Carbón Activado: Estudio proceso químico con 3 maderas

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

DPTO. ACADÉMICO INDUSTRIAS FORESTALES- ÁREA TRANSFO RMACIÓN QUÍMICA

ESTUDIO DE PROCESO DE CARBÓN ACTIVADO: OBTENCIÓN POR

MÉTODO QUÍMICO

Autores: Ing. Héctor Enrique Gonzales Mora, Ph.D. ([email protected])

Ing. Renzo Teruya Chinén Colaboración: Bach. Nelly Herrera Olivares

La Molina, Diciembre 2004

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CONTENIDO

CONTENIDO ......................................................................................................................................................... I

1. INTRODUCCIÓN: PRESENTACIÓN DEL ESTUDIO ......... ...................................................................... 1

2. CARBÓN ACTIVADO, DEFINICIONES Y USOS ...................................................................................... 3

2.1 DEFINICIÓN ............................................................................................................................................... 3 2.2 TIPOS DEL CARBÓN ACTIVADO Y USOS ..................................................................................................... 3

2.2.1 Tipos de Carbón Activado .................................................................................................................... 3 Carbón activado en polvo, para fase líquida, tipo I (Norma NTP 207.024) ................................................................ 3 Carbón activado granular, para fase gaseosa, tipo II (Norma NTP 207.024) .............................................................. 3

2.2.2 Usos del Carbón Activado .................................................................................................................... 3 Uso en la industria de alimentos ................................................................................................................................. 3 Tratamientos de aguas ................................................................................................................................................ 4 Adsorción de vapores y gases ..................................................................................................................................... 4 Recuperación de disolventes ...................................................................................................................................... 4 Máscara antigás .......................................................................................................................................................... 4 Aire acondicionado ..................................................................................................................................................... 4 Fabricación de Productos Químico - Farmacéuticos .................................................................................................. 4 Como Medicamento ................................................................................................................................................... 4 Otros usos del Carbón activado .................................................................................................................................. 5

2.3 CARACTERÍSTICAS DEL CARBÓN ACTIVADO ................................................................................................. 6 2.4 PROCESOS DE FABRICACIÓN DE CARBÓN ACTIVADO SEGÚN MATERIA PRIMA Y TIPO DE

PRODUCTO ...................................................................................................................................................... 6 2.4.1 Activación física ................................................................................................................................... 8 2.4.2 Activación química ............................................................................................................................... 9

3. MATERIALES Y MÉTODOS PARA LA PRODUCCIÓN DE CARBÓ N ACTIVADO, POR EL MÉTODO QUÍMICO ......................................................................................................................................... 12

PROCESO SELECCIONADO ..................................................................................................... 12 3.1 MATERIA PRIMA .................................................................................................................................... 12

3.1.1 Quinilla ............................................................................................................................................... 12 3.1.2 Shihuahuaco ....................................................................................................................................... 12 3.1.3 Capirona ............................................................................................................................................. 13 3.1.4 Características de las Especies Estudiadas ....................................................................................... 13

3.2 REACTIVOS.................................................................................................................................................. 13 3.2.1 Ácido Fosfórico .................................................................................................................................. 13

3.3 METODOLOGÍA ............................................................................................................................................ 14 3.3.1 Etapas de Producción ......................................................................................................................... 15

3.3.1.1 Control de Materia prima .............................................................................................................................. 15 Determinación de humedad ................................................................................................................................. 17

3.3.1.2 Mezclado con Reactivo................................................................................................................................ 17 3.3.1.3 Activación .................................................................................................................................................... 19 3.3.1.4 Descarga y Enfriamiento .............................................................................................................................. 23 3.3.1.5 Molienda ....................................................................................................................................................... 24 3.3.1.6 Control de producto ...................................................................................................................................... 25 3.3.1.7 Envasado ..................................................................................................................................................... 26

3.4 NORMAS APLICABLES DEL CARBÓN ACTIVADO ......................................................................................... 28

4. RESULTADOS DEL PROCESO .................................................................................................................. 29

4.1 PRODUCCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO ............................................................................................. 29 4.2 DETERMINACIÓN DE LA CALIDAD DEL CARBÓN OBTENIDO ........................................................................ 29 4.3 ANÁLISIS COMPARATIVO CON RESULTADOS DE ESTUDIOS CON TRABAJOS SIMILARES .............................. 30

5. DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES REQUERIDAS: PRODUCTO QUE SE ELABORA .... 32

5. DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES REQUERIDAS: PRODUCTO QUE SE ELABORA .... 32

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5.1 SALA DE RECEPCIÓN Y CONTROL DE MATERIA PRIMA ............................................................................... 35 5.2 TINA DE MEZCLA ........................................................................................................................................ 35 5.3 HORNO DE ACTIVACIÓN ............................................................................................................................ 36 5.4 CILINDRO DE DESCARGA ........................................................................................................................ 37 5.5 MOLIENDA .................................................................................................................................................. 37 5.6 ZARANDA (E QUIPO OPCIONAL) ........................................................................................................... 38 5.7 EMBOLSADO ................................................................................................................................................ 39 5.6 LABORATORIO DE CONTROL ....................................................................................................................... 39

Equipos básicos requeridos ......................................................................................................................... 39 Material de vidrio ........................................................................................................................................ 40

6. CONTROL DE CALIDAD ............................................................................................................................ 41

7. RECOMENDACIONES DE EMBALAJE Y PRESENTACIÓN DEL P RODUCTO PARA SU VENTA FINAL .................................................................................................................................................................. 43

PRECAUCIONES ............................................................................................................................................ 43 VENTA ............................................................................................................................................................ 43

8. COSTOS DE FABRICACIÓN. RENDIMIENTOS ..................................................................................... 44

8.1 INFORMACIÓN BASE .................................................................................................................................... 44 Especies ............................................................................................................................................................... 44

8.2 GASTOS DIRECTOS ...................................................................................................................................... 44 8.2.1 Gastos de materia prima ................................................................................................................... 44 8.2.2 Gastos de Reactivo ............................................................................................................................. 44 8.2.3 Depreciación de Equipos ................................................................................................................... 45 8.2.4 Insumos de molienda : bolas de porcelana ........................................................................................ 45 8.2.5 Insumos de molienda : tamices de zaranda vibratoria ....................................................................... 45 8.2.6 Gastos por Electricidad de Equipos ................................................................................................... 46 8.2.7 Bolsas ................................................................................................................................................. 46 8.2.8 Insumos de Producción ...................................................................................................................... 46

8.3 MANO DE OBRA .......................................................................................................................................... 46 8.3.1 Mano de Obra Directa ....................................................................................................................... 46 8.3.2 Mano de Obra indirecta ..................................................................................................................... 47

8.3 GASTOS INDIRECTOS ................................................................................................................................... 47 8.4 COSTO DE PRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 47

9. VIABILIDAD DEL ESTUDIO ...................................................................................................................... 49

9.1 CRITERIO TÉCNICO DE CALIDAD ................................................................................................................. 49 9.2 CRITERIO DEL COSTO PRODUCTIVO ............................................................................................................ 49

10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................................................... 52

11. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA .............................................................................................................. 54

12. ANEXOS .................................................................................................................................... I

ANEXO 01: DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA AGROFORESTAL INDUSTRIAS, PRODUCTORA DE CARBÓN

ACTIVADO EN L IMA (FICHA ACTUALIZADA AL 20/12/04) ................................................................................... II ANEXO 02: DATOS DE CONTROL DE MATERIA PRIMA (ASERRÍN) INGRESADA A LA PLANTA AGROFORESTAL

INDUSTRIAS ...................................................................................................................................................... III ANEXO 03: PROFORMAS DE COTIZACIÓN DE EQUIPOS PARA LA PRODUCCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO, MEDIANTE LA ACTIVACIÓN QUÍMICA CON ÁCIDO FOSFÓRICO .................... ¡ERROR! M ARCADOR NO DEFINIDO . ANEXO 04: NORMAS TÉCNICAS PROPUESTAS PARA LA EVALUACIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO, TIPO I, EN

POLVO, OBTENIDO A PARTIR DEL ASERRÍN DE DOS MADERAS TROPICALES. ............... ¡ERROR! M ARCADOR NO

DEFINIDO . ANEXO 05 :EMPRESAS CONCERTADAS PARA LA OBTENCIÓN DE INFORMACIÓN, KNOW HOW, DE UNA PLANTA

DE CARBÓN ACTIVADO. .............................................................................. ¡ERROR! M ARCADOR NO DEFINIDO .



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1. INTRODUCCIÓN: PRESENTACIÓN DEL ESTUDIO

El carbón activado es un producto muy utilizado por su gran capacidad de adsorción, para retención de gases, de sustancias causantes de color, olor y sabor en medios líquidos. La aplicación industrial del carbón activado es para la refinación de azúcar, en minería y metalurgia, en equipos de seguridad, en medicina, en equipos de enfriamiento, etc. Debido a la mejor situación económica del país, se viene desarrolando un mayor consumo del carbón activado, principalmente en el sector industrial alimenticio, metalúrgico y para tratamiento de aguas. Se estima que para el presenta año, la demanda industrial del carbón activado, en el Perú, supere el millón de kg (1000 t)1, de acuerdo a los datos de proyección de demanda de los últimos 8 años. Sin embargo, esta demanda de carbón activado serán cubiertas casi en su totalidad por importaciones, provenientes de Filipinas, EE.UU., Indonesia, Reino Unido, Sri-Lanka, México y Brasil. Los bajos precios de los productos, la uniformidad de su calidad asi como ventajas entre países (acuerdo APEC, acuerdo Perú-México, etc.) son factores que favorecen la importación del carbón activado para la industria nacional. La información antes mencionada se verificó através del “Estudio Preliminar de Carbón Activado”, destacándose la importancia que tiene el carbón activado de tipo granular, obtenido por activación física, que es el de mayor demanda en el Perú. En el estudio se constató que el carbón activado va adquiriendo cada día mayor importancia, razón que se demuestra con el mayor consumo que se viene dando en los últimos años, tanto en el Perú y el Mundo. Los tipos de carbones activados consumidos presenta una distribución favorable al de activación física (66%) mayor al de activación química (34%). En el mismo estudio se hicieron proyecciones de importaciones de carbón activado que se estaría adquiriendo en un futuro, un promedio de 1000 toneladas anuales, con las cantidades siguientes:

• 586 ton/año de carbón en polvo, activación física • 238 ton/año de carbón granular, activación química • 102 ton/año de carbón en polvo, activación química • 74 ton/año de carbón granular, activación física.

Y agrupado por tipo de carbón, la demanda sería de: • 688 ton/año de carbón en polvo • 312 ton/año de carbón granular

A pesar de la creciente demanda, no hay a la fecha un estudio que considere el abastecimiento de carbón activado para el mercado local, aprovechando las materias primas nacionales. Dentro de estas materias, el aserrín de madera presenta características ideales para la producción de carbón activado, en polvo, obtenido directamente por activación química, o indirfectamente, previa transformación de carbón vegetal, por activación física. Se observa en la información anterior que hay un potencial de más de 680 ton de carbón activado en polvo que podrían ser obtenidos a partir de la madera. De los métodos de activación, es el proceso químico el que presenta mayores ventajas: menor monto de inversión y facilidad de transformación a temperaturas menores que la activación física. Mediante el presente estudio “Estudio de Proceso del Carbón Activado” se ha hecho la



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evaluación del producto obtenido a partir del aserrín de tres maderas tropicales de la zona de Pucallpa. El aserrín es obtenido como subproducto de la industria de pisos de madera; se estima que hay una cantidad aproximada de 300 ton/mes de aserrín de madera que podrían ser utilizada para La producción de carbón activado, del tipo I en polvo, por activación química; este volumen de aserrín alcanzaría para una producción media de más de 22 ton de carbón activada mes. Los resultados de rendimiento de conversión de aserrín a carbón activado son aparentemente alentadores. Sin embargo, la evaluación de la calidad del carbón obtenido requiere que se evalúe, através de una investigación, las variables de fabricación con el fin de optimizar el proceso y por consiguiente la calidad del producto. Asimismo, se llevó a cabo un ensayo para estimación de costos de producción, cuyos valores obtenidos, para una producción mensual de 10 ton de carbón activado, son inferiores a los precios CIF, los más bajos, del carbón activado importado al Perú por diferentes empresas y de diferente origen. Los precios del carbón activado varian en función de la capacidad de adsorción, tambien del costo de la materia prima, de su preparación, manipulación además de los costos de fletes. Se espera que la información vertida en el presente estudio sirva de plataforma para concluir en una inversión de producción de carbón activado, a partir de materias primas nacionales. El autor agradece enormemente la confianza de la Asociación Trópicos para llevar a cabo el presente estudio.



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2. CARBÓN ACTIVADO, DEFINICIONES Y USOS

2.1 DEFINICIÓN

El carbón es un sólido compuesto por hidrógeno, oxígeno y principalmente el carbono; cuando este carbón se pone en medios de reacción a alta temperatura, se liberan sustancias volátiles, convirtiendo el sólido en un producto de alta porosidad, lo que permite el desarrollo de una alta superficie específica2. Bajo estas condiciones, el carbón tiene la capacidad de atraer en su superficie moléculas de gases. Este mecanismo de atracción se denomina adsorción y se da entre la superficie libre de un sólido y el gas3. Es definido como un carbón muy poroso, con alta capacidad de adsorción superficial (1000 a 1500 m²/g)4.

2.2 TIPOS DEL CARBÓN ACTIVADO Y USOS

Según la calidad del carbón, evaluado por su superficie específica, se tienen dos tipos de carbón: (I) para tratamiento en fase líquidas o de decoloración de soluciones; (II) para adsorción y retención de gases, esta última requiere un mayor valor de superficie específica.

2.2.1 Tipos de Carbón Activado

Carbón activado en polvo, para fase líquida, tipo I (Norma NTP 207.024)

Los carbones de adsorción en fase líquida son polvos ligeros y sedosos que se utilizan principalmente en la decoloración de líquidos5; la refinación de azúcar y el tratamiento de agua constituye ahora más de la mitad de usos del carbón activo en procesos de fase líquida6. El carbón de fase líquida, en polvo, con superficie específica hasta 1000m²/g, obtenido a partir de huesos, madera, turba, lignito, residuos de papel, se le utiliza para decoloración y refinación de azúcar, purificación de agua, clarificador de disolventes, recuperación de caucho, etc.

Carbón activado granular, para fase gaseosa, tipo I I (Norma NTP 207.024)

El carbón de fase gaseosa con superficie específica entre 1000 a 2000 m²/g , carbón granular y denso, obtenido a partir de cáscara de coco, turba, carbón mineral y residuos de petróleo, se aplican para recuperación de disolventes volátiles, purificación y separación de gases, aplicaciones catalíticas en industria química 7.

2.2.2 Usos del Carbón Activado

Dentro de los principales usos de los carbones activados destacan la refinación, la potabilización de aguas, tratamiento de aguas servidas, además de retener emisiones gaseosas que deterioran la atmósfera. El carbón activado es ya calificado como un material ecológico por el gran beneficio del que deriva su utilización8.

Uso en la industria de alimentos

El uso del carbón activado para mejorar el aroma, color y sabor, además de eliminar bacterias de



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muchos productos alimenticios -gelatina, vinagre, cerveza, jugos de fruta, vinos, azúcar, aceites y grasas.

Tratamientos de aguas

Se emplea para retener contaminantes de naturaleza orgánica, presentes en general en bajas concentraciones: compuestos fenólicos, hidrocarburos aromáticos nitrados, derivados clorados, sustancias coloreadas, y otras que comunican olor y sabor a las aguas; el uso más importante en el tratamiento del agua potable es la eliminación de los excesos de cloro, actuando también como desinfectante.

Adsorción de vapores y gases

El carbón activado adsorbe impurezas presentes en concentraciones de ppm, como remoción de gases contaminantes ácidos, de compuestos sulfurosos y mercaptanos, purificación de gases comprimidos y remoción de trazas de vapores de mercurio presentes en combustibles gaseosos9.

Recuperación de disolventes

El carbón activado granular es utilizado en filtros industriales, reteniendo vapores orgánicos solventes, gases ácidos, monóxido de carbono, dióxido de azufre, cianuro de hidrógeno, amonio, benceno, acetona, alcoholes, sulfuro de hidrógeno, vapores de mercurio, helio, neón, argón, eliminación de olores desagradables y compuestos tóxicos en fase gaseosa en las diferentes ramas de la industria entre otros10.

Máscara antigás

Se prefiere las partículas más pequeñas de carbón granular que las usadas en los filtros industriales porque proporcionan un buen contacto y eliminan completamente los vapores y gases perjudiciales11.

Aire acondicionado

El carbón activado cumple funciones de remover olores y purificar el ambiente; así el aire tratado puede ser recirculado y reutilizado en las mismas instalaciones. En este caso se emplean un carbón activado especial, duro y granular12.

Fabricación de Productos Químico - Farmacéuticos

En la fabricación del algunos químicos y productos farmacéuticos, el carbón activado mejora la calidad de las sustancias y disminuye costos de fabricación. Productos que pueden purificase con el carbón activado son: ácido fosfórico, ácido gálico, ácido glutámico, ácido láctico, ácido sulfanílico, arsfenamina, atabrina, benzoato de sodio, cafeína, estreptomicina, ferrocianuro de calcio, glicerina, glutamato monosódico, hidroquinina, penicilina y procaina13.

Como Medicamento

El carbón activado, se emplea como adsorbente y desinfectante de enfermedades del tubo digestivo, en infecciones, enteritis tóxicas de origen alimenticio, remoción de bacterias de alto peso molecular, gastritis aguda, casos de envenenamiento por hongos, intoxicaciones con arsénico, fósforo, fenol, estrictina, kerosene, insecticidas, en dosis excesivas de analgésicos, píldoras antidepresivas, etc. 14 15.



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Otros usos del Carbón activado

• Elaboración de filtros para cigarrillos; • Fabricación de deodorizadores para refrigeradoras; • neutralización de herbicidas en el suelo; • desactivación de insecticidas ingeridas por animales; • tratamiento de alcantarillas

En el cuadro N° 2.1 se presenta una relación de usos, según la actividad de la empresa que adquirió carbón activado en el Perú, para el año 2004. CUADRO N° 2.1: Relación De Empresas Importadoras-C onsumidoras De Carbón

Activado, según la Actividad Industrial a la que se dedican (2004)

RUBRO O USO EMPRESAS 1 Accesorios Para Baño Tecnosanitaria S.A. 2 Agroindustria Azucarer a – Papelera Quimpac S.A. 3 Aire Acondicionado

Cold Import S A 4 Emerson Network Power Del Peru S.A.C

5 Alimentos Varios

Ajinomoto Del Peru S A 6 Alicorp Saa 7 Derivados Del Maiz S.A. 8 Artículos De Limpieza Ilko Peru S.A.C. 9 Bebidas Alcohólicas

Destilerias Unidas S.A.C 10 Embotelladora Latinoamericana S.A.-Elsa 11 Grupo Comercial Bari Sa 12 Santiago Queirolo S.A.C. 13 Bebidas Alcohólicas Y Gaseosas

Cerveceria San Juan S.A.A. 14 Union De Cer Per Backus Y Johnston S.A.A

15 Calzado De Cuero Y Caucho Segurindustria S.A. 16 Cosméticos Unique S.A. 17 Empresa De Transporte Soyuz S A 18 Equipos Contra Incendio Y Seguridad Tecnin Del Peru S.A. 19 Fabricación De Sustancias Y Productos Quimicos Actividades Tecnico Industriales S.A.C. 20 Filtro Para Tratamiento De Agua Aquafil Eirl 21 Filtros De Agua Liberati Baldo S.A.C. 22 Hidroeléctrica Edegel S.A. 23

Ind. Minera

Cia Minera Aurifera Santa Rosa S.A. 24 Compañia De Minas Buenaventura S.A.A. 25 Compania Minera Antamina S.A 26 Diamond Corporacion S A 27 Inversiones Mineras Del Sur S A 28 Minera Yanacocha S.R.L. 29 Soc Minera Austria Duvaz S A 30 Ind. Petrolera

Pluspetrol Peru Corporation S.A. 31 Refineria La Pampilla S.A.

32 Pesca Acuario Real S.R.Ltda. 33 Productos De O ficina 3M Peru S A 34 Tratamiento De Agua Industrial Vivendi Water Systems Peru S.A.



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Nota: Empresas nacional clasificadas según actividad declarada en SUNAT; base de información: http://www.sunat.gob.pe

2.3 CARACTERÍSTICAS DEL CARBÓN ACTIVADO

El carbón activado se caracteriza por sus propiedades físico-químicas, que son las que finalmente definen la calidad del producto. Las propiedades de composición asi como sus propiedades físicas, son determinantes para clasificar y calificar el carbón activado. Dada la función de este producto, se busca que el carbón activado tenga una gran superficie específica libre, de alta porosidad, granulometría variada, con bajo contenido de cenizas y componentes volátiles. Su capacidad de adsorción es evaluada indirectamente através de indicadores como son adsorción del yodo, del azul de metileno, de molasa, de azucar no refinada, etc. En el cuadro N° 2.2 son presentados los valores de las características requeridas, según requisitos exigidos por norma técnica, para carbón en polvo y granular, para la industria alimentaria, azucarera.

CUADRO N° 2.2: Características Técnicas de Carbones Activados en Polvo y Granular

CARACTERÍSTICA Norma nacional NTP 207.24

Norma mexicana NMX-F-295-1981

Tipo carbón POLVO POLVO GRANULAR

Apariencia Polvo negro Polvo negro

PH 5,5 a 7,5 6,0 a 8,5 5,5 a 8,0

Humedad Máximo 12 % Max. 12 %

Densidad aparente 0,35 a 0,40 g/cm3 0,4 g/cm3 0,46 g/cm3

Cenizas totales Máximo 12 % Max. 12 % Máximo 12,5 %

Cenizas hidrosolubles Máximo 3.5 %

GRANULOMETRÍA

Fracción retenida malla N° 12 Mayor a 8 %

Fracción retenida malla N° 40 Menor a 5 %

Fracción pasa malla N°100 Mínimo 95 %

Fracción retenida malla N° 200 Mínimo 92 % Mínimo 95 %

Poder decolorante azúcar crudo

Mínimo 90 % Mínimo 90 % Mínimo 90 %

Actividad de yodo Mínimo 60 %

Resistencia a la abrasión 90

2.4 PROCESOS DE FABRICACIÓN DE CARBÓN ACTIVADO SEGÚ N MATERIA PRIMA Y TIPO DE PRODUCTO

Un esquema de la fabricación del carbón activado es mostrada en la figura 2.1. En la misma, se plantean, las rutas de transformación de materias primas maderables para la obtención de carbón



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activado, sea por la vía física o por la vía química.

CARBÓN VEGETAL

Molienda

Tamizado

Cámara de activación

FABRICACIÓN DE CARBÓN ACTIVADO

Partículas finas

Enfriamiento

ACTIVACIÓN FÍSICA

Carbonilla

Aserrín: mezcla con reactivo

Gas seco a 1000°C: H2Ov, CO2

ACTIVACIÓN T =800-900°C

(sin O2)

Lavado y Filtrado Secado Molienda

Carbón Activado

Gas a recuperación

ACTIVACIÓN QUÍMICA

Enfriamiento

Embolsado

FIGURA 2.1: Esquema de Fabricación de Carbón Activado a partir de Materias Primas Maderables16.

La empresa Calgon-Mitsubishi propone un esquema de producción de carbón activado a partir de



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tres tipos de materias primas: carbón mineal (coal), cáscara de coco (coconut shell) y el aserrín de madera (woods sawdust) . A partir de materias primas procesadas, dos de ellas tratadas por activación física, y la última con activación física y química, se obtiene dos tipos básicos de carbón activado: el carbón en polvo (powder carbon) y el carbón granular (crushed carbon). Un derivado es el denominado carbón peletizado o moldeado (pellet carbon). En el cuadro N° 2.3 se muestra el diagrama de flujo, propuesto por la empresa citada . CUADRO N° 2.3: Etapas de Producción de Carbón Activ ado a partir de 4 Materias

Primas a

MATERIA PRIMA TIPO DE ACTIVACIÓN: Química Aserrín madera

ETAPAS MO1: primera molienda (crushing) IMP : impregnación con reactivos químicos (impregnation reagent) � �

PEL moldeado o pelletizado (molding) � ACT activación (activation) � � � MO2 segunda molienda (crushing) � TAM tamizado (sieving) � �

PRODUCTO

Carbón en polvo

Carbón granular

Carbón en pellets

2.4.1 Activación física

Esta forma de activación es la mas utilizada; como materia prima emplea el carbón vegetal granulado, obtenido previamente en métodos de carbonización a temperaturas entre 400 a 600°C. El carbón vegetal, materia prima, es sometido a una molienda, enseguida clasificado, empleando tamices de diferentes tipos de abertura, con el propósito de uniformizar el tamaño de partículas antes de la activación. El carbón vegetal, molido, se coloca dentro de un lecho de activación (construido en material resistente a altas temperaturas) por donde se hace pasar corrientes de gas a temperaturas entre 800 a 1000 °C. Como gases para la activación se emplea el vapor de agua, dióxido de carbono, cloro, gases provenientes de una combustión u otros gases que actúan sobre los materiales volátiles, provocando su arrastre y separación de la estructura del carbón. Se recomienda el empleo de gases con oxigeno en su composición, para aumentar la reactividad del carbón. Entre los agentes activadores también se puede utilizar el aire, cuya activación ocurre a 600 ºC, sin embargo, a pesar de su bajo costo, su uso genera reacciones exotérmicas difíciles de controlar. Por lo general, los gases activadores son gases inertes los que permiten obtener carbones activados de buena calidad. El gas dióxido de carbono se aplica a 900 ºC y el vapor de

a fuente: Calgon Mitsubishi Chemical Corporation



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agua, de bajo costo, alrededor de 1000 ºC17,18. El carbón activado obtenido a partir de gases calientes es luego enfriado dentro de un recipiente, sin contacto con el aire. Las condiciones industriales aplicadas durante la activación en fase vapor son las siguientes:

• Materia prima Aserrín de madera

• Carbonización 400 °C x 2 horas

• Activación: pretratamiento con gas 850 °C

• Intervalo de tiempo 30 min

• Temperatura activación 950 °C x 60 min En proceso de activación física, los factores de consumo, por cada tonelada de carbón activado producido son19:

• 1500 kg de brea coquificada de madera (tar)

• 3000 kg de carbón de madera; equivalencia: R’2 = 33,3 %

• 10000 kg de vapor

• 2000 Kw-h de energía eléctrica

2.4.2 Activación química

Se obtiene mediante un tratamiento termo-química, comúnmente denominado tratamiento químico. Mediante este tratamiento, sea con cloruro de zinc, ácido fosfórico u otros reactivos químicos, la materia prima se transforma en carbón pero adquierendo propiedades con una gran actividad y poder adsorción. El proceso de activación química es aplicada directamente a la materia prima, a diferencia de la activación física donde tiene que haber una carbonización previa a la activación. Se obtiene mezclando la materia prima, principalmente aserrín de madera, seco, con un agente químico activante, principalmente cloruro de zinc o ácido fosfórico. La carbonización/activación se realiza en una retorta con una temperatura de tratamiento entre 500 a 900°C; a temperaturas altas, la activación es mayor. Concluido el proceso, se descarga y se enfría y se lava el carbón para recuperar el agente activador. Luego el carbón activado se filtra y se seca. Los procedimientos químicos de activación son obtenidos por impregnación empleándose sustancias deshidratantes como el cloruro de zinc, ácido fosfórico, ácido sulfúrico, ácido bórico, ácido nítrico, sulfuro de potasio, sulfatos de magneso y sodio, etc. Al igual que el cloruro de zinc, el ácido fosfórico actua sobre la materia prima, deshidratándola y combinándose con los compuestos oxigenados e hidrogenados, para dar agua como subproducto. Esta reacción favorece la activación, pues habrá menor cantidad de material volatil incorporado en la estructura del carbón. Los reactivos se mezclan con la materia prima, teniendo en cuenta un tiempo y temperatura de reacción apropiados. Al inicio del tratamiento se produce la carbonización y consecutivamente la activación, produciéndose gases oxidantes y la degradación de las moléculas orgánicas, por deshidratación, restringiéndose así la formación de brea. 20 21. El cloruro de zinc como el ácido fosfórico actúan como un fuerte deshidratante y permiten la combinación del hidrógeno con el oxígeno de la célula para formar agua Los vestigios de agua



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son eliminados, con lo cual sólo pueden formarse cantidades muy pequeñas de alquitrán mientras que la mayor parte de este compuesto se transforma en compuestos de carbono. De esta manera los poros del carbón quedan libres y en consecuencia, el resultado es un producto con una gran superficie específica. De acuerdo al principio de activación, los carbones activados químicamente presentan un área superficial considerablemente mayor a la del carbón activado por procedimiento físico22. Luego de la activación, el carbón es lavado con agua y ácido hasta regular el pH del producto; luego empaquetado. El método químico tiene la ventaja de desarrollarse por la modalidad de autignición o autotérmica, lo que baja los costos por consumo energético clásico23. En la figura 2.2, se muestra el diagrama de flujo de la obtención del carbón activado a partir del aserrín de pino, el material es tratado a 600- 700ºC. Este material es carbonizado en hornos rotatorios donde el aire es excluido (evitando la calcinación), teniendo lugar a la descomposición piroleñosa.

FIGURA 2.2: Diagrama de flujo de la obtención quími ca del carbón activado a partir de aserrín de madera 24

ASERRÍN DE MADERA

IMPREGNACIÓN con H3PO4

CARBONIZACIÓN -ACTIVACIÓN a 800º-900 ºC

MOLIENDA EN SECO

ENFRIAMIENTO

EMPACADO

CARBÓN ACTIVADO Recuperación de reactivo



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Los valores de rendimiento en activación química de laboratorio difieren con los valores industriales, aunque la información presentado muestra caso inverso que en la activación física. Para el caso de resultados de laboratorio, se tuvo los siguientes valores, con muestras de especies tropicales:

MATERIA PRIMA RENDIMIENTO %

Promedio Máximo Mínimo

Cáscara de fruto de castaña 27,7 % 33,9 % 24,1 %

Aserrín de madera tornillo 33,8 % 20,7 %

Aserrín de madera manchinga 21,1 % 24,0 % 18,1 %

Aserrín de madera caoba 23,0 % 27,8 % 18,3 %

En el caso de la activación química a nivel industrial, los factores de consumo, por cada tonelada de carbón activado, en polvo, son:

• 3000 a 3200 kg de aserrin; rendimiento equivalente de 31,3 a 33,3 %

• 400 a 600 kg de cloruro de zinc

• 300 kW-h de energía eléctrica

• 2000 m3 de coke



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3. MATERIALES Y MÉTODOS PARA LA PRODUCCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO, POR EL MÉTODO QUÍMICO

PROCESO SELECCIONADO

ACTIVACIÓN QUÍMICA, CON ÁCIDO FOSFÓRICO

3.1 MATERIA PRIMA

Las materias cprimas estudiadas corresponden al aserrín proveniente como residuo de una planta de producción de pisos de madera, MAPESA, ubicada en la ciudad de Pucallpa, región Ucayali. La planta emplea regularmente diversas especies de maderas duras tropicales. Las especies seleccionadas para el estudio son:

• Quinilla colorada • Shihuahuaco • Capirona • Una mezcla de las especies antes mencionadas (proporción no determinada).

Las muestras de aserrín han sido colectadas luego de las etapas de producción respectivas, embolsadas en sacos de poliester y luego enviadas a Lima, por vía terrestre. Una breve descripción de las especies evaluadas es mencionada a continuación25.

3.1.1 Quinilla

Nombre científico: Manilkara surinamensis (Miq.) Dubard

Sinonimia : Manilkara bidentata Williams ; M. amazonica ;Mimusops amazonica

Familia: SAPOTACEAE

Madera color crema rojizo (albura) y rojo oscuro (duramen), con grano entrecruzado.

Presenta textura fina, sin brillo, densidad alta (0,87). Se le utiliza en la elaboración de parquet, construcción pesada, durmientes, vigas de puentes, etc. 26

3.1.2 Shihuahuaco

Nombre científico: Dipteryx odorata (Aublet) Wildenow

Sinonimia: Coumarouna odorata

Familia: FABACEAE

Madera color crema (albura) y rojo a marrón (duramen), con grano entrecruzado.

Presenta textura media, densidad alta (0,87). Se le utiliza en construcción de casas (vigas,



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columnas), postes, durmientes, parquet, carrocerias, mango de herramientas, etc. 27

3.1.3 Capirona

Nombre científico: Calycophyllum spruceanum (Benth) Hooker f. Ex Schuman

Familia: Rubiaceae

Madera de color blanco cremoso (albura) y blanco amarillento (duramen). Presenta

textura fina, de brillo medio, con densidad madia alta (0,76). Se le utiliza para fabricar pisos y parquet, construcción, machihembrados, pasos de escalera, mangos de herramientas, etc. 28

3.1.4 Características de las Especies Estudiadas

Un resumen de las características químicas de la madera es presentado en el cuadro N° 3.1 . En el cuadro se muestran valores relativamente altos de extractivos en la madera de quinilla y de shihuahuaco. Asimismo, la madera de quinilla presenta los mayores valores en cenizas y de sílice.

CUADRO N° 3.1 : Análisis de Composición Química de la Madera de Tres Especies Forestales

ESPECIE Extractivos

AB Celulosa Lignina Cenizas Sílice

% % % % %

QUINILLA 6.15 42.5 31.5 1.47 0.48

SHIHUAHUACO 5.34 56.2 33.3 0.62 0.30

CAPIRONA 2.20 42.9 33 0.86 0.14

3.2 REACTIVOS

El único reactivo químico utilizado, para el proceso de activación, es el ácido fosfórico, de grado alimenticio (FCC), al 85 % de concentración.

3.2.1 Ácido Fosfórico

Reactivo químico, sin color, también tiene presentación en forma de cristales rómbicos. Sus características físico-químicas son29: ♦ reactivo Ácido fosfórico H3PO4 ♦ peso molecular 98,04 ♦ punto de fusión 42,35 °C



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♦ temperatura de enfriamiento 42,4 °C ♦ densidad 1,864 (a 25 °C) ♦ presión de vapor 0,0285 mm (a 20 °C) El ácido fosfórico a consumir, debe ser de grado alimenticio, con las siguientes características , según el código de química alimentaria (FCC) de los EE.UU. 30: ♦ Requiere signo de identificación en la planta de consumo ♦ requiere prueba de identificación de nitratos (NO3), ácido fosforoso o a. hipofosforoso, de

sulfatos (SO4) y de álcali fosfatos ♦ Contenido de Arsénico máximo 3 ppm ♦ Contenido de Metales pesados máximo 10 ppm ♦ Contenido de plomo máximo 3 ppm ♦ Presencia de Fluoruros máximo 10 ppm ♦ Pureza del reactivo 85 a 88 % ♦ densidad comercial 1,69 kg/L ♦ Clasificación en escala de riesgos: - riesgo en salud : 02 moderado - riesgo por inflamabilidad : 00 ninguna - reactividad : 02 moderada - riesgo por contacto : 03 severo ♦ Almacenamiento: guardar en lugar a prueba de corrosión ♦ Toxicidad:

• dosis de toxicidad (baja concentración) 100 mg/m³ (causa efectos de irritación) • Usado como un aditivo de alimentos, es un común contaminante del aire • Efectos de desastre: peligroso cuando calienta, se descompone, emitiendo gases tóxicos

fumantes de tipo POx.

3.3 METODOLOGÍA

El estudio de producción de carbón activado se llevó a cabo en las instalaciones de la empresa Agroforestal Industrias, ubicada en el distrito de San Juan de Lurigancho. Las instalaciones corresponden a una planta de nivel artesanal, para la producción de carbón activado. Este tipo de planta, la única en el Perú, procesa regularmente semillas de aceituna y durazno para la producción de carbón activado de tipo granular. (ver anexo 1). El Período de trabajo correspondiente a la producción del carbón activado se inicia el martes 14 de diciembre y concluyó el 21 de diciembre del 2004. El lugar de trabajo es un terreno a campo abierto donde se encuentran los equipos necesarios del proceso. Por las condiciones climáticas del lugar, es habitual trabajar a campo abierto, sobretodo por la facilidad para la liberación de los gases que se emanan durante la activación química. No es común recuperar los gases, aunque se puede plantear un método de recuperación. Cabe agregar que este tipo de actividad, proceso químico, genera un impacto ambiental que aumenta



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con el volumen de producción. Se estima que por cada 100 kg de aserrín a procesar, se emiten 50 kg de gases condensables y 30 kg de gases, no condensables, a la atmósfera.

3.3.1 Etapas de Producción

La producción de carbón activado se inició con el control de la materia prima, luego se efectuó la mezcla con el ácido fosfórico, continuando con la activación. Concluído el proceso, se procedió con la descarga y enfriamiento del producto, pasando luego a la etapa de molienda con molino de cuchilla y embolsado. Un esquema del diagrama de flujo seguido en el presente estudio es mostrado a continuación.

3.3.1.1 Control de Materia prima

El aserrín fue recibido en sacos de poliester, con pesos variables entre 20 a 30 kg (ver figura 3.1). Se hizo un estimado del número de bolsas necesarias para completar una carga (batch) en el

Materia prima

Tina de mezcla

HORNO DE ACTIVACIÓN

Molienda

CARBÓN ACTIVADO

Control de humedad, granulometría

Enfriamiento

rechazo

aceptado

Envasado

CONTROL DE CALIDAD DE CARBÓN:



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horno de activación, con capacidad media de 140 kg ± 20 % (± 28 kg). El número de sacos por especie utilizada por cada batch se muestra en el cuadro N° 3.2.

FIGURA 3.1: Bolsas de Aserrín, Recibidas para el Estudio de Carbón Activado

La masa, de las bolsas recibidas, fue determinada con una balanza mecánica, de 100 kg de capacidad y 1 kg de precisión (ver anexo 02). En la figura 3.2 se observa la balanza utilizada para pesar las bolsas y las muestras recibidas y el momento de la pesada de la mezcla de aserrín de las tres especies.

CUADRO N° 3.2: Número de Sacos y Carga por Batch, p ara la Activación de las Especies Estudiadas y su Mezcla

ESPECIE N° Batch Número de

sacos utilizados

# CARGA POR BATCH (kg)

QUINILLA

Q-1 5 156

Q-2 5 158

Q-3 5 161

SHIHUAHUACO

S-1 6 167

S-2 6 171

S-3 6 167

CAPIRONA

C-1 6 131

C-2 6 132

C-3 6 131

VARIOS (mezcla)

M-1 6 186

M-2 6 185

M-3 5 157

TOTAL 68 1902



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Determinación de humedad La humedad fue determinada a través de la toma de muestras de aproximadamente 01 kg, colocadas dentro de bolsas de polietileno, con cierre hermético. Las bolsas fueron llevadas al laboratorio en donde se tomaron 03 muestras de aserrín 05 g por especie y colocadas dentro de crisoles de vidrio, con tapa. Los crisoles con aserrín fueron colocadas en estufa a 105 °C, hasta peso constante (aproximadamente 48 horas).

FIGURA 3.2: Pesada de Muestras de Aserrín

3.3.1.2 Mezclado con Reactivo

La cantidad correspondiente a cada batch, fue llevada a la tina de mezcla donde se agregó, en el siguiente orden, el aserrín y luego el ácido fosfórico. La cantidad de ácido fosfórico utilizada para cada batch es presentada en el cuadro N° 3.3. El carguío del aserrín y la muestra se hizo en forma manual. El ácido fosfórico utilizado fue de grado comercial alimenticio, de procedencia china, envasado en recipiente de plástico; en la figura 3.3 se muestran el recipiente conteniendo ácido fosfórico. La mezcla fue homogenizada con ayuda de una baqueta de madera. En la figura 3.4 se observa la



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tina de mezcla.

CUADRO N° 3.3: Cantidad de Ácido Fosfórico empleada para cada Batch, en el Estudio de Proceso de Activación de 3 Especies

Forestales

ESPECIE N° Batch H3PO4, al 85 % (kg)

QUINILLA Q-1 7.8

Q-2 7.9

Q-3 8.1

SHIHUAHUACO S-1 8.4

S-2 8.6

S-3 8.4

CAPIRONA C-1 6.6

C-2 6.6

C-3 6.6

VARIOS (mezcla) M-1 9.3

M-2 9.3

M-3 7.9

FIGURA 3.3: Recipiente con Ácido Fosfórico



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(A)

(B) FIGURA 3.4: Tina de Mezcla: (A) Vista interior de la Tina, descargada, luego de la Mezcla. (B)

Vista completa de la Tina. Las dimensiones del tanque de mezcla son 2,5 x 0,8 m de sección y 1,0 m de altura, con una capacidad efectiva de 1,5 m3. Durante la mezcla, en el presente estudio, sólo se utilizó el 10 % de la capacidad del tanque (aproximadamente 150 litros).

Durante la mezcla del aserrín con el reactivo, hubo una mejor disposición en la operación en aquellas muestras de mayor contenido de humedad (quinilla y capirona). El tiempo de mezcla fue de aproximadamente 25-30 min por especie.

3.3.1.3 Activación

La activación se llevó a cabo dentro de un horno de metal, con capacidad media de 140 kg (1 batch). El horno de activación presenta las siguientes dimensiones:

• Diámetro 0,70 m • Longitud 1,10 m

El horno, construido en fierro galvanizado, tiene una vida útil de un mes, trabajando 30 días contínuos; su costo aproximado es de $ 250 US. El horno presenta una abertura en la parte anterior, de 23 cm (1/3 del diámetro) por donde se efectúa la carga del aserrín premezclado con



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el reactivo; esta abertura cuenta con una tapa que permite regular la entrada de aire durante la activación. En la figura 3.5 se observa el horno por el lado anterior. El horno esta montado sobre una base de ladrillos corriente, con un hogar de leña. En el presente estudio, la base fue armada, sin mezcla de unión, lo que facilita el montaje-desmontaje de la base. El carguío de aserrín se hizo en forma manual, por la parte anterior, con una abertura equivalente a un tercio del diámetro del horno. Aproximadamente se utilizó medio millar de ladrillos de 21 x 9 x 12 cm; bajo este sistema hay necesidad de cambiar al menos 20 ladrillos luego de cada quemada.

FIGURA 3.4: Horno de Activación, vista anterior



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FIGURA 3.6: Horno de Activación, vista del hogar de leña En la figura 3.6, se observa el horno por el lado del hogar, por donde se alimenta con leña durante la activación. Se emplea aproximadamente, para cada batch, 50-60 kg de leña seca (20 % humedad) de eucalipto; ver figura 3.7.

FIGURA 3.7: Tipo de leña, de eucalipto, utilizada para la activación.

En la figura 3.8 se observa el momento de carga del aserrín preparado, listo para la activación.

FIGURA 3.8: Carguío de Aserrín preparado, al Horno de Activación

Las condiciones de la activación fueron las siguientes:

• Tiempo de carga: 5 min • Tiempo de calentamiento del sistema: 1 hora (para el primer batch) • Tiempo de activación: 4-5 horas (según la humedad del aserrín) • Temperatura estimada: 900 °C



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• Carga por batch: 120-170 kg • Tiempo de descarga: 15 min • Rotación del horno (manual): 1 revolución cada 10 min

Se observa en la parte posterior del horno, un eje acoplado a un marco metálico, en cruz que permite el giro del horno, efectuado de forma manual; figuras 3.9 y 3.10 .

FIGURA 3.9: Horno de Activación, parte posterior

FIGURA 3.10: Horno de Activación, rotación manual

Por el lado interior del eje de la parte posterior, hueco, se evacúan los gases que se forman durante la activación. La temperatura del horno fue estimada, por experiencia, tomando en cuenta el color del producto, durante la activación (figura 3.11). Cabe agregar que durante el proceso, eventualmente se deja abierta la tapa de la parte anterior, lo que facilita una autoignición y elevación de la temperatura del horno. Sin embargo, lo descrito corresponde a una descripción empírica que requiere ser verificada con el empleo de termocupla o termómetro de luz infrarroja. Cabe mencionar que la autoignición es un sistema recomendado porque facilita la activación, reduce los tiempos de proceso y reduce la demanda de combustible, aunque se reduce los rendimientos del producto al final del proceso. Sin embargo, el uso de leña y su bajo costo no se



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vería afectada por la autoignición.

FIGURA 3.11: Vista interna del Horno, durante la Activación.

Los procesos por batch, para cada especie, fueron llevados a cabo de manera continua, a fin de aprovechar la temperatura del sistema. Al final del proceso, las producciones de los 3 batch por especie fueron reunidas en un solo recipiente.

3.3.1.4 Descarga y Enfriamiento

La descarga del horno, al final del proceso, se hace de manera inmediata, extrayendo el producto, en forma manual, y colocándolo dentro de un cilindro metálico, con tapa; ver figura 3.12. El tiempo de enfriamiento es de 24 horas mínimo. Una vista del cilindro de enfriamiento, con el producto, es mostrada en la figura 3.13.

FIGURA 3.12: Descarga del Carbón y colocación dentro del cilindro de enfriamiento



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FIGURA 3.13: Cilindro de Enfriamiento (vista sin tapa).

3.3.1.5 Molienda

Luego de enfriado el producto, se procedió a la molienda, empleando un molino de cuchillas, disponible en la planta donde se realizó el estudio. Cabe mencionar, que este sistema de molienda no es recomendable para obtener carbón activado en polvo, siendo el sistema con molino de bolas el que debió ser utilizado. Una vista general del equipo es mostrado en la figura 3.14.

FIGURA 3.14: Equipo de molienda, sistema de cuchillas

El sistema cuenta con una caja de entrada que dirige el carbón hacia el molino que consta de un disco con 4 cuchillas. Al ingresar el carbón a moler, las cuchillas trituran el producto y lo impulsan a la salida, haciendo pasar el producto molido através de un filtro con tamiz # 10. El



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producto que sale pasa a un sistema de ciclones que recepcionan las partículas gruesas y medias, que caen por gravedad y se separan de la corriente de aire que arrastra a las partículas finas y muy finas; estas últimas partículas, se estiman corresponden a aquellas que pasan los tamices 200 y 325 mesh respectivamente. No se controló la granulometría del producto final, aunque se estima que esta corresponde a la de los tamices recomendados. La zona de alimentación del molino es mostrada en la figura 3.15.

FIGURA 3.15: Molino de Cuchillas, zona de alimentación.

3.3.1.6 Control de producto

Concluída la molienda, el producto molido, de los tres batch por especie, fueron recepcionados en una bolsa grande, de poliester, de donde luego se tomaron las muestras respectivas para el control de calidad del producto. Una vista de la bolsa con el producto molido, y listo para pesar, es mostrada en la figura 3.16



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FIGURA 3.16: Bolsa con Producto molido, y determinación de peso.

Las bolsas conteniendo todo el carbón activado, por especie, fue luego dejado en un ambiente para su acondicionamiento y posterior toma de muestra para el laboratorio; figura 3.17.

FIGURA 3.17: Bolsas conteniendo el Carbón activado, molido, por especie.

3.3.1.7 Envasado

El producto fue envasado en bolsas de polietileno, envuelta dentro de sacos de papel kraft de 90 g, de doble pliego. El contenido de cada bolsa es de aproximadamente 25 kg; figura 3.18.



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FIGURA 3.18 : Envasado del Carbón Activado Obtenido, dentro de sacos de papel kraft.



28

3.4 NORMAS APLICABLES DEL CARBÓN ACTIVADO

Las evaluaciones aplicadas para el control del producto fueron las siguientes, según normas técnicas:

• Control de humedad de Material Prima: por estufa, a 105 °C, hasta masa constante

• Determinación de humedad de carbón activado, norma mexicana NMX-F-279-1976

• Densidad aparente de carbón activado, norma mexicana NMX-F-282-1970

• Determinación de pH de carbón activado, norma mexicana NMX-F-283-1981

• Determinación de Cenizas de carbón activado, norma mexicana NMX-F-284-1981

• Número de Yodo de carbón activado, norma mexicana NMX-F-296-1977

• Determinación de calidad de carbón activado, por comparación según norma mexicana

NMX-F-295.1981

• Comparación de carbón activado, por Requisitos Generales, con norma nacional NTP

207.024 1982

• Determinación de material volátil, cenizas y carbono fijo, según norma ASTM D-1762



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4. RESULTADOS DEL PROCESO

De acuerdo a lo programado en la metodología, se obtuvieron los siguientes resultados, referentes a la producción de carbón activado, a partir del aserrín de 03 especies forestales de maderas duras, y su mezcla. Los resultados son presentados en los cuadros 4.1 y 4.2

4.1 PRODUCCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO

Se obtuvieron los resultados referentes al rendimiento de conversión de aserrín a carbón activado, de las especies estudiadas y su mezcla. Los valores respectivos son presentados en el cuadro N° 4.1.

CUADRO N° 4.1: Resultados correspondiente al Rendim iento de Conversión de Carbón Activado a partir del Aserrín de 3 Especies, y su m ezcla, aplicando el método de

Activación con Ácido Fosfórico

ESPECIE MADERA CARBÓN ACTIVADO Rendimiento de Carbón Activado humedad Carga

húmeda Carga seca

humedad Producto húmedo

Producto seco

% kg Kg % Kg kg %

QUINILLA 45.6 475 259 1.6 47 46.2 17.9

SHIHUAHUACO 26.2 505 373 3.3 60 58.0 15.6

CAPIRONA 50.3 394 196 2.7 54 52.5 26.8

Varios 47.7 528 276 2.7 53 51.6 18.7

4.2 DETERMINACIÓN DE LA CALIDAD DEL CARBÓN OBTENIDO

La calidad del carbón se determinó a partir de las muestras obtenidas luego del tamizado, de las especies estudiadas; los resultados son mostrados en el cuadro N° 4.2

CUADRO N° 4.2: Resultados de la Evaluación del Car bón en polvo, activado con ácido fosfórico, de las 3 Especies Estudiadas y su mezcla

ESPECIE

ANÁLISIS DE CARBÓN ACTIVADO

Humedad Cenizas Material volátil

Carbono Fijo PH

Índice Yodo

Densidad Aparente

% % % % g/cm 3

QUINILLA 1.6 12.1 9.7 78.2 3.15 29.68 0.6311

SHIHUAHUACO 3.3 32.3 8.2 59.5 9.32 70.05 0.7175

CAPIRONA 2.7 17.1 8.4 74.5 6.17 20.24 0.6838

Varios 2.7 21.9 7.1 71.0 9.24 71.40 0.6796



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Al observar los valores obtenidos, se determina que las principales características del carbón activado no son apropiadas: los porcentajes de carbono fijo son menores a 80 % y el índice de yodo esta muy por debajo del mínimo requerido. Aparentemente los resultados estan influenciados por la composición química de la madera.

4.3 ANÁLISIS COMPARATIVO CON RESULTADOS DE ESTUDIOS CON TRABAJOS SIMILARES

CUADRO N° 4.3: Resultados de Características de Car bón Activado y de Otros

Estudios similares Humedad Cenizas Material

volatil Carbono

Fijo PH Índice

Yodo Densidad aparente

R % AUTOR

Quinilla 1.6% 12.1% 9.7% 78.2% 3.15 29.7 0.63 17.9%

Presente estudio

shihuahuaco 3.3% 32.3% 8.2% 59.5% 9.32 70.0 0.72 15.6%

Capirona 2.7% 17.1% 8.4% 74.5% 6.17 20.2 0.68 26.8%

Mezcla 2.7% 21.9% 7.1% 71.0% 9.24 71.4 0.68 18.7%

RECOMENDACIONES

Alta calidad 1 2 3 95 Gonzáles, Teruya

Baja calidad 5 5 5 85 Gonzáles, Teruya

Tipo I : polvo Max. 12 Max. 12 5.5-7.5 min 60 0.35-0.45

NTP 207.024

Tornillo 7.9 1.9 5.1 1218 Teruya

Carbón activado >300 ASTM D

4607-86

Caoba, Honduras 470

Medina, Villegas- ASADES

2002

Cáscara coco, Cuba 1.3 1.2 9.5 89.3 4.06 900 0.57

Villegas, Medina-ASADES

2002

De acuerdo a lo observado en el cuadro 4.3, los carbones del presente estudio estan en desventaja en lo que se refiere a cantidad de cenizas y de material volátil, y por consiguiente en carbono fijo; sin embargo los valores de humedad estan por debajo del valor máximo recomendado. Los valores de pH y densidad aparente son variados. Referente a las normas técnicas nacionales y mexicana, se menciona que:

- los valores de humedad son aceptados - los valores de densidad son superiores a lo requerido - los valores de pH, son variados y están comprendidos en el rango de los valores

recomendados - los valor de índice de Yodo son muy bajos, aunque en el caso del shihuahuaco

superan el valor mínimo requerido.



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Durante el proceso, cabe mencionar que en el caso de capirona, se formaron gases con una característica irritante que dificultaba las labores durante el proceso. Aparentemente, el tipo de extractivo y/u otro componente, asociado al ácido fosfórico, favorecieron la formación de estos gases. Por tal motivo, el uso de la capirona no es recomendada para la obtención de carbón activado, para el tipo de proceso propuesto, activación química con ácido fosfórico.



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5. DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES REQUERIDAS: PRODUCTO QUE SE ELABORA Por los resultados obtenidos, previo estudio de optimización de variables, se puede desarrollar un programa de producción de carbón activado, en polvo, activación química, a partir de dos especies estudiadas:

• Quinilla colorada • Shihuahuaco

BASE DE PRODUCCIÓN MENSUAL: 10 toneladas métricas de carbón activado.

El producto final es un carbón activado, envasado en dos tamaños, tal como se presenta en a figura, de una marca comercial. Los tipos de producto final son, por especie: 1. Bolsas de papel kraft, con polietileno, 25 kg (55 lb) 2. Bolsas de papel kraft, con polietileno, 12,5 kg (27,5 lb)

FIGURA 5.1: Presentación de Carbón Activado, en sacos de 25 kg (Jacobi Carbons) En el programa de producción se recomienda clasificar, por especie, las partículas de aserrín y prepararlas para que la mezcla con el reactivo sea óptima. Posteriormente, el aserrín clasificado y acondicionado es llevado al tanque de mezcla para su combinación con el ácido fosfórico de donde es luego llevado al horno de activación. La descarga del carbón se hace sobre un cilindro de enfriamiento, por un período de 24 horas. La molienda se hace dentro de un molino de bolas que utiliza bolas de porcelana como elemento de activo en la operación. El material molido es llevado, opcional, sobre un tamiz de malla 325, de donde, previo acondicionamiento, es llevada a la sala de almacenaje. El diagrama de flujo es similar al de la planta donde se hizo el presente estudio, salvo algunas modificaciones. Un diagrama de flujo para una planta de producción de carbón activado en polvo, a partir del aserrín de una especie de madera dura, es presentado en la figura 5.2. Las cotizaciones de los equipos son presentadas en el anexo 03.



33

FIGURA 5.2: Diagrama de Flujo de Producción de una Planta de Carbón Activado, a partir del Aserrín de una Madera Dura.

La descripción de las etapas de producción así como los requerimientos en cada una de ellas es realizada en los siguientes ítems. La distribución de planta es presentada en el plano 01.

Materia prima: quinilla

Tina de mezcla

HORNO DE ACTIVACIÓN

Clasificación

CARBÓN ACTIVADO

Control de humedad, granulometría

Enfriamiento

Envasado

CONTROL DE CALIDAD DE CARBÓN

Ácido fosfórico al

85 %

Molino de bolas

acondicionamiento

rechazo

aceptado



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5.1 SALA DE RECEPCIÓN Y CONTROL DE MATERIA PRIMA

Ambiente donde se recibe la materia prima, control de pesada y toma de muestra para su control en el laboratorio. Equipos requeridos:

• Balanza, base plana, capacidad 1 tonelada � Costo aproximado $ 3000 US

• Detector de humedad (para grano) � Costo aproximado $ 250 US

Humedad óptima del aserrín VARIABLE POR DEFINIR

5.2 TINA DE MEZCLA

La tina de acero inoxidable es el equipo donde se hace la mezcla proporcional del aserrín con el ácido fosfórico. Se requiere una tina de mezcla. Descripción del Equipo:

• Tanque rectangular, para tina de mezcla, abierto sin tapa, de acero inoxidable, con refuerzos laterales, con dimensiones

� 1,05 m de altura � 2,45 m de largo � 0,70 m de ancho

• Capacidad útil de la tina 1,80 m3 • Tanque construido con plancha de acero inoxidable, calidad 304 y refuerzos de tubo

cuadrado de fierro de 4”

• Vida útil estimada: 10 años

• Costo del equipo estimado: 1200$ (según cotización 4100$ + IGV)

• Mezcla aserrín: ácido fosfórico Recomendado 100:5 (VARIABLE A ESTUDIAR)



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5.3 HORNO DE ACTIVACIÓN

Es el equipo principal de la planta, para la producción de carbón activado. Se requiere de dos hornos de activación, uno por especie. Ver figura 5.2

• Horno giratorio construido en acero inoxidable, con dimensiones: � 1,52 m de largo � 1,22 m de diámetro

• Con entrada para carga, tipo batch, diámetro interior 0,40 m. Extremo del cilindro con eje de salida, diámetro 0,20 m.

• Batch de 466 kg/6 horas. Capacidad productiva: 5 ton/mes x horno. • Horno construido en plancha de acero inoxidable, calidad 304, con transmisión, apoyos

y base soporte fabricada en acero al carbono. Vida útil: 02 años • En la configuración, el horno es de base recta, montada sobre soportes de apoyo

giratorios. • Movimiento giratorio, 1-3 rpm, con motor reductor de 5 HP y transmisión por piñón y

cremallera soldada a la superficie del tanque. • Costo del Equipo estimado: 7000$ (según cotización $ 9180 + IGV)

L = 1,52 m

HORNO DE

ACTIVACIÓN d2 = 0,20

D = 1,22 m d1 = 0,40 m

VISTA TRANSVERSAL: parte anterior

D: diámetro del horno de activación d1: diámetro interno, parte anterior del horno, zona de carga d2 : diámetro interno, parte posterior del horno, zona de transmisión

Hogar, con leña: Ancho = 0,42 m

Soporte de ladrillo (2): h = 0,5 m

Sección de soporte: 0,55 x 1,22 m

Eje de transmisión



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FIGURA 5.2: Esquema de Horno de Activación, para Carbón Activado en polvo.

5.4 CILINDRO DE DESCARGA

Es el cilindro receptor del carbón descargado del horno de activación. Tiene capacidad para soportar temperaturas altas, durante el enfriamiento, resistente a la corrosión, y buena capacidad de conducción térmica, para facilitar el enfriamiento. Se requiere de dos cilindros de descarga, para plena producción, uno por especie. El tiempo de enfriamiento es aproximadamente 24 horas, luego de la descarga. Características del cilindro de descarga:

• Cilindro para descarga y enfriamiento del carbón producido, con dimensiones � 0,80 m de diámetro � 1,20 m de largo

• Construido con acero inoxidable de calidad 304, con base recta y borde pestañado • Vida útil de cada cilindro: 10 años • Costo del equipo estimado: 500$ (según cotización $880 + IGV)

5.5 MOLIENDA

En esta etapa se procede a reducir el tamaño de partícula del carbón activado, ya enfriado, al tamaño ideal. El tamaño de partículas es, según la norma, fracción mínimo 95 % que pasa el tamiz N° 100 y mínimo 92 % que retenido por el tamiz N° 200; estas características corresponden a la norma nacional NTP 207.024. Descripción del Equipo:

• Dimensiones del molino de bolas:

� 0,76 m de diámetro � 1 m de largo

• Con alimentación tipo Batch, fabricado con plancha de acero 3/8”, con tapa empernada al tambor, montado sobre eje con chumacera de pie, diámetro 2 1/2”, con base de estructura de canal en “U” de ¼” x 2” x 5”, forrado interiormente con plancha de caucho de 8 mm de espesor.

• Presenta transmisión de piñones con cadena, de paso 1”, con reductor de velocidad y

motor de 7,5 HP, 1800 rpm. Velocidad de Rotación: 5-15 rpm.

• El equipo opera con bolas de porcelana, de aproximadamente 5-7 cm de diámetro; se requiere un equivalente de 150 kg de bolas de porcelana para mantener una producción diaria de molienda de 12 horas.

• Costo del equipo: $ 2500 + IGV



38

• Vida útil del equipo: 03 años

• Duración de bolas de porcelana: 180 días

En la figura 5.3 se muestra una imagen de un equipo de molienda y a la derecha el esquema de operación del equipo. El equipo gira a la velocidad indicada: la molienda ocurre por el choque continuo entre las bolas de porcelana y el carbón sometido a molienda.

FIGURA 5.3: (Izq.)Imagen de un Equipo de Molienda, empleado en la industria minera, y (Der.)

Esquema de Operación de la Molienda con las bolas de porcelana.

5.6 ZARANDA (EQUIPO OPCIONAL)

La zaranda es un equipo opcional, utilizado mayormente en la producción de carbón granular. Este equipo se utilizará para regular la eficiencia de la molienda y clasificar la producción del carbón activado. Esta regulación comprende control del tamaño de partícula y regular la densidad aparente del carbón. La zaranda para clasificar carbón activado comprende lo siguiente:

♦ Capacidad : 500 a 800 kg de carbón por hora ♦ Dimensiones:

� Longitud 1,2 m � Ancho 0,9 m � Número de zarandas 4, con marco de madera

o Aberturas de zarandas: 0.8 – 2.0 – 4.0 - 6.0 mm

♦ Potencia del motor eléctrico: 1,2 HP, 220 v, 60 Hz, trifásico ♦ El equipo es construido en estructura de acero al carbono LACV. Comprende una tolva de carga, con reducción de poleas.

♦ La operación comprende cinco productos o descargas de tamizado

♦ Costo de tamices: promedio 20 $US /m2



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♦ Costo reposición tamices: $ 100 cada 3 meses

♦ Requerimiento de tamiz: 1,2 m2 x 4 = 4,8 m2 ≈ 5,0 m2

♦ Vida útil del equipo: 02 años

♦ Tiempo de duración de tamices: 3 meses

♦ Costo del equipo: $ 850 + IGV

5.7 EMBOLSADO

El producto terminado se envasa en bolsas de polietileno, recubierta con bolsa de papel kraft, doble capa, de 90 g/m2 .

• Costo aproximado por bolsa de polietileno y de papel kraft, por 25 kg: $ 1.2 US El embolsado se realizará en forma manual, por lo que se requiere de adquirir:

• Una selladora de plástico, con brazo de 70 cm de largo. • Costo aproximado de la selladora: 600 $US

Se requiere embolsar 16 bolsas por día. El producto es colocado en cada bolsa de plástico, con control directo de pesada; luego se sella y se introduce la bolsa de plástico, conteniendo el producto, dentro de la bolsa de papel; el sellado de esta última es por engomado. La bolsa debe venir con el borde pre-engomado.

5.6 LABORATORIO DE CONTROL

Dada la importancia de realizar un control de calidad de producto, se recomienda fuertemente establecer una unidad mínima de investigación, para realizar las pruebas de control recomendadas.

Equipos básicos requeridos

• Balanza analítica, de 0,1 mg de precisión ♦ Costo aproximado $ 2000 US ♦ Vida útil 10 años ♦ Requiere calibración anual

• Estufa eléctrica, para secado a 105º C, capacidad 0,4 m3, corriente 220 60 Hz, con línea de tierra

♦ Costo aproximado $3000 US ♦ Vida útil 7 años ♦ Requiere calibración anual



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• Fotocolorímetro, con luz visible, rango 400 a 700 nm de longitud de onda, con celdas de cuarzo. Requiere estabilizador de voltaje.

♦ Costo aproximado $4000 US ♦ Vida útil 10 años ♦ Requiere calibración anual

Material de vidrio

• Matraces de 100, 250, 500 y 1000 mL • Probetas graduadas de 10, 25, 50 y 100 mL • Pipetas volumétricas de 10, 25 y 50 mL • Pipetas graduadas de 10, 25 y 50 mL • Buretas graduadas de 25 y 50 mL • Vasos pyrex de 100, 250, 500 y 1000 mL • Crisoles de vidrio, con tapa, de 50 mL • Cápsulas de porcelana, de 50 y 100 mL

♦ Costo aproximado en material de vidrio $ 1500 US



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6. CONTROL DE CALIDAD

Para el control de calidad del carbón activado con ácido fosfórico, en polvo, se recomienda se apliquen las siguientes normas técnicas. La transcripción completa se presenta en el anexo 04. Clave de Norma TÍTULO DE LA NORMA

NTP 207.024:1982

Carbón activado usado en la industria azucarera y otros productos edulcorantes. Requisitos Generales. Establece las especificaciones que deben cumplir los carbones activados de cualquier origen empleados en la refinación de azúcar y otros productos edulcorantes.

NTP 311.331:1998. Carbón Activado para Tratamiento de Agua para Consumo humano. Establece el carbón activado para uso como adsorbente en el tratamiento de agua para consumo humano

NMX-F-279-1976 Determinación De Humedad En Muestras De Carbones Activados Empleados En La Refinación De Azúcar

NMX-F-282-1970 Determinación De La Densidad Aparente En Muestras De Carbones Activados Empleados En La Refinación De Azúcar

NMX-F-283-1981 Alimentos Para Humanos - Azúcar - Muestras De Carbones Activados Empleados En La Refinación De Azúcar - Determinación Del Potencial De Hidrogeno (pH)

NMX-F-284-1981 Alimentos Para Humanos - Azúcar - Muestras De Carbones Activados Empleados En La Refinación De Azúcar - Determinación Del Contenido Total De Cenizas

NMX-F-287-1982 Alimentos Para Humanos - Azúcar - Muestras De Carbones Activados Empleados En La Refinación De Azúcar - Determinación De La Granulometría

NMX-F-291-1977 Determinación De La Forma De Muestreo De Carbones Activados Empleados En La Refinación De Azúcar

NMX-F-295-1981 Alimentos Para Humanos - Azúcar - Determinación De La Calidad De Carbones Activados Empleados En La Refinación De Azúcar

NMX-F-296-1977 Determinación Del Numero De Yodo En Muestras De Carbones Activados Empleados En La Refinación De Azúcar

NMX-F-298-1977 Determinación Del Numero De Abrasión En Muestras De Carbones Activados Empleados En La Refinación De Azúcar

NMX-F-299-1980 Carbones Activados Empleados En La Refinación Del Azúcar - Muestras – Determinación Del Índice De Decoloración De Soluciones De Azúcar Crudo

NMX-F-301-1977 Determinación De La Adsorción De Azul De Metileno Por Muestras De Carbones Activados Empleados En La Refinación De Azúcar

ASTM D-1762 Determinación de Carbono Fijo del Carbón vegetal



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7. RECOMENDACIONES DE EMBALAJE Y PRESENTACIÓN DEL PRODUCTO PARA SU VENTA FINAL

El carbón activado tiene una presentación como polvo negro, de masa amorfa, de peso molecular 12,01, punto de fusión 3500 °C, densidad relativa 3,51.

PRECAUCIONES

• El carbón activado proveniente de materia orgánica es frecuentemente asociado con

factores de irritación y posibles impurezas tóxicas.

• Se debe evitar humedecer y subsecuentemente secar en almacenamiento. Se debe almacenar con ventilación. Los riesgos de explosión se pueden presentar cuando el polvo de carbón activado es expuesto a la flama. El tratamiento del fuego es con agua. 31 .

VENTA

El producto final, carbón activado en polvo, de quinilla y shihuahuaco, es presentado en forma de bolsas de 12,5 y 25 kg, con bolsa interior de polietileno de alta densidad, y bolsas de papel kraft, de tres pliegos de papel 90 g/m2, con impresión externa.



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8. COSTOS DE FABRICACIÓN. RENDIMIENTOS

El análisis de costos de producción se ha realizado con el fin de determinar los gastos mínimos requeridos para la obtención del carbón. Los gastos estan referidos a costo de producción por kg, y los agregados estan referidos a la misma base. El sistema de costeo elegido fue el costeo por pedido, tambien denominado costeo por lotes o costeo por orden. Se aplica cuando el trabajo puede ser materialmente separado, por etapas, durante el proceso, lo que implica que puede identificarse físicamente dentro de la planta de producción y su evolución puede ser observada hasta su culminación. Esta característica permite asignar los gastos directos que se requieren sin ninguna duda.

8.1 INFORMACIÓN BASE

Se estableció como información base para estimar costos, los presentados en el cuadro N° 8.1.

CUADRO N° 8.1: Datos base para estimar costos de pr oducción en una plant a de carbón activado en polvo, de dos especies fore stales

BASE PRODUCCIÓN Unidad 10 ton Carbón activado Especies quinilla shihuahuaco carga/batch Kg 463 447

carga/turno Kg 926 894

carga/día Kg 1852 1788

Aserrín/mes 46300 44700

humedad 40% 30%

Masa seca Kg 1111.2 1251.6

Rendimiento % 18% 16%

Producción Carbón/día Kg 200 200

Carbón/mes Kg 5000 5006

8.2 GASTOS DIRECTOS

Comprende los gastos implicados directamente en la producción; están incluidos en este punto:

8.2.1 Gastos de materia prima

Corresponde a los gastos que se incurren por colección, manipulación y selección de la materia prima : el aserrín de quinilla colorada y el de shihuahuaco. Se estima un costo aproximado de 5 dólares por tonelada de aserrín colectado y clasificado, por especie.

8.2.2 Gastos de Reactivo

Es la cantidad de ácido fosfórico utilizado en cada batch, y relacionado a cada kg de carbón



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producido. Se estima este precio en 0,5 $US por kg de ácido fosfórico al 85 % de pureza, grado alimenticio. Los precios comerciales de este producto pueden variar en el mercado de Lima entre 0,7 a 1,0 $/kg ; el costo por importación directa se puede reducir a 0,4 $US/kg.

8.2.3 Depreciación de Equipos

Los equipos a adquirir para el sistema productivo son sometidos a desgaste directo por producción. Según la información obtenida, se ha hecho estimación de la vida útil y costo de depreciación por cada mes de producción. El método de depreciación aplicado es el de depreciación lineal. Los gastos de depreciación, estimados, por cada equipo y total de depreciación, son asignados a cada kg de carbón activado producido. Los costos por equipo, la vida útil y los valores de depreciación por kg de carbón producido son presentados en el cuadro N° 8.2

8.2.4 Insumos de molienda : bolas de porcelana

El proceso requiere en la molienda, el empleo de bolas de porcelana. Su costo es de 3$US y se requiere para esta operación al menos 150 kg, con un período de duración de 06 meses, para un tiempo diaria de operación de 12 horas.

8.2.5 Insumos de molienda : tamices de zaranda vibr atoria

Este equipo requiere del uso de tamices de acero inoxidable, con aberturas 200 y 325. Se requiere al menos 5 m2 de tamices, cambiables cada 3 meses con un costo de reposición de 100 $US.

CUADRO N° 8.2: Costos por Equipo, Vida útil y Valo res de depreciación por kg de Carbón Activado Producido

Equipos Costo +IGV Vida útil

(meses)

Costo Depreciación /

mes

Depreciación / kg carbón activado

Tina mezcla 1200 144 8.33 0.0017

Horno activación

7000 24 291.67 0.0583

Descarga (2) 1000 60 16.67 0.0033

Molienda 2975 36 82.64 0.0165

zaranda 1012 24 42.15 0.0084

TOTAL 13187 441.45 0.0883



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8.2.6 Gastos por Electricidad de Equipos

Hay equipos que requieren el uso de electricidad, tipo trifásica, 60 Hz. Los valores de estimación de consumo de potencia y energía, por equipo, asi como los costos asociados a cada kg de carbón producido son presentados en el cuadro N° 8.3. El costo de la energía, nivel industrial, es de 5 centavos $ por kW-h, más 35 % por gastos relacionados.

CUADRO N° 8.3: Estimación de Consumo de Energía por cada Equipo que interviene en la Producción y Costo por kg de C arbón Producido

HP KW Horas por dia

kW-h/día kW-h/kg $/kg

Tina mezcla 0 0 8 0.00 0.000 0.000

Horno activación 5 3.925 24 54.39 0.272 0.0184

Descarga (2) 0 0 24 0.00 0.000 0.0000

Molino de bolas 7.5 5.8875 12 40.79 0.204 0.0138

Zaranda vibratoria 1.2 0.942 8 4.35 0.022 0.0015

TOTAL 100 0.0336

8.2.7 Bolsas

Para el embolsado del producto, se requier de bolsas : una de polietileno, alta densidad, otra de papel multipliego de 90 g/m2. El costo estimado de cada bolsa, es de 1,2v $US. Se esta asumiendo el costo de embolsado, por lo que el producto debe tener facilidad para sellado. Esta operación se realiza en forma manual.

8.2.8 Insumos de Producción

Estos costos se refieren a los efectuados por materiales de seguridad : máscaras antipolvo y máscaras antigas, lentes de protección, guantes de cuero, etc. Se hace un estimado de este gasto en 200$US por mes.

8.3 MANO DE OBRA

Se incluye en este caso al costo de operarios que intervienen directamente en la producción (mano de obra directa) y la mano de obra indirecta (jefe de planta, personal administrativo y empleados de oficina).

8.3.1 Mano de Obra Directa

Se refiere al de los operarios que intervienen directamente en la producción. Se requiere al menos 08 operarios, con un sueldo estimado de 250 $US por mes, gastos sociales incluidos.



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8.3.2 Mano de Obra indirecta

Incluye el costo del jefe de planta-gerente, personal administrativo y para otras actividades (recepción, de control, etc.) Un resumen de estos gastos es presentado en el cuadro N° 8.4

CUADRO N° 8.4: Gastos por Personal en la Planta de Carbón Activado

$/mes # personas total

Operarios 250 6 1500

Empleo directo 1500

Encargado de ventas 500 1 500

jefe planta 800 1 800

Empleados 300 2 600

Empleo indirecto 1900

TOTAL 3400

8.3 GASTOS INDIRECTOS

Se incluye en este caso los gastos por:

• Electricidad en general, consumo de 400 kW-hora por mes, costo similar al costo industrial.

• Costo por seguro, 2% anual, equivalente al costo total de la inversión en equipos

• Gastos por agua, para servicios higiénicos y laboratorio, estimado en 75 $US por mes

• Gastos de laboratorios, estimado como la depreciación de (10500 + 1500) $US, sobre

la base de la producción mensual. El costo total de equipos es 10500 $US y se incluye 1500 $US por reposición de material de vidrio (250 $US por año).

8.4 COSTO DE PRODUCCIÓN

El estudio de costos de producción se hizo para las dos especies consideradas: quinilla y shihuahuaco. En ambos casos, se estimó el costo por rubro en los Costos directos, mano de obra y costos indirectos, de acuerdo a la metodología propuesta. En el cuadro N° 8.5 son presentados los valores correspondientes a cada rubro dentro del aspecto productivo. Se observa en el cuadro, que la diferencia entre las especies se da principalmente por los diferentes resultados en cuanto a rendimiento de proceso y humedad de la materia; en todos los demás rubros, los costos por rubro son similares. Los valores obtenidos, de costo de producción, están por debajo de 1,00 dólar US por kg de carbón producido. Cabe mencionar que a este costo faltaría recargarle los costos por marketing, por operaciones administrativas y e impuesto de ley.



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CUADRO N° 8.5: Resumen Costos de Producción de Carb ón Activado, en polvo, a partir de la Madera de Dos Especies Forestales

RUBRO DE COSTO Unidad Quinilla colorada Shihuahuaco

COSTOS DIRECTOS

Costo aserrín $/kg carbón 0.046 0.045

Costo reactivo $/kg carbón 0.257 0.218

Depreciación de equipos $/kg carbón 0.088 0.088

Bolas porcelana $/kg carbón 0.012 0.012

Costo tamices $/kg carbón 0.006 0.006

Electricidad Equipos $/kg carbón 0.034 0.034

Bolsa $/kg carbón 0.048 0.048

Insumos producción $/kg carbón 0.020 0.020

COSTOS MANO DE OBRA

Mano obra directa $/kg carbón 0.150 0.150

Mano obra indirecta $/kg carbón 0.190 0.190

COSTOS INDIRECTOS

Electr. General $/kg carbón 0.034 0.034

Seguro $/kg carbón 0.002 0.002

Laboratorio $/kg carbón 0.017 0.017

Agua $/kg carbón 0.008 0.008

TOTAL $/kg carbón 0.912 0.870



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9. VIABILIDAD DEL ESTUDIO

Para definir la viabilidad del estudio, se han tomado en cuenta dos criterios: el criterio técnico de calidad y el costo de producción.

9.1 CRITERIO TÉCNICO DE CALIDAD

En este punto, se estima que la viabilidad se daría siempre y cuando se optimicen las variables del proceso de producción del carbón activado. Se ha presentado, en el cuadro de resultados, que los valores de carbono fijo y adsorción de yodo son relativamente bajos, aunque no limitan el uso del producto. De igual modo, los valores de cenizas son elevados, aunque los valores de pH, por lo general se encuentran dentro de un rango aceptable. De igual modo, se ha visto la recomendación del operador de a planta que la madera capirona que no podía ser trabajada debido a los gases, aparentemente tóxicos, que se emanan durante la activación. Sin embargo, aparentemente una mala combustión con esta especie puede ser controlada en un nuevo estudio del proceso. Las especies que deben continuar dentro de un estudio de optimización de variables son la Quinilla colorada y el Shihuahuaco. Asimismo, la capirona debe ser incluida en un nuevo estudio de variables. Las variables que deben ser optimizadas para el proceso productivo son:

• Carga de ácido fosfórico a aplicar, se recomienda optimizar dentro del rango de 4 a 8 %, sobre la base materia seca.

• Humedad del aserrín: no se ha logrado precisar la ventaja o no de la humedad del

aserrín. Se debe optimizar este valor dentro del rango de máxima humedad (60%) a la humedad de acondicionamiento aceptable (20 %).

• Tiempo de activación dentro del horno. Esta variable, la más importante, debe ser

optimizada para las dos especies. Se recomienda optimizar esta variable dentro del rango de 1 a 4 horas de activación.

Otras variables a considerar son:

• Pretratamiento, para reducción de contenido de extractivos del aserrín • Tiempo de retención del ácido fosfórico, dentro de la tina de mezcla

• Temperatura de activación

9.2 CRITERIO DEL COSTO PRODUCTIVO

Para este punto, se toma en cuenta la diferencia de los costos de producción obtenidos versus los costos de producción o de venta de otros carbones. Con fines comparativos se adjunta el cuadro



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de precios CIF de los distintos tipos de carbón que se importan al Perú.

CUADRO 9.1: Precios CIF ($/kg) de Carbón Activado T ipo de Carbón y Forma de

Activación, por País y por Especie del presente est udio

FORMA DE ACTIVACIÓN Precio CIF ($/kg)

TIPO DE CARBÓN Maximo Mínimo Promedio

Físico

Polvo 3.67 1.23 2.07

Granular 11.76 2.45 7.21

Químico

Polvo 1.34 1.12 1.25

Granular 3.36 3.34 3.35

Precio CIF Carbón Activado, por País

Brasil 1.45

Chile 1.39

Colombia 14.10 *

China 1.34 *

EE.UU. 1.74

Filipinas 1.78

India 1.42 *

Indonesia 1.15

México 1.20

Sri Lanka 1.30

Tailandia 1.37 *

COSTOS DE PRODUCCIÓN ($US/kg)

Químico en Polvo

ESPECIE Quinilla colorada Shihuahuaco

COSTO DE PRODUCCIÓN 0.912 0.870

OTROS GASTOS

Flete estimado Pucallpa-Lima 0.06 0.06

Marketing (Costo/mes= 500$) 0.05 0.05

Construcción local (inversión =15000 $) 0.01 0.01

COSTO TOTAL 1.032 0.990

IGV 19 % 0.196 0.190

PRECIO DE VENTA ESTIMADO 1.228 1.18



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Sobre la base de los datos del cuadro anterior se observa que, con los costos estimados, hay un margen regular para el precio del carbón obtenido en el presente estudio, donde el costo de producción, entre 0.870 a 0.912, dista mucho de los precios observados para el precio CIF del carbón activado, químico en polvo, importado al Perú. De igual modo, los costos obtenidos están, en algunos casos, por debajo de los precio CIF del carbón importado. Sin embargo, se ha previsto que los recientes acontecimientos mundiales pueden influir en una variación, en alza del carbón activado, alentado por la demanda creciente del carbón activado por la industria minera, alimentaria y tratamiento de aguas, principalmente en el Perú. Al recargar a los costos de producción, otros gastos (marketing, flete, construcción, IGV) se observa en el cuadro que el precio de venta puede ser competitivo con los precios del carbón importado.



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10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Del presente estudio de proceso del carbón activado se concluye: 1) Con las tres especies estudiadas, Quinilla colorada, Shihuahuaco y Capirona, se logró obtener

Carbón activado, por activación química, con ácido fosfórico 85 %, y carga 5 % (bmh). Los rendimientos de conversión de aserrín a carbón fueron respectivamente 17,9 , 15,6 y 26.8 %; estos valores son aceptables y se encuentran dentro del rango medio de rendimiento de activación química, entre 15 a 20 %.

2) Durante la activación, la especie capirona mostró dificultad debido a los gases irritantes que

se liberaron durante el proceso.

a) RECOMENDACIÓN: Se debe realizar un estudio de la reactividad del ácido fosfórico con los componentes químicos de la madera de capirona, mejorando la penetración del reactivo en la madera.

3) Los resultados de análisis de composición demuestran que la calidad del carbón activado,

químico, en polvo, de quinilla y shihuahuaco es relativamente baja: poco porcentaje de carbono fijo y elevado porcentaje de cenizas y material volátil, en comparación con otros carbones activados. En el caso de cenizas, aparentemente no hay relación con su composición química, pues los porcentajes de cenizas en madera son bajos para quinilla y shihuahuaco.

4) La capacidad de adsorción del carbón de capirona, quinilla y shihuahuaco es baja,

demostrado por sus bajos valores de índice de yodo. Sin embargo, el carbón de shihuahuaco supero el valor mínimo requerido para carbones tipo I, según la norma técnica peruana.

a) RECOMENDACIÓN: Se recomienda efectuar un estudio de componentes químicos y su

reactividad con el ácido fosfórico, de modo que se pueda controlar las condiciones del proceso y obtener por consiguiente un carbón activado de mayor calidad.

b) RECOMENDACIÓN: Se recomienda efectuar un estudio de investigación en laboratorio,

a fin de optimizar las siguientes variables del proceso: tiempo de activación, humedad de la materia prima y carga de reactivo durante la mezcla.

5) Los costos de producción del carbón activado, activación química, en polvo, están por debajo de los valores de precio CIF de los carbones activados del mismo tipo, importados al Perú. Los costos de producción obtenidos permitirían aplicar costos adicionales, de comercialización y marketing, que permitirían obtener precios de venta competitivos con otros carbones activados importados.

a) RECOMENDACIÓN: Se recomienda profundizar el estudio económico, previendo

diversas situaciones de producción (mediante programación lineal) de modo que se puedan tener costos de producción apropiados que permitan aplicar costos adicionales por



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comercialización y marketing, además de un ingreso marginal para rentabilidad.

6) Los carbones activados, obtenido por activación química, de capirona, quinilla y shihuahuaco son productos nuevos

a) RECOMENDACIÓN: De lograr mejorar la calidad del carbón y la optimización de las

variables del proceso, se recomienda efectuar un trabajo de marketing y promoción de los productos, sobretodo para usos de carbón activado en fase líquida: industria de licores, industria azucarera, industria de gaseosas.

7) Se concluye que, de mejorar la calidad del carbón activado de capirona, quinilla y shihuahuaco, es posible llevar un estudio de factibilidad para la producción de carbón activado, activación química con ácido fosfórico. La evaluación de empresas ha demostrado que los equipos de producción pueden ser totalmente construídos en el mercado nacional.

a) RECOMENDACIÓN: Se recomienda solicitar cotizaciones para instalación de una planta

de producción (know how) con empresas contratistas del extranjero que desarrollan tecnología de producción de carbón activado (ver anexo 5).

8) La creciente demanda de carbón activado en el Perú y en el Mundo, augura un mercado

interesante para nuevos productos de carbón activado obtenidos a partir de nuevas materias primas.



54

11. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA

1) Gonzales, E.; Teruya, R. (2004). Estudio Preliminar de Carbón Activado. Asociación Trópicos. Informe de Consultoría. (informe reservado). 2) COLCIENCIAS (1994). Nuevas posibilidades para los carbones colombianos. El Carbón Activado. URL: http://www.colciencias.gov.co/agenda/pdfs/pn_60.pdf 3) Gonzáles, H. (2002). Transformación Química de Productos Forestales. Notas de curso, cap. VIII. Dpto. Industrias Forestales, Universidad Nac. Agraria, Lima. 4) Wainstein, R. (2004) (ídem) 5) Earl, D. (1975) Carbón Vegetal Activado. Informe FAO sobre el Carbón Vegetal. Roma. 94p. 6) Fornwalt (1963) (ídem) 7) Gonzales, E. (1987) La transformación Química Forestal en el Perú.- UNALM. Dpto. de Industrias Forestales. 8) COLCIENCIAS (2004) (ídem) 9) Clarimex (2004) (ídem) 10) Smisek (1970) (ídem) 11) Lutteral, (1940) (ídem) 12) Smisek (1970) (ídem) 13) Othmer y Kirk, (1961) (ídem) 14) Smisek (1970) (ídem) 15) CORREO (1972) Suplemento dominical; Diario Nacional; Lima – Perú 16) Gonzáles, H. (2002) (ídem) 17) Reinoso, H. (1998) (ídem) 18) Mattson, J. (1982) Activated Carbon; Surfase Chemistry and adsorption from solution; University of Michigan; ann arbor. 19) Smisek (1970) 20) Meggs (1968) 21) Calzada, (1981) 22) Fornwalt, Helbig y Scheffler (1963) Activated Carbons For Liquid – Phase Adsortion. British Chemical Engineering. Vol 8, Nº8 23) COLCIENCIAS (2004) 24) Smisek (1970) 25)Chavesta, M. (1996). Maderas para parquet. Universidad Agraria-CONCYTEC. Lima, 101 pp. 26) Chavesta (1996) Idem pag. 81-82 27) Chavesta (1996) Idem pag. 89-90 28) Chavesta (1996). Idem pag. 17-18 29) Sax, I. (1979). Dangerous Properties of Industrial Materials. Van Nostrand R., 5ta. Ed., N. York, p. 910. 30) Baker, J. (2001). Catálogo J.T. Baker 2000-2001. 31) Sax, I. (1979). pag. 343-344.



12. ANEXOS

ESTUDIO PRELIMINAR DE CARBÓN ACTIVADO

ANEXO 01: Descripción De La Empresa Agroforestal In dustrias, Productora De Carbón Activado En Lima (ficha actualizada al 20/12 /04)

ITEM DESCRIPCIÓN Nombre de Empresa AGROFORESTAL INDUSTRIAS

Razón Social como contribuyente Almacenes Camacho

RUC 10099392415

Dirección local principal AV. CANTO BELLO MZ D LT 2 CTO BELLO LIMA, SAN JUAN DE LURIGANCHO

Dirección local anexo A 31 A.H. JESUS OROPEZA CHONTA LIMA LIMA SAN JUAN DE LURIGANCHO

Inicio de actividades 01 septiembre 1998

Rubro principal Producción carbón activado

Propietario Sr. Felipe de la Cruz Camacho

Marcas • Panterfil

• Cargold

Forma venta Bolsas, de papel (ext.) con polietileno (int) de 25 kg

Nivel comercialización Al por mayor y menor

Tipo proceso Químico, con ácido fosfórico

Calidad � Granular

� Polvo

Materia prima o Para c. Granular: semilla aceituna o durazno (costo 100 soles / t)

o Para c. Polvo: madera, cáscara café

Capacidad producción instalada (activación química)

Instalada: 20 t / mes (240 t / año)

Rendimiento producción 20 %

Nivel producción Artesanal

Precios venta Según mercado: (sin IGV) de 1,5 a 2, $ / kg de carbón

Clientes compradores � Plantas tratamiento agua (Iquitos, P. Maldonado)

� Empresa petrolera Petroperú

� Por lo general empresas pequeñas que no tienen capacidad para importar por su producción

Observaciones - Por la activación física se obtiene carbón con mayores ganancias unitarias, aunque mayores costos operativos. (alimentación del agua calentada manualmente al sobrecalentador de vapor)

- Por la activación quimica la producción es masiva, pero de manera artesanal, aunque con menores ganancias.

ESTUDIO PRELIMINAR DE CARBÓN ACTIVADO

ANEXO 02: Datos De Control De Materia Prima (Aserrí n) Ingresada A La Planta Agroforestal Industrias

ASERRÍN: CARGA POR BATCH Y TOTAL

ESPECIE Masa por Número de saco (kg) CARGA

POR BATCH (kg)

TOTAL (kg) 1 2 3 4 5 6

QUINILLA 32 31 31 30 32 156

475 31 30 32 33 32 158 32 33 34 32 30 161

SHIHUAHUACO 25 28 28 29 31 26 167

505 27 26 31 28 29 30 171 29 27 25 29 29 28 167

CAPIRONA 21 22 20 23 24 21 131

394 23 22 21 23 22 21 132 23 21 21 23 21 22 131

VARIOS (mezcla) 33 34 32 29 28 30 186

528 30 32 29 30 31 33 185 28 33 32 31 33 157

Carbón Activado: Estudio proceso químico con 3 maderas

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