Capacità di adsorbimento dei carboni attivi: come funziona e perché è così efficace

I carboni attivi sono tra i materiali più utilizzati per la purificazione dell'aria e dei liquidi grazie alla loro straordinaria capacità di adsorbimento. Ma cosa significa esattamente questo termine e quali fattori influenzano l'efficacia del carbone attivo? A differenza dell'assorbimento, in cui le sostanze vengono inglobate all'interno di un materiale, l'adsorbimento avviene quando le molecole di un gas o di un liquido si fissano sulla superficie di un solido. Il carbone attivo, grazie alla sua struttura altamente porosa, offre una superficie enorme in grado di catturare e trattenere contaminanti e impurità.
Nel processo di adsorbimento avviene una diffusione molecolare tra i componenti in fase gassosa e un substrato solido. Le molecole di un gas aderiscono alla superficie del solido e creano, grazie alle forze elettrostatiche (forze di Van Der Walls), degli strati di sostanza. Questo fenomeno di migrazione di molecole tra la fase gassosa e quella solida ha bisogno di una superficie attiva che permetta il contatto tra i componenti. Nel carbone attivo infatti è presente una microporosità che consente uno sviluppo in superficie estremamente grande. I pori microscopici presentano, in profondità, sezioni sempre più piccole fino ad arrivare ad uno sviluppo superficiale di migliaia di metri quadrati per grammo di materiale.

L'efficacia del carbone attivo dipende da diversi elementi:

• Dimensione dei pori: i carboni attivi presentano pori di dimensioni diverse, adatti a trattenere molecole di varia grandezza
• Superficie specifica: maggiore è la superficie disponibile, maggiore è la quantità di sostanze che possono essere adsorbite
• Tipo di contaminante: sostanze con una struttura chimica simile a quella del carbone vengono trattenute più efficacemente
• Temperatura e umidità: condizioni ambientali sfavorevoli possono ridurre la capacità di adsorbimento

Applicazioni del Carbone Attivo

Grazie alle sue proprietà, il carbone attivo viene impiegato in numerosi settori:

• Purificazione dell'aria: per la rimozione di gas tossici, odori e composti organici volatili (VOC)
• Trattamento delle acque: efficace nella filtrazione di sostanze inquinanti e metalli pesanti
• Industria chimica e farmaceutica: utilizzato nei processi di decolorazione e purificazione

Tipologie di filtri

La capacità di adsorbimento del carbone attivo lo rende uno strumento essenziale in molte applicazioni industriali e ambientali. Comprendere i fattori che ne influenzano l'efficacia permette di ottimizzarne l'uso e migliorare le prestazioni nei diversi processi di filtrazione. I filtri a carboni attivi possono avere diverse configurazioni a seconda delle esigenze applicative:

• Filtri a carbone granulare: composti da granuli di carbone attivo, particolarmente indicati per il trattamento dell'aria e dell'acqua
• Filtri a carbone in polvere: caratterizzati da una finezza maggiore, trovano applicazione in settori dove è necessaria un'elevata capacità di adsorbimento
• Filtri a carbone impregnato: arricchiti con sostanze chimiche specifiche per aumentare la loro efficacia nella rimozione di particolari contaminanti, come gas acidi o vapori di mercurio
• Filtri combinati: integrano carbone attivo con altri materiali filtranti per una depurazione ancora più completa

Classi di adsorbimento

Determinare con precisione la capacità di adsorbimento del carbone attivo per ogni inquinante non è semplice. Per dare un’indicazione della quantità di sostanza che un carbone attivo può trattenere, i composti vengono suddivisi in quattro classi, ordinate in base alla facilità di adsorbimento:

• Classe A: sostanze con elevata capacità di adsorbimento (20-50%): Acetato di amile, Acetato di butile, Acetato di cellosolve, Acetato di etile, Acetato di isopropile, Acetato di metilcellosolve, Acetato di propile, Aceto, Acetofenone, Acido acrilico, Acido butirrico, Acido caprillico, Acido carbolico, Acido lattico, Acido propionico, Acido urico, Acido valerianico, Acrilato di etile, Acrilato di metile, Acrilonitrile, Adesivi, Alcole benzilico, Alcool amilico, Alcool butilico, Alcool etilico, Alcool isopropilico, Alcool propilico, Aldeide atrica, Amilacetato, Anidride acetica, Anilina, Antisettici, Argon, Aromi di cibo, Asfalto-fumi, Benzaldeide, Benzene, Benzina, Benzolo, Bisolfuro di carbonio, Bromo, Bromoformio, Butanolo, Butilcellosolve, Caproaldeide, Canfora, Carta deteriorata, Catrame, Cellosolve, Chinolina, Cicloesano, Cicloesanolo, Cicloesanone, Cicloesene, Clorobenzene, Clorobenzolo, Clorobutadiene, Cloroformio, Cloronitropropano, Cloropicrina, Cloruro di butile, Cloruro di metilene, Cloruro di propile, Combustibili liquidi, Compositi solforati, Creosoli o/m/p, Crotonaldeide, Decano, Detergenti, Dibromoetano, Diclorobenzene, Diclorobenzolo, Diclorodifluorometano, Dicloroetano, Dicloroetilene, Diclorometano, Dicloromonofluorometano, Dicloronitroetano, Dicloropropano, Diclorotetrafluoroetano, Dicloruro di etilene, Dietilchetone, Dimetilanilina, Diossano, Dipropilchetone, Eptano, Eptene, Etere amilico, Etere butilico, Etere dicloroetilico, Etere isopropilico, Etere propilico, Elibenzolo, Etilacetato, Etilacrilato, Etilbenzene, Etilene, Etilformiato, Etilsilicato, Fenolo, Fertilizzanti, Freon 11, Freon 12, Freon 114, Frutta, Fumi diesel, Fumi sigaretta, Fumi vernici, Furfurolo, Iodioformio, Kerosene, Lisolo, Lubrificanti-grassi-oli, Mentolo, Mercaptani, Metilacetato, Metilacrilato, Metilcellosolve, Metilcicloesano, Metilcicloesanolo, Metilcicloesanone, Metilcloroformio, Metile, Metiletilchetone (butanone), Metilformiato, Metilmetacrilato, Monoclorobenzene, Monofluorotriclorometano, Monomero di stirene, Nafta, Naftalina, Nicotine, Nitrobenzene, Nitrobenzolo, Nitroetano, Nitroglicerina, Nitrometano, Nitropropano, Nitrotoluene, Nonano, Odori corporei, Odori di combustione, Odori di cucina, Odori di fogna, Odori di liquori, Odori di ospedali, Odori di pesce, Odori di putrefazione, Ossido di metile, Ossido di mesitile, Ottano, Ozono, Palmitico, Paradiclorobenzene, Pentanone, Percloroetilene, Pesticidi, Piridina, Propil acetato, Propilcloruro, Propilmercaptano, Putrescina, Resine, Solfuro di etile, Stirolo, Stirene, Tetrabromoetano, Tetracloroetano, Tetraclorotilene, Tetracloruro di carbonio, Tiofene, Toluene, Toluidina, Trementina, Tricloroetano, Tricloroetilene, Trielina, Urea, Valerico, Vapori di vernice, Valeraldeide, Xilene, Xilolo.
• Classe B: sostanze con buona capacità di adsorbimento (10-25%): Acetone, Acetato di metile, Acido acetico, Acido cianidrico, Acido formico, Acido iodidrico, Alcool metilico – metanolo, Aldeide propionico, Anidirde solforica, Arsenico, Bromuro di etile, Bromuro di metile, Butadiene, Butiraldeide, Carbonio disolfito, Cloro, Cloruro di etile, Cloruro di metile, Cloruro di vinile, Diclorodifluorometano, Diclorotetrafluoroetano, Dietilammina, Dimetilsolfato, Esano, Esilene, Etanolo, Etere, Etere etilico, Etere metilico, Etilmercaptano, Fluorotriclorometano, Formiato di etile, Formiati di metile, Fosgene, Freon Furano, Glicole etilenico, Gomma, Idrogeno solforato, Isoprene, Isopropanolo, Mercaptonezene, Metilbromuro, Metilcloruro, Metilmercaptano, Monofluorotriclorometano, Odori di macellazione, Pentano, Pentene, Piombo, Piridina, Pirrolo, Propionaldeide, Solfato dimetilico, Solfuro di carbonio, Solventi vari, Vinilcloruro.
• Classe C: sostanze con ridotta capacità di adsorbimento (< 15%): Aldeide e derivati tra 5 e 15% (Acetaldeide, Acroleina, Aldeide valerica, Formaldeide), Gas acidi tra 5 e 15% (Acido bromidrico, Acido cloridrico, Acido fluoridrico, Acido nitrico, Acido solforico, Anidride carbonica, Anidride solforosa, Arsina, Biossido d’azoto, Biossido di zolfo, Bromuro di etidio, Bromopropano, Butano, Butene, Fosfina, Gas solforosi, Iodio, Ossido di carbonio, Ossido di etilene, Propano, Propene, Propilbromuro, Seleniuro di idrogeno, Solfuro di idrogeno, Zolfo), Ammoniaca e derivati tra il 5 e il 15% (Aceto nitrile, Ammine, Ammoniaca, Dietilammina, Dimetilammina, Etilammina), Iodio tra il 5 e il 15%; Mercurio tra il 5 e il 15%.
• Classe D: sostanze che non possono essere adsorbite dal carbone attivo: Cetilene, Acido carbonico, Diossido di zolfo, Etano, Etilene, Idrogeno, Metano, Metilbutilchetone, Monossido di, carbonio, Triossido di zolfo.

Le percentuali indicate non rappresentano un valore di efficienza assoluto, ma si riferiscono al peso relativo del contaminante trattenuto rispetto alla quantità di carbone attivo di media qualità presente nel filtro.