Información General del Carbón Activado en el Acuario Marino

Tema en 'Lecturas recomendadas' comenzado por dpavon, 9 Septiembre 2010.

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  1. dpavon

    dpavon Veterano de las profundidades

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    Por James R. Layton

    Introducción

    El uso de carbón activado en los acuarios marinos siempre ha suscitado debate. En el pasado, las opiniones iban desde "no lo utilice por ningún motivo" hasta "jamás deje de usarlo". En la actualidad, la mayoría de los acuaristas consideran al carbón activado un componente necesario y benéfico en su sistema de filtración. Y aunque muchos lo utilizan, pocos saben realmente lo que el carbón activado remueve o cómo ayuda al acuario. A continuación, se describirán los procesos de fabricación y sus efectos en el producto terminado. Además se explicará en que consiste el mecanismo de filtración o sorción y los factores que afectan su desempeño. También se abordarán las últimas técnicas para el uso de los productos de carbón. Y para concluir, se dará una breve lista de verificación, para que los aficionados a los acuarios marinos puedan evaluar y seleccionar el mejor carbón activado.

    Contaminantes orgánicos en el acuario marino

    Los océanos y arrecifes del mundo mantienen un equilibrio perfecto entre materiales "residuales" metabólicos y nutrientes a través de una serie de sistemas de reciclado. En cambio, un acuario depende de sal marina sintética, de iluminación artificial, de alimentos procesados, por mencionar algo, y además mantiene una población extremadamente alta en proporción al volumen de agua. Mientras que el amoníaco y los nitritos inorgánicos se manejan fácilmente con la "filtración biológica", muchos compuestos orgánicos tienden a acumularse resistiendo la degradación microbiana. Estos compuestos metabólicos naturales siguen siendo en gran medida desconocidos, son ácidos orgánicos compuestos, fenólicos, proteínas, carbohidratos, hormonas y antibióticos. Algunos de estos compuestos orgánicos son directamente tóxicos para las especies marinas, pueden estimular el crecimiento de bacterias heterotróficas, lo que aumenta la demanda de oxígeno en el acuario, produciendo dióxido de carbono, disminución del pH y reducción del potencial redox. Ciertos compuestos orgánicos tiñen de color amarillo el agua del acuario, también reducen la penetración de la luz, sobre todo de la iluminación de tipo actínica (420 nm). Es difícil determinar exactamente qué compuestos orgánicos están presentes en el acuario y los efectos concretos que tienen en diferentes organismos. Se ha observado que con "carga orgánica", los acuarios experimentan más problemas de enfermedades, reducción en el crecimiento de peces e invertebrados y pérdida o cese de reproducción. Algunos investigadores creen que existe una relación directa entre altos niveles de materia orgánica y las densas poblaciones de organismos que causan enfermedades en los acuarios. En última instancia, la reducción natural de los compuestos orgánicos, conduce a la mejora de la calidad del agua y a especímenes saludables. La filtración con carbón activado es uno de los procedimientos más sencillos y efectivos para la eliminación de materia orgánica de los acuarios.

    Procesos de fabricación del carbón activado

    Para fabricar carbón activado se utilizan algunas materias primas de sustancias naturales. Las más comunes son madera, carbón, lignito y cáscara de coco. Primero, la materia prima es sometida a un proceso de calentamiento llamado carbonización. Este tratamiento inicial, forma una masa de carbón completamente llena de poros. Después, la materia prima carbonizada se activa por una segunda etapa, es tratada con vapor (200-1600° C) mientras se regulan los niveles de oxígeno y dióxido de carbono. La activación crea una red interna de poros y confiere cierta química de superficie (grupos funcionales) dentro de cada partícula. Así, la activación de carbón concede sus características únicas de filtrado. El producto de carbón se puede suministrar como carbón activado granular (granular activated carbon / GAC), carbón activado en polvo (powdered activated carbon / PAC), o en forma de comprimidos (pelleted activated carbon / PAC). Algunos carbones se activan al lavarlos con ácido fosfórico, cloruro de zinc o hidróxido de potasio. Estos carbones tratados químicamente no son adecuados para utilizarse en acuarios, porqué suelen liberar fosfato (un promotor de algas), metales pesados o modificar el pH.

    El proceso de sorción: ¿Cómo funciona el carbón activado?

    El carbón activado elimina los compuestos orgánicos por los principios de adsorción y absorción. Ambos procesos implican la transferencia del adsorbato (contaminante) de la fase líquida (agua) a la fase sólida (carbón). La adsorción es el modo primario de sorción que confía en las fuerzas electrostáticas de Van der Walls. Esta "fuerza" de atracción forma lazos relativamente débiles entre el carbón y el adsorbato. En teoría, el carbón activado podría liberar o expulsar lo que retiró en algún momento. Pero la experiencia práctica en la filtración del acuario y los experimentos de laboratorio demuestran que esta liberación muy raramente se produce o causa alguna "toxicidad". Esto se debe a que las bacterias colonizan rápidamente la superficie externa del carbón, y consumen algunos de los orgánicos sorbidos. La acción de las bacterias reactiva una pequeña parte del carbón e impide la desorción.

    La absorción se refiere a la difusión de un gas o un compuesto en la red porosa en una reacción química o compresión en su cuerpo. El ozono por ejemplo, es absorbido por el carbón activado, donde se oxida una porción de la superficie del carbón. El ozono (O3) se reduce a oxígeno (O2), así se "desintoxica" y se hace seguro para el acuario. El ozono no se acumula o se integra en la estructura del carbón. Un tercer proceso denominado quimisorción, forma un enlace químico irreversible entre la superficie del carbón y el adsorbato. Los contaminantes son fuertemente unidos al sorbente.

    Los procesos de sorción se producen simultáneamente en el acuario y se lleva a cabo en tres etapas:
    1. El agua cargada de orgánicos hace contacto con las partículas del carbón activado.
    2. El adsorbato se difunde en la red porosa.
    3. La sorción se produce en el carbón.

    El proceso de sorción ha sido descrito como la actividad que se observa en un estacionamiento. Los vehículos (orgánicos) se mueven libremente por las avenidas (el agua del acuario). Gradualmente los vehículos entran a un lote (poros) en busca de una lugar para estacionarse (sitio de adsorción). A medida que el estacionamiento se llena, la tasa de absorción se ralentiza. La sorción de los compuestos orgánicos grandes es más lenta que la de los compuestos más pequeños. La tasa de sorción también se ve afectada por la temperatura del agua, el pH y la salinidad, pero estos factores no se tratarán ya que son "constantes" en el acuario marino.

    Factores que afectan el rendimiento del carbón activado

    Hay muchos productos de carbón activado disponibles en el mercado. El carbón activado debe coincidir con la aplicación para obtener mejores resultados. Los productos de carbón se clasifican principalmente como materiales de fase gaseosa o fase líquida. Los carbones de fase gaseosa se utilizan para purificar el aire o las corrientes de gas (por ejemplo, sistemas de aire acondicionado y máscaras de gas). Los contaminantes del aire son regularmente más pequeños, son compuestos de bajo peso molecular, por lo tanto, un carbón activado microporoso es el sorbente ideal para filtrarlos. Por lo tanto, una fase de carbón de aire tiene una baja eficiencia en los acuarios. Los poros (15 ångström) son demasiado pequeños para permitir adsorción de compuestos orgánicos de alto peso molecular. Un carbón activado de fase líquida tiene poros de estructura lo suficientemente grandes (30 ångström) para eliminar los contaminantes típicos del acuario. La base del material, tiene una gran influencia en el diámetro de los poros del producto terminado. La cáscara de coco suele dar como resultado un producto de carbón activado microporoso. Comúnmente se utiliza carbón de cáscara de coco para la neutralización de cloro en el agua entubada. El cloro es absorbido por el carbón, donde se oxida y es neutralizado. Los procesos de desinfección, como la cloración, crean una gran variedad de subproductos orgánicos o "sustitutos". Estos "pequeños" orgánicos se remueven eficientemente con carbón de madera de cáscara de coco. El lignito, es una forma de carbón que se utiliza para producir carbón activado macroporoso. El carbón activado a base de madera es un material intermedio de poros ligeramente grandes (25 ångström).

    A menudo se utilizan otros parámetros para comercializar los productos de carbón. La superficie total (Total Surface Area / TSA) es la medida de la superficie (m2/g) disponible para la sorción. Es importante darse cuenta de que un producto de carbón puede tener una relativamente alta TSA y sin embargo tener demasiado "cerrados" los poros para que se produzca sorción. Una medida de microporosidad es el Número de Adsorción de Yodo. Un índice de yodo de 1000 o más alto indica un carbón activo altamente microporoso. Un carbón activado microporoso también tendrá un nivel relativamente alto de la TSA. El Número de Melaza es una medida de macroporosidad. Un Número de Melaza de 400 o más indica un carbón macroporoso. Algunos productos de carbón de alto rendimiento tienen un Número de Melaza de 1000. A medida que aumenta el tamaño de los poros, disminuye la TSA. Ambos factores deben ser considerados al examinar las especificaciones técnicas del carbón.

    En ocasiones se dan los números de la Dureza y de la Abrasión. Estas cifras sólo son útiles si el carbón va a ser manejado en reiteradas ocasiones (como en los procesos de reactivación.) Algunas grandes instalaciones de tratamiento de aguas reactivan su carbón agotado varias veces. En este caso, es conveniente un carbón más duro para que resista el desgaste. El acuarista no puede reactivar el carbón en su casa, la reactivación requiere de un ambiente controlado de muy alta temperatura para restaurar los sitios de sorción.

    El tamaño de los gránulos puede ser muy importante en algunos sistemas de filtración. Pequeños gránulos de carbón activado colocados muy juntos, pueden reducir el flujo a través de los filtros. Si esta reducción del flujo no es demasiado restrictiva, aumentará el tiempo de contacto para el proceso de sorción. La mayoría de los productos de carbón activado para el acuario varían de tamaño, hay gránulos desde 1.4 mm hasta 4.75 mm. Aplastar los gránulos de carbón activado para convertirlos en polvo no creará mayor área de superficie. Sólo expondrá mayor superficie Esto aumentará la tasa de sorción, pero no la cantidad de contaminantes eliminados. Así que un carbón activado pobre no puede ser mejorado pulverizándolo en partículas más pequeñas.

    La ceniza es la huella del material inorgánico que deja atrás el proceso de activación. La naturaleza química de las cenizas varían con el tipo de materia prima que se utilizó y fluctúa incluso en el mismo tipo de carbón. El hierro y el óxido de calcio son componentes comunes de estas cenizas. Las cenizas solubles se lixiviarán enjuagando o remojando el carbón en el agua. El carbón activado de calidad es lavado al ácido para eliminar la mayoría de estos "residuos" inorgánicos. Desafortunadamente muchos productos de carbón son lavados con ácido fosfórico.

    Al parecer, la selección de productos de carbón activado se puede hacer mediante la comparación de tablas de especificación. Desafortunadamente este no es el caso. En el libro "Seawater Aquariums Spotte (1979)" se resume la selección de carbón activado con la siguiente cita: "En cualquier caso, no hay teorías válidas que permitan la selección del mejor de carbón activado, sin la experimentación." Hemos observado, en condiciones de laboratorio, que dos marcas de carbón activado con características similares, dan tasas de capacidad de sorción muy distintas. Algunos carbones "marinos" de precio muy elevado, son menos eficaces que algunos productos "comunes" más baratos.

    Una de las técnicas de evaluación más utilizadas (y abusadas) es la eliminación de un colorante del agua. Todas las pruebas indican la capacidad del carbón para remover un tinte determinado, como el azul de metileno. Un fabricante de filtros de cartucho diseñó una prueba que demostraba lo bien que su producto removía el verde malaquita de una jarra de agua, en comparación con otras marcas. Efectivamente, se encontró que su producto removía este tinte mejor que todas las otras marcas. Pero ésto se debía a la capacidad única del cartucho de poliéster para enlazarse con el verde de malaquita y no al carbón activado. Incluso si todo el carbón se separaba del cartucho, todavía superaba a las otras marcas. Pero esta prueba funcionaba sólo para el verde malaquita. Este mismo cartucho, probado con cualquier otro tinte y con otros contaminantes naturales, dio la la tasa más baja de capacidad de sorción de todos los cartuchos que fueron probados. Aquí se ilustran varias lecciones importantes.

    Los acuaristas utilizan carbón activado para remover una gran variedad de compuestos orgánicos naturales de los acuarios de agua salada. Un producto de carbón debe ser evaluado utilizando estos mismos contaminantes en condiciones de acuario, además de la mesa de laboratorio. La extracción de un sólo contaminante no es una prueba adecuada para un producto de carbón. A menudo, esto da lugar a demandas inválidas y a la insatisfacción de los acuaristas con el desempeño del producto. Los estudios científicos deben incluir isotermas de adsorción: la relación entre la cantidad de sustancia absorbida y su concentración residual en el agua circundante. La demanda química de oxígeno (Chemical Oxygen Demand / COD), demanda biológica de oxígeno (Biological Oxygen Demand / BOD) y el carbón orgánico total (Total Organic Carbon / TOC), también son herramientas muy valiosas para el análisis. En el futuro, los láseres podrían utilizarse para ayudar a evaluar la calidad del agua y el rendimiento de carbón activado en el acuario. Los aficionados no cuentan con las instalaciones de laboratorio necesarias para llevar a cabo estudios de sorción. Por eso deben confiar en la publicidad y en las recomendaciones de amigos. En ocasiones, algunos libros promueven determinadas marcas o tipos de carbón, porqué el autor tiene algún interés comercial, en lugar de un estudio científico imparcial o de una revisión de la literatura actual. Los aficionados deben desconfiar de la suposición de que todos los productos de carbón caros son mejores a los artículos de menor precio. Para estar seguros, el carbón activado de calidad es más caro, sin embargo, el precio no garantiza que tenga un buen desempeño.

    Se examinaron nueve productos de carbón activado para detectar la contaminación de fosfato. Cinco de estos contenían fosfatos, incluido el llamado carbón "marino". Otra idea falsa es que los "buenos carbones son efervescentes" o despiden burbujas cuando se colocan en el agua. Algunos de los carbones más efectivos no liberan burbujas en absoluto. La capacidad de "efervescencia" no es considerada un indicador de calidad por los ingenieros de tratamiento de residuos ni por los de la industria del carbón activado.

    El acuarista puede evaluar varias marcas de carbón activado. Cada marca debe ser utilizada hasta que "sienta" la necesidad de cambiarla. Todas las observaciones deben ser registradas, la claridad y el color del agua, así como la formación de espuma en el skimmer, el nivel de pH debe permanecer relativamente estable. El mismo volumen de carbón activado debe ser utilizado en cada prueba. Si se utilizó una taza por cada 200 L de la marca A, se debe utilizar a la misma cantidad de la marca B. El carbón activado se utiliza por volumen y no por peso, los acuaristas simplemente llenan la bolsa o recipiente de su filtro. El peso no es considerado en las pruebas del acuario. Los productos de carbón, deben mantener el agua limpia y permitir una mejor penetración de la luz mediante la eliminación de los compuestos orgánicos. Muchos acuaristas de arrecife pueden juzgar la calidad del agua (carga orgánica) por la aparición de algunos invertebrados. La especie en particular será diferente en cada acuario, pero en general la muestra se cierra, se reduce, o se ve "insuficiente" cuando disminuye la calidad del agua. Una reducción de compuestos orgánicos a través de carbón activado fresco, un cambio de agua o ajustes en el skimmer, generalmente estimulan a la "especie indicadora". Cabe destacar que en todas las pruebas, la población del acuario y el régimen de alimentación deben ser la mismas. No pruebe la marca A con seis peces, después agregue varias piezas de roca viva y entonces proceda a evaluar la marca B. Obviamente la carga orgánica aumentó, invalidando todos los datos posteriores.

    Uso de carbón activado en el acuario marino

    El principio de sorción, requiere que el agua del acuario entre en contacto con el carbón activado. A medida que aumente el contacto también aumentará la sorción, maximizando así el retiro de los contaminantes. Algunas plantas de tratamiento de agua agregan carbón activado en polvo a un contenedor de agua agitada. La sorción (purificación) es rápida debido al pequeño tamaño de las partículas y al contacto óptimo con el adsorbato. El contacto óptimo es esencial cuando se utiliza esta metodología: "una vez a través de". El agua sólo tiene una "oportunidad" de ser purificada al pasar a través del proceso de tratamiento. Los filtros de agua domésticos son otro ejemplo. Una vez que el agua sale del filtro no se puede "dar marcha atrás" y re-filtrarla en caso de que algunas impurezas no fueran retiradas. La filtración del acuario emplea el principio de la dilución. Una pequeña parte del volumen total del acuario se extrae, se filtra y se sustituye de forma continua. La idea es eliminar los contaminantes, más rápido de lo que se acumulan en el acuario. Esta es la razón por la que los fabricantes de sistemas de filtración producen diferentes tamaños que corresponden al volumen del acuario. Si el filtro es demasiado pequeño o el flujo es muy lento, los contaminantes se acumulan más rápido de lo que el filtro puede diluirlos. Cuando el carbón activado se agota la tasa de sorción se ralentiza y los productos orgánicos comienzan a acumularse. La sustitución del carbón activado con material fresco es importante para que no se interrumpa el proceso de purificación.

    Lo ideal sería que el agua del acuario se prefiltrara antes de hacer contacto con el carbón. Los pre-filtros reducen la cantidad de material particulado capturado entre los gránulos del carbón. Con frecuencia, los filtros de canasta proporcionan una cámara de pre-filtración que maximiza el tiempo de contacto con el carbón activado. Opuestamente a lo que algunos autores afirman, las bolsas de carbón activado colocadas en un flujo de agua funcionan muy bien. Los estudios de laboratorio han demostrado que las bolsas de carbón o resinas pueden eliminar cantidades importantes de contaminantes orgánicos, medicamentos, dureza del agua y metales pesados. El rendimiento real depende de la fluidez del material de la bolsa, del tamaño de la partícula sorbente y de la cantidad de sorbentes.

    Frecuentemente, los acuaristas se preguntan cuánto carbón activado se debe utilizar. Algunos fabricantes dan algunas recomendaciones, mientras que otros simplemente no hacen ninguna indicación. Investigaciones independientes han demostrado que cuando se filtra agua de un acuario, una mayor cantidad de carbón activado funciona más rápido y durante más tiempo que una pequeña cantidad. Una guía aproximada sería de .480 cm3 (dos tazas de E.U.) por cada 280 L (55 galones) de agua del acuario. Algunos acuaristas usan más o menos, dependiendo de su sistema de filtración y de la calidad del carbón que utilizan. La mayoría de los productos de carbón rinden alrededor de seis semanas en un acuario de "peces". Los acuarios de arrecife producen más materia orgánica que un acuario regular y pueden requerir de un reemplazo con más frecuencia. El carbón activado no puede ser reactivado en agua por ebullición o en un horno por calefacción, la temperatura es demasiado baja para destruir los contaminantes sorbidos y restaurar la capacidad de sorción.

    La neutralización del ozono

    Anteriormente se mencionó que el carbón activado se utiliza para neutralizar el ozono en los acuarios marinos. El gas ozono oxida la superficie de la partícula de carbón reduciendo el ozono a oxígeno. El exceso de ozono que no reaccionó es liberado a la atmósfera a través de la copa del skimmer. Una almohadilla impregnada de carbón activado, recortada para encajar en la parte superior de la copa, neutraliza al instante la capa de ozono y evita su acumulación en el hogar. La almohadilla de carbón se vuelve blanca mientras el carbón activado se destruye en el proceso de neutralización.

    Los medicamentos

    La mayoría de los medicamentos disueltos en el agua del acuario son fácilmente sorbidos por el carbón activado. El carbón activado debe ser retirado durante cualquier tratamiento químico con fármacos antibacterianos y antiparasitarios (formalin, verde de malaquita, sulfato de cobre, etc.) y utilizarse para eliminar el medicamento después de finalizado el tratamiento.

    Los oligoelementos (elementos Traza)

    Algunos acuaristas marinos se preocupan de que el carbón activado agote los oligoelementos del acuario. No obstante que el carbón activado tiene el potencial de sorber ciertos metales considerados oligoelementos en el agua de mar, también debemos sopesar otros factores. El carbón activado tiene una afinidad mucho mayor con los compuestos orgánicos que con los metales. Los espumadores de proteínas y generadores de ozono "remueven" cantidades importantes de oligoelementos, así como también lo hace el metabolismo de todos los especímenes en el acuario. Los beneficios de la filtración por carbón activado, espumadores de proteínas y generadores de ozono son muy superiores a la posibilidad de eliminar elementos esenciales. Hay muchos aditivos de elementos traza disponibles para reponer los "elementos esenciales" eliminados por las algas, peces e invertebrados, así como por el equipo de filtración necesario para mantener estos ejemplares en cautiverio.

    Conclusiones: La selección de un producto de carbón activado

    Como hemos visto, el carbón activado es una parte muy importante del sistema de filtración de un acuario marino. Elimina "contaminantes" orgánicos, incrementa la calidad del agua y promueve la salud de los especímenes. No todos los productos de carbón activado son iguales en su rendimiento. El carbón activado grado marino no puede ser más eficiente o rentable para el acuario. Utilice la siguiente lista como un "punto de partida" de verificación al momento de seleccionar productos de carbón activado para su acuario.
    • No haya sido activado químicamente o lavado con ácido fosfórico, zinc o hidróxidos.
    • Su estructura sea macroporosa: poros dilatados, de 30 ångström o superior.
    • Bajo Número de Yodo: debajo de los 600.
    • Alto Número de Melaza: por encima de 400.

    El factor más importante es el rendimiento del producto en su acuario. Todos los productos de carbón para el acuario pretenden ser el "mejor disponible". Para estar seguro, póngase en contacto con el fabricante para pedir información del producto y a continuación póngalo a prueba para comprobar que realmente es "el mejor".

    --

    Este artículo fue escrito originalmente por Jim Layton, químico de Aquarium Pharmaceuticals, para la revista Marine Fish Monthly.
    Posteriormente fue publicado en línea por Bruce Hallman.
    Traducido al español por David Pavón (dpavon) con la colaboración de Saúl Pineda (puerck) para el Club de Acuarios Marinos (CAM).
     
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