Carvão ativado

Carvão ativado é uma forma de carvão muito porosa, de alta superfície de contato e, por isso, com grande poder de adsorção. Sendo assim, é empregado para a captura de compostos orgânicos, estejam eles na forma líquida ou gasosa, durante processos de descontaminação da água, do ar e também no tratamento de infecções gastrointestinais.

Esse carvão é constituído majoritariamente de carbono, mas com alguns heteroátomos em sua estrutura, como hidrogênio e oxigênio, o que permite uma pequena interação com moléculas polares também. É obtido a partir de precursores orgânicos diversos, ricos em carbono, os quais devem ser ativados física ou quimicamente. A etapa de ativação é essencial para a desobstrução dos poros existentes, os quais tornarão tal material um grande adsorvente.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre carvão ativado
• 2 - Para que serve o carvão ativado?
• 3 - Características do carvão ativado
• 4 - Benefícios do carvão ativado
  • Carvão ativado no tratamento de água e ar
  • Carvão ativado no tratamento de problemas de saúde
• 5 - Desvantagens do carvão ativado
• 6 - Como é obtido o carvão ativado?
• 7 - Processos de produção do carvão ativado
  • Produção de carvão ativado por ativação física
  • Produção do carvão ativado por ativação química
• 8 - Diferenças entre carvão vegetal e carvão ativado

Resumo sobre carvão ativado

• O carvão ativado é um material muito poroso, de grande superfície de contato e de grande poder adsorvente.
• A composição química predominante do carvão ativado é o carbono.
• Os benefícios do carvão ativado incluem sua utilização na descontaminação de águas e do ar e também no tratamento de infecções gastrointestinais.
• O carvão ativado é obtido por meio de processos de ativação química ou física.
• Carvão vegetal e carvão ativado possuem a mesma fonte, mas passam por processos diferentes de tratamento.

Para que serve o carvão ativado?

O carvão ativado é utilizado para adsorção de compostos orgânicos, sejam eles na forma líquida ou gasosa. Essa adsorção pode ocorrer de forma física (fisissorção), em que predominam as forças de van der Waals (dipolo induzido-dipolo induzido), ou química (quimissorção), consequência da ocorrência de ligações químicas, normalmente covalentes.

Essa capacidade adsorvente é empregada basicamente na descontaminação de águas e do ar, pois esse carvão pode reter impurezas que afetam o gosto, o cheiro, a cor, além de toxinas. Essas propriedades também permitiram que o carvão ativado pudesse ser utilizado no tratamento de infecções gastrointestinais.

Características do carvão ativado

O carvão ativado é constituído de carbono, com alguns heteroátomos na estrutura (geralmente átomos de hidrogênio ou oxigênio) e alguns constituintes inorgânicos, cuja natureza depende de qual material de partida foi feito o carvão ativado. Contudo, a principal característica do carvão ativado é sua estrutura porosa.

A forma cristalina do carvão ativado lembra a da grafita, porém de uma maneira bem defeituosa. Na grafita, os átomos de carbono estão em arranjos hexagonais, laminares, espaçados. Durante a formação do carvão ativado, por um tratamento térmico, ocorre a perda de algumas pequenas moléculas que impedem a formação estrutural ordenada da grafita.

As lâminas então se arranjam de forma randomizada e desorganizada, o que permite que resíduos orgânicos (como alcatrão) se alojem nos interstícios da estrutura do produto final. Tais resíduos são então retirados e liberam a porosidade, o que justifica o grande caráter adsorvente do carvão ativado.

A porosidade do carvão ativado pode variar de acordo com o seu precursor, podendo ser da ordem de 2 nanômetros (microporos), de até 50 nanômetros (mesoporos) ou maiores que esse valor (macroporos). A depender do perfil dos poros, o carvão ativado pode ser mais bem empregado para a separação de gases, vapores ou moléculas maiores.

Sua superfície pode, predominantemente, prender moléculas de um líquido ou um gás por forças de van der Waals (dipolo induzido-dipolo induzido), um fenômeno físico de adsorção, causando uma maior concentração do adsorvato em sua superfície do que no fluido original. Contudo, também é possível que ocorra adsorção química (quimissorção), causada por ligações covalentes nos sítios ativos do carvão ativado.

A composição química do carvão ativado também é de extrema importância para as moléculas que serão adsorvidas. Nas arestas das bases das lâminas da grafita, onde se encerram as ligações, existem átomos de carbonos insaturados. Na estrutura ordenada da grafita, a oxidação dessas insaturações não é tão significativa frente à grande superfície dos planos de anéis hexagonais. Contudo, no carvão ativado, cuja estrutura é desorganizada, tais arestas apresentam grande superfície de contato para oxidação. A consequência é a grande presença de átomos de oxigênio no carvão ativado, o que permite a adsorção de moléculas polares também.

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Benefícios do carvão ativado

• Carvão ativado no tratamento de água e ar

Devido a seu grande poder de adsorção, o carvão ativado é empregado em diversas áreas tecnológicas, destacando-se na área de tratamento de águas e do ar. Em janeiro de 2020, a Companhia Estadual de Águas e Esgotos do Rio de Janeiro (Cedae) teve problemas com a geosmina, um composto orgânico produzido pela bactéria Streptomyces coelicolor, presente no solo, bastante comum e responsável pelo “cheiro de terra molhada” (geosmina, aliás, pode ser traduzido como “cheiro de terra”).

A Cedae conta com a Estação de Tratamento de Águas do Guandu, reconhecida pelo Guiness como a maior estação de tratamento de águas do mundo, com capacidade de tratamento de 43 m³ de águas por segundo, estação que atende não só a capital, mas diversos municípios da região metropolitana do estado fluminense.

A água com geosmina gerou uma crise, pois constatou-se que ela levava cor e cheiro à água dos consumidores. A saída foi a utilização de carvão ativado. Posteriormente, em 2021, a empresa estadual decidiu manter a aplicação de carvão ativado, em menor escala, e publicou que a utilização dessa tecnologia poderia poupar R$ 165 milhões em produtos químicos nas etapas de tratamento.

• Carvão ativado no tratamento de problemas de saúde

A Livraria Nacional de Medicina dos Estados Unidos cita alguns estudos em que o carvão ativado foi essencial para o salvamento de vidas. Relata-se em um estudo|1| que um paciente que tentou suicídio com cloroquina e diazepam felizmente se salvou com auxílio de carvão ativado. Outro paciente ingeriu doses letais de cafeína e também teve sucesso no tratamento utilizando carvão ativado|2|. Para saber mais sobre esses benefícios do carvão ativado, clique aqui.

Desvantagens do carvão ativado

O carvão ativado não é tóxico, visto que ele não é absorvido pelo nosso corpo. Seu risco não está no seu uso durante o tratamento de águas ou na filtração do ar, mas sim para fins médicos, especialmente na administração, a qual pode ter algumas contraindicações.

O maior risco é, sem dúvidas, a aspiração das partículas de carvão ativado para os pulmões. Um tubo nasogástrico mal posicionado ou aspiração de vômito durante a administração de carvão ativado pode desencadear a morte do paciente, por isso tudo deve ser bem avaliado. O risco de vômito (êmese) é maior quando a administração do carvão ativado é rápida ou quando há sorbitol adicionado.

De modo geral, a administração de carvão ativado deve sempre trazer mais benefícios que riscos ao paciente.

Como é obtido o carvão ativado?

O carvão ativado é obtido a partir de precursores orgânicos, ricos em carbono, majoritariamente materiais lignocelulósicos (tais como madeira, cascas de nozes e caroços de frutas), turfa, carvão, lignito, piche, coque, entre outros. Quando se busca a produção comercial de carvão ativado, alguns critérios são avaliados, como, por exemplo:

• a possibilidade de obtenção de grandes quantidades de carvão ativado;
• baixo percentual de matéria inorgânica no produto final;
• disponibilidade e custo;
• baixa degradação depois de estocado;
• facilidade de ativação.

Boa parte do carvão ativado comercial é produzido a partir de material lignocelulósico e por carvão betuminoso e lignito. Em geral, as principais formas de carvão ativado produzidas são em pó e granulada.

Saiba mais: Principais diferenças entre carvão vegetal e carvão mineral

Processos de produção do carvão ativado

Os dois principais processos para a produção de carvão ativado são a ativação física (ou térmica) e a ativação química:

• Produção de carvão ativado por ativação física

Na ativação física ocorrem dois estágios separados: a carbonatação ou pirólise do precursor seguida por sua gaseificação controlada. O objetivo da carbonatação é a retirada de espécies não carbonosas e a produção de uma massa fixa de carbono com uma estrutura porosa rudimentar.

Ao fim dessa etapa, os poros ainda estão um tanto quanto obstruídos, com depósitos carbonosos remanescentes da etapa de carbonatação, e, por isso, possuem baixa adsorção. A adsorção é então aumentada pela ativação dos poros com sua gaseificação, seja com vapor, gás carbônico ou a mistura dos dois.

• Produção do carvão ativado por ativação química

A ativação química é mais comumente utilizada quando o precursor orgânico é de origem liganocelulósica. O material finamente moído é impregnado com uma solução concentrada de agentes desidrogenantes, geralmente ácido fosfórico (H₃PO₄) ou cloreto de zinco (ZnCl₂), produzindo a degradação do material celulósico. Após a secagem, a mistura é tratada a quente, em temperaturas entre 400 e 700 °C.

A ativação química produz um material mais rico em carbono que a ativação física, além de não necessitar de carbonatação prévia e precisar de menores temperaturas para ativação dos poros. Ultimamente, por questões ambientais, o ácido fosfórico tem sido mais utilizado que o cloreto de zinco.

Diferenças entre carvão vegetal e carvão ativado

O carvão vegetal possui um tratamento diferente do carvão ativado. O carvão vegetal, embora também tenha propriedades adsorventes, não possui a mesma capacidade de adsorção que o carvão ativado, até por apresentar uma estrutura menos porosa.

O tipo vegetal é, também, produzido a partir da carbonização da madeira (como do eucalipto), por meio da sua carbonização em uma temperatura na faixa dos 500 °C, sem o processo de ativação que ocorre com o carvão ativado (seja físico ou químico).

Além disso, o carvão vegetal é comumente empregado para servir de combustível (como na nossa churrasqueira), enquanto o carvão ativado não. Para saber mais sobre o carvão vegetal, clique aqui.

Notas

|1| STÖRMANN, S.; HOPPE, J.; STEINERT, D.; ANGSTWURM, M. W. A case of self-salvation in a determined chloroquine suicide attempt. The Journal of Critical Care Medicine. 8 (1), p. 61-65, 2022.

|2| AJJAMPUR, K.; SUBRAMANIAM, A. The importance of early use of beta blockers and gastric decontamination in caffeine overdose: A case report. Australian Critical Care. 34 (4), p. 395-400, 2021.

Fontes

AJJAMPUR, K.; SUBRAMANIAM, A. The importance of early use of beta blockers and gastric decontamination in caffeine overdose: A case report. Australian Critical Care. 34 (4), p. 395-400, 2021.

COMPANHIA ESTADUAL DE ÁGUAS E ESGOTOS DO RIO DE JANEIRO – CEDAE. Tecnologia contra geosmina poupa R$ 165 milhões de reais. Socioambiental. Disponível em: https://cedae.com.br/geosmina.

CONSELHO FEDERAL DE QUÍMICA – CFQ. Carvão ativado: alternativa contra a geosmina presente na água no RJ. Notícias CFQ. 17 jan. 2020. Disponível em: https://cfq.org.br/noticia/carvao-ativado-alternativa-contra-a-geosmina-presente-na-agua-no-rj/.

GUILARDUCI, V. V. S.; DE MESQUITA, J. P.; MARTELLI, P. B.; GORGULHO, H. F. Adsorção de fenol sobre carvão ativado em meio alcalino. Química Nova. v. 29, n. 6, p. 1226-1232, 2006.

MIMURA, A. M. S.; SALES, J. R. C.; PINHEIRO, P. C. Atividades Experimentais Simples Envolvendo Adsorção Sobre Carvão. Química Nova Na Escola. v. 32, n. 1. fev. 2010.

RODRIGUEZ-REINOSO, F.; SILVESTRE-ALBERO, J. Activated Carbon and Adsorption. Reference Module in Materials Science and Materials Engineering. Elsevier, 2016.

SILBERMAN, J.; GALUSKA, M. A.; TAYLOR, A. Activated Carbon. StatPearls. National Library of Medicine. 7 fev. 2023. Disponível em: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482294/.

SNOEYINK, V. L.; WEBER JR., W. J. The surface chemistry of active carbon; a discussion of structure and surface functional groups. Environmental Science Technology. n. 1, v. 3. p. 228-234, mar. 1967.

STÖRMANN, S.; HOPPE, J.; STEINERT, D.; ANGSTWURM, M. W. A case of self-salvation in a determined chloroquine suicide attempt. The Journal of Critical Care Medicine. 8 (1), p. 61-65, 2022.

Por Stéfano Araújo Novais
Professor de Química