmente, assumendo quindi una struttura esagonale molto
compatta che è energeticamente più stabile rispetto alla struttura del coke, ovviamente una minima
parte del carbone attivo reagisce, ottenendo come primo effetto la distruzione dei micropori che
sono più fragili rispetto ai meso e macropori. Per successivi cicli di riattivazione l’indice di iodio ha
la tendenza a calare o perché non si è effettuata una buona riattivazione (potrebbe esserci ancora del
coke o si è spinta troppo e si è avuto un collasso della microporosità) o perchè durante la fase di
filtrazione all’interno dei pori si è accumulato del materiale inorganico che trattato ad alta
temperatura si decompone formando degli ossidi che bloccano l’accesso ai pori. L’effetto del
consumo del carbone attivo originale si riscontra anche in un aumento in percentuale del materiale
inorganico sempre presente all’interno della struttura del carbone. Di solito rispetto al carbone
attivo esausto si ha un aumento del 2% max, questo in funzione anche della natura del carbone
attivo, per carboni non molto duri (es. carboni di legna) la perdita durante la riattivazione è
maggiore in quanto la poca durezza è indice che la struttura del carbone non è molto compatta,
tende di conseguenza a reagire più facilmente con gli ossidanti durante il processo di riattivazione.
Un altro parametro che ci indica se la riattivazione è stata eseguita a regola d’arte è la densità del
carbone riattivato, se ha un valore più alto di quello vergine è indice che la riattivazione non è
completa.
E’ possibile effettuare la riattivazione dei carboni attivi granulari ed estrusi, su quelli in polvere è
piuttosto difficile in quanto verrebbero trascinati insieme al flusso gassoso durante la
movimentazione all’interno del forno.
Come si può ben intuire, l’ultimo stadio è quello più importante di tutto il processo di riattivazione
dove si deve tener conto di moltissime variabili come la temperatura, il tempo di residenza
all’interno del forno e la composizione del gas. Velocità di rimozione troppo alte comportano una
variazione della composizione e uno spostamento a destra delle reazioni sopre riportate con
conseguente consumo anche del carbone attivo originale; bisogna trovare un giusto compromesso
tra il tempo di residenza del carbone all’interno del forno e la temperatura, in quanto un tempo
troppo alto ad elevata temperatura provocherebbe un aumento delle perdite di riattivazione e nella
qualità della struttura dei pori mentre a temperatura più bassa non si è sicuri di effettuare una
completa riattivazione. Ad alte temperature la massa del carbone è più reattiva con conseguente
maggiori perdite; è stato dimostrato che a basse temperature (>700 °C) la riattivazione non è
ottimale anche per tempi piuttosto lunghi, tempi lunghi implicano anche maggiori costi di
produzione in quanto la produttività del forno è minore. Da quanto riportato in letteratura e da
esperienze dirette è stato dimostrato che la temperatura al di sopra della quale si ha una ottimale
riattivazione è 900 °C, il tempo di residenza varia in funzione del tipo di adsorbato presente sul
carbone, molecole piccole lasciano minori residui di pirolisi e i tempi di riattivazione sono inferiori
rispetto a molecole ad alto peso molecolare e/o che possono polimerizzare tipo lo stirene, che forma
alti residui di coke necessitando di maggiori tempi di residenza.
Lo scopo della riattivazione come prevedibile è quello di ottimizzare i tempi perdendo il minor
quantitativo possibile, per questo motivo vengono effettuati in laboratorio dei test preliminari di
riattivazione con lo scopo di poter determinare qual è la massima capacità adsorbitiva che si può
raggiungere sull’impianto.
Le perdite di riattivazione in funzione delle condizioni di lavoro e della natura del carbone possono
variare dal 5 al 25%. Come detto queste perdite si hanno perché parte del carbone attivo viene
consumato dalla reazione con CO2 e H2O ed eventualmente anche dalla presenza di ossigeno, di
conseguenza si ha la progressiva perdita di microporosità associata ad un aumento dei mesopori, per
cui un carbone attivo riattivato nel tempo riduce la sua capacità di adsorbire molecole piccole ed
aumenta quella per rimuovere molecole più grandi.

I carboni attivi com’è noto possono accumulare al loro interno materiale inorganico durante il
processo di filtrazione, soprattutto nel trattamento delle acque; le più comuni specie inorganiche che
si possono accumulare sono calcio, ferro, alluminio, silice, magnesio, manganese, e metalli pesanti
come cromo, mercurio ed altri. Questi materiali inorganici possono avere effetti deleteri sul
processo di riattivazione e sulla qualità del carbone riattivato. In particolare è stato dimostrato che
il calcio catalizza l’ossidazione del carbone attivo originale durante la riattivazione. Il risultato
dell’effetto catalisi è un materiale che ha ridotto le sue capacità di adsorbimento per piccole
molecole e aumentato quello per grandi molecole. Questo comporta un minor recupero dell’indice
di iodio rispetto al vergine è piuttosto difficile, anche il ferro è stato dimostrato possedere questa
abilità nel catalizzare la rezione di ossidazione anche se in maniera inferiore, gli altri composti
inorganici possono accumularsi all’interno dei pori bloccandoli e rendendoli indisponibili per
l’adsorbimento.
L’AWWA (America Water Works Association) riporta (Tab.2) la previsione di recupero dell’indice
di iodio dopo riattivazione in base alle differenti condizioni di lavoro del carbone. Un carbone con
poche ore di lavoro e sottoposto a condizioni non estreme (basse condizioni ossidanti, contenuto di
calcio e TOC) dovrebbe recuperare più del 90 % delle caratteristiche iniziali, un carbone che ha
subito trattamenti estremi con ossidanti e elevati contenuti di calcio e TOC al massimo può
recuperare il 75 % delle capacità adsorbitive iniziali.
Quanto sopra non è sempre vero, molto dipende, come detto in precedenza, dalla natura del carbone
attivo vergine e dalle condizioni di riattivazione.
La riattivazione come ben intuibile si effettua off-site, sono pochi gli impianti che utilizzano grandi
quantità di carboni attivi che hanno al loro interno forni di riattivazione, in Italia non esistono, è
presente qualcuno in Spagna, la maggior parte negli Stati Uniti, mentre la rigenerazione è on-site, il
filtro è dotato di un sistema di rigenerazione con vapore, inerte o un sistema di vuoto, in questo caso
non si ha la movimentazione del carbone. Il processo di rigenerazione si effettua soprattutto negli
impianti di trattamento effluenti gassosi.
Durante la riattivazione si sviluppa una miscela di gas contenenti CO, CO2 ,H2O e materiale
organico incombusto, si necessita di un adeguato impianto di post combustione seguito da una torre
di lavaggio fumi con una soluzione di soda per abbattere gli eventuali fumi acidi. In alcuni casi la
riattivazione non è sempre fattibile, per esempio problemi si hanno quando si trattano carboni attivi
che hanno adsorbito elevate quantità di composti clorurati i quali durante il trattamento sviluppano
acido cloridrico che va a corrodere le parti dell’impianto, in questi casi si preferisce smaltire il
carbone piuttosto che creare danni all’impianto. Diversi problemi si hanno quando si devono
riattivare carboni che hanno adsorbito composti solforati, i quali durante il trattamento sviluppano
solfuri che vengono difficilmente abbattuti da impianti tradizionali di lavaggio, sono sufficienti
piccoli quantitativi per produrre sgradevoli odori sia all’interno che all’esterno dell’ impianto, anche
in questi casi se il quantitativo è piuttosto elevato si preferisce smaltire il carbone piuttosto che
riattivarlo.
Situazione diversa si ha quando si riattivano carboni contenenti stirene o altri monomeri che
polimerizzando bloccano i micropori con conseguente elevato calo nelle prestazioni del carbone nel
successivo riutilizzo, test di laboratorio effettuati prima della riattivazione diranno se è conveniente
o meno riattivare il carbone.
La riattivazione è sempre vantaggiosa sia da un punto di vista sia economico che ambientale poiché
si evitano i costi dello smaltimento del carbone attivo esausto e quelli per l’acquisto del carbone
attivo vergine, di conseguenza minori volumi da smaltire e un minor consumo di materia prima.
Effettuando una riattivazione a regola d’arte un carbone attivo riesce a recuperare la quasi totalità
delle caratteristiche chimico-fisiche.

Tab. 2 – Previsione di recupero dell’indice di iodio dopo riattivazione (AWWA B604/74)
Nei costi della riattivazione vanno inclusi anche i lavori di movimentazione e i trasporti per e
dall’impianto di riattivazione. La movimentazione si basa nel lavoro di personale della ditta che
possiede l’impianto o di personale esterno per la rimozione del carbone dai filtri e/o per il
riempimento degli stessi con carbone vergine o riattivato. La movimentazione richiede la
disponibilità di acqua in pressione in quanto il carbone per essere veicolato per mezzo di pompe o
eiettori deve essere fluidificato di solito, si usano 3 m 3 di acqua per m 3 di carbone in modo da avere
una buona fluidificazione del carbone, la velocità di trasferimento non deve essere né troppo bassa
per evitare sedimentazione del carbone e l’intasamento dei tubi, né troppo alta in quanto si potrebbe
avere un consumo del carbone dovuto all’abrasione. Il carbone così movimentato viene traSferito
all’interno di cassoni o autocisterne contenenti sistemi di drenaggio dell’acqua. Lo svuotamento
può essere fatto anche trasferendo il carbone all’interno di big bags drenanti e successivamente
caricati su camion, questo tipo di operazione è piuttosto laborioso e lo si fa quando i filtri sono
difficilmente accessibili con i mezzi di trasporto o quando si è in presenza di filtri di piccole
dimensioni dove l’utilizzo di un’autocisterna o automezzo dotato di cassone drenante inciderebbe
enormemente sul costo totale della riattivazione. Uno dei problemi riscontrabili durante le fase di
svuotamento potrebbe essere l’impaccamento del letto di carbone dovuto essenzialmente al lungo
funzionamento del filtro senza che si siano effettuate le opportune operazioni di contro lavaggio, la
movimentazione risulta estremamente difficoltosa, nei casi estremi si deve entrare all’interno del
filtro e svuotarlo manualmente, è buona norma effettuare spesso dei contro lavaggi, si evitano sia
problemi di impaccamento sia la formazione di cammini preferenziali che si possono creare
all’interno del letto i quali riducono drasticamente l’efficienza di rimozione.
Un altro problema che si verifica spesso è che alcuni filtri non sono dotati di tubazioni di scarico del
carbone, in questi casi è necessario andare all’interno del filtro e aspirare manualmente la miscela
acqua/carbone mediante l’utilizzo di pompe o eiettori, il costo per la movimentazione cresce di
molto in quanto bisogna tener conto della presenza di diversi operai presso l’impianto. A volte
capita che all’interno dei filtri a carbone si trovi una certa quantità di sabbia che spesso viene
utilizzata per evitare la fuga del carbone dagli ugelli filtranti, la sabbia logora le parti meccaniche
delle pompe durante le fasi di svuotamento e crea i medesimi problemi all’interno delle coclee di
trasporto nelle fasi di riattivazione, è buona norma evitare di inserire all’interno di filtri a carbone

di cui si prevede la riattivazione degli strati di sabbia utilizzando degli ugelli filtranti a fessura più
stretta.
Le operazioni di caricamento del carbone attivo vergine o riattivato all’ interno dei filtri può essere
effettuato, previa aggiunta di acqua al carbone, con l’ausilio di pompe o eiettori dall’interno di
cassoni o autocisterne oppure svuotando direttamente i big bags all’interno dei filtri, operazione
questa piuttosto disagevole in quanto si produce molta polvere durante lo svuotamento.
Com’è noto il carbone attivo esausto è un rifiuto per il trasporto si necessita di mezzi autorizzati al
trasporto rifiuti, i cui costi sono piuttosto elevati, quando è possibile si cerca di effettuare il minor
numero di viaggi possibili cercando di svuotare il maggior numero di filtri per volta. L’utilizzo di
autocarri per lo svuotamento implica che gli impianti e specialmente i filtri siano posizionati in
spazi piuttosto larghi in modo da essere facilmente accessibili.
Per informazioni:
SICAV srl Carboni Attivi
66052 Zona Industriale- Gissi (Ch), Italy
Tel:+39-0873-941231 Fax:+39-0873-942888
Dr. Massimo Cimini: Tel./Fax diretto : +39-0873-942063
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