Adsorção por carvão ativado nos aquários
O material mais utilizado para adsorção no mundo é o carvão ativado e nos aquários não poderia ser diferente. O carvão ativado junta todas as características que uma boa mídia filtrante de adsorção tem que ter: "baixo custo", diversidade de matéria prima e versatilidade.
Se você ainda não viu a primeira parte da nossa série de textos sobre adsorção nos aquários pode ler no link abaixo:
Nós já escrevemos um texto básico sobre o carvão ativado em 2017 e que pode ser lido no link abaixo. Nesse texto agora vamos completar com algumas coisas que aprendemos ao longo desses anos.
O que é o carvão ativado?
A melhor definição de carvão ativado que já vi é a seguinte:
Carvão ativado é um adsorvente carbonáceo sintetizado a partir de materiais ricos em carbono e materiais voláteis através de métodos físicos, químicos ou uma mistura de ambos. [1]
No mais, o carvão ativado, além do grande concentração de carbono, possui alta porosidade e uma superfície muito rica em grupos funcionais variados capazes de adsorver uma série de compostos orgânicos e inorgânicos.
Uma característica presente nos carvões ativados é a alta área superficial que o carvão ativado tem podendo chegar a pouco mais de 4000m²/g em caso de carvões ativados especiais para aplicações como capacitores e armazenamento de hidrogênio. Isso equivale a meio campo de futebol!
No tratamento de água e nos aquários os carvões ativados tem uma área superficial que vai de 250m²/g até pouco mais de 1000m²/g. Carvões ativados com muita área superficial são muito difíceis de achar no mercado.
Do que o carvão ativado é feito?
O carvão ativado pode ser feito de praticamente tudo que tenha carbono em sua composição. Então existem carvões ativados de material vegetal (madeira, cascas de frutas, cocos, folhas, palhas, bagaços, etc.), material mineral (carvão mineral, petróleo e seus derivados, betume, piche), material animal (ossos, fezes, penas, chifres, insetos, casca de crustáceos, unhas e cascos, etc.) e material sintético (plásticos, borrachas, pneus, PVC, PET, etc.)
Cada tipo de matéria prima vai produzir um carvão ativado com propriedades diferentes. Alguns terão maior porosidade, outros maior capacidade de adsorção pra certos compostos e outros disposição diferente do tamanho e quantidade dos poros.
Alguns materiais, como as fibras vegetais, já tem uma alta porosidade natural, o que faz com que o carvão ativado também tenha essa alta porosidade. O carvão ativado feito com mosca soldado não tem porosidade natural e apresentou baixa porosidade.
Como o carvão ativado é feito?
O carvão ativado é feito em basicamente duas etapas: carbonização e ativação.
A carbonização é o processo na qual a matéria prima perde as moléculas que não sejam de carbono e se tornem carvão. Esse processo poder ser feito ao aquecer o material em altas temperaturas (entre 400°C e 800°C), por reações químicas e até mesmo por "cozinhar" o material em vapor a altas temperaturas.
No vídeo abaixo dá pra ver uma carbonização química do açúcar.
A carbonização é o mesmo processo que o carvão comum sofre, a diferença é que para a produção do carvão ativado a temperatura e outras variáveis do processo são muito controladas para garantir uma alta qualidade do carvão ativado.
A ativação já é a parte que diferencia o carvão comum do carvão ativado. É na ativação que se aumenta a área superficial e se criam os sítios ativos de adsorção.
O carvão comum também possui capacidade de adsorção e filtragem, porém numa proporção muito menor. A imagem abaixo mostra um estudo com carvões ativados (CAG, CAg, CAP) e carvão vegetal comum (CVA-600). O carvão ativado nesse caso chegou a ter até 80 vezes mais área superficial.
Existem 2 tipos de ativação do carvão ativado: a ativação física e a ativação química. Um carvão ativado pode sofrer as duas formas de ativação.
Na ativação física, o carvão é submetido há uma alta temperatura (geralmente acima de 700°C) em uma atmosfera livre de oxigênio (O2). Muitas vezes usam gases como nitrogênio (N2), gás carbônico (CO2) e até monóxido de carbono (CO) para ativar o carvão.
Na ativação química usam-se ácidos (como o ácido fosfórico e o ácido nítrico), compostos cáusticos e sais para aumentar a porosidade e os sítios ativos do carvão ativado. A ativação química pode acontecer tanto em temperatura ambiente a até temperaturas superiores a 700°C.
Um mesmo carvão ativado pode receber tanto a ativação física quanto a ativação química.
Carvões ativados contaminados com fosfato e nitrato
No aquarismo existe uma questão muito delicada do uso de carvão ativado que é a contaminação por fósforo e nitrogênio. Essa contaminação vem de carvões que foram ativados com ácido nítrico (deixa nitrato residual) ou ácido fosfórico (deixa fosfato residual) e também da matéria prima do próprio carvão.
Toda matéria orgânica tem fósforo e nitrogênio que durante a carbonização se transformam em fosfato e nitrato.
Esse fato se repete muito devido a baixa qualidade dos carvões ativados comercializados. Os carvões ativados de alta qualidade usam matérias primas com baixo teor de cinzas (que são os compostos residuais que aumentam o pH, fosfato, nitrato, etc.) são lavados após o processo e todos os compostos residuais são removidos, mas não são comuns.
Carvão ativado impregnado
Uma outra categoria de carvão ativado bastante comum são os carvões ativados impregnados. Esses tipos de carvão ativado passam por uma terceira etapa onde um composto é grudado na superfície do carvão ativado para dar ao carvão propriedades que o carvão ativado não consegue ter apenas com a ativação.
Um dos mais comuns usos de carvão ativado impregnado é no caso de carvões com propriedades bactericidas. Esses carvões ativados são impregnados com cobre, zinco ou prata e são muito usados em filtros de água potável.
Muita gente diz que esses carvões ativados não devem ser usados em aquário porque mata as bactérias do filtro, mas não é bem assim.
Esses carvões bactericidas são feitos para que as bactérias que possam vir na água se fixem ali e sejam eliminados ou não cresçam. O carvão faz a filtragem mecânica das bactérias, pra falar na linguagem de aquarista, e o composto impregnado elimina essas bactérias. Esses carvões não são feitos para liberarem esses compostos na água, então eles não vão afetar a vida no aquário.
Tipos de carvão ativado
Os carvões ativados costumam ser divididos em 4 tipos de carvão de acordo com sua forma e nem todos são utilizados em aquários. Os 4 tipos são Carvão Ativado Granular, Carvão Ativado em Pó, Carvão Ativado Peletizado e Tecido de Carvão Ativado.
Carvão Ativado Granular é aquele em pedaços grandes. Aqueles carvões de pedaços de coco, por exemplo, se enquadram nessa categoria. Esses estão entre os melhores carvões para aquarismo por uma série de motivos. O primeiro deles é porque esses carvões costumam ser melhor de manejar, de colocar no saquinho. O segundo é que costumam ser mais acessíveis porque geralmente são produzidos no Brasil. Outro motivo é que o carvão ativado vegetal por si só sempre vai possuir boas qualidades independente de qual foi o processo de ativação. Esse é o carvão ativado mais usado em tratamento de água devido ao melhor manejo e melhor capacidade de regeneração.
Carvão Ativado em Pó é um carvão que não é utilizado em aquarismo devido a incompatibilidade do processo. Os carvões ativados em pó possuem área superficial maior que os outro tipos e geralmente possuem maior velocidade de adsorção.
Carvão Ativado Peletizado é aquele carvão em tubinhos muito comum de se achar no mercado de aquarismo. Ele é feito a partir do carvão ativado em pó que foi aglomerado com algum produto. Sua maior vantagem é a reduzida perda de carga e por isso são muito utilizados na remoção de contaminantes do ar. Não é um carvão regenerado com frequência porque os processos de regeneração geralmente dissolvem o aglomerante e o carvão ativado esfarela.
Pra quem nunca viu como o carvão ativado peletizado para aquários é feito, pode descobrir no vídeo abaixo.
Tecido de carvão ativado é um tipo de carvão que surgiu recentemente e nunca vi usado em aquarismo devido ao seu alto custo. Eles são literalmente tecidos feitos 100% de carvão ativado. Eles são utilizados principalmente para fins médicos e de alta tecnologia. No vídeo abaixo dá pra ver um desses tecidos de carvão ativado feitos para fins medicinais.
O que o carvão ativado remove da água do aquário?
Essa é a pergunta que muita gente pergunta e muita gente se engana porquer não conhecem como funciona o carvão ativado e nem os seus processos de ativação.
Então, o que o carvão ativado de qualquer origem e ativação com certeza vai remover da água do aquário?
A resposta é simples e clichê: matéria orgânica como corantes, açúcares, proteínas, óleos, etc.
Independente do carvão ativado e dos sítios ativos, todos eles possuem capacidade de adsorver moléculas orgânicas. Isso se dá porque os anéis de carbono do carvão ativado (e do carvão comum também) atraem os anéis aromáticos das moléculas orgânicas por interações Pi-Pi (falarei um pouco delas no final desse texto) e fazem a remoção. É por isso que qualquer carvão, ativado ou não, remove a cor amarelada da água que geralmente é devida a corantes orgânicos com anéis aromáticos
A imagem abaixo exemplifica essas interações de atração entre os anéis de carbono do carvão e um corante.
É por isso que colocar carvão de churrasqueira na geladeira remove os odores. Os anéis de carbono do carvão adsorvem as moléculas orgânicas causadoras do odor.
Agora nós temos uma uma outra pergunta para fazer e responder. Essa pergunta é muito interessante porque é polêmica e causa de confusão.
O que um carvão ativado pode remover em função do tipo de ativação?
A resposta já é complexa: Praticamente qualquer molécula dissolvida na água.
O carvão ativado dependendo de quais grupos funcionais estiverem presentes em sua superfície (falaremos um pouco desses grupos funcionais no capítulo final) e de processo de impregnação que sofreu, pode remover praticamente qualquer coisa dissolvida na água do aquário.
A imagem abaixo apresenta os principais grupos funcionais do carvão ativado. Algumas moléculas de nitrogênio, oxigênio e enxofre podem ser adicionados ao carbono para garantir propriedades diferentes de adsorção.
Então vou fazer uma lista de algumas coisas que os carvões ativados podem remover dependendo da sua ativação que são de interesse dos aquaristas. Vale mencionar que quando ativados para tal, os carvões ativados tem uma alta taxa de adsorção.
Ânions diversos: Sulfato, fosfato, nitrato, silicato, hipoclorito
Cátions diversos: Amônia, ferro, magnésio, manganês
Toxinas e medicamentos: Cianotoxinas, mebendazol, fluconazol, corantes metálicos e remédios diversos
Metais tóxicos: Cobre, chumbo, arsênio, zinco, cromo, mercúrio
Outras moléculas: óleos, graxas, aminoácidos, proteínas, lipídios, hormônios/moléculas de comunicação (falarei disso em outro texto), ácidos orgânicos, gás carbônico (CO2)
Existem muitos carvões ativados no mercado com alta taxa de adsorção de amônia, maiores até do que das zeólitas e Purigen. Existem muitos carvões com alta capacidade de adsorção de metais tóxicos ou nitrato e fosfato. Tudo depende dos grupos funcionais que estão presentes no carvão ativado.
Uma das funções pouco conhecidas do uso do carvão ativado é a recuperação dos metais preciosos como ouro e prata de soluções. Abaixo segue um vídeo de uma empresa que trabalha com isso.
Por essa versatilidade de funções que o carvão ativado é o material adsorvente mais usado no mundo.
No aquarismo nós sofremos com a baixa qualidade dos produtos oferecidos e também com a falta de informação das características dos produtos. Pensando nisso, nós da Aquários Sobrinho, já estamos aproveitando o ambiente do doutorado para tentar desenvolver carvões ativados específicos para certos contaminantes que nos causam problemas no aquarismo. Aguardem.
Por quê não achamos esses carvões ativados especiais para filtragem química nos aquários?
Acreditamos que existam 2 principais motivos para não acharmos esses produtos com facilidade no mercado:
Como o processo de ativação para isso é mais controlado, você tem mais trabalho e dificuldade técnica, o que reduz as empresas interessadas aqui no Brasil. O carvão ativado mais básico atende a maioria das demandas.
As fornecedores de produtos de aquarismo precisam manter a máquina girando inventando soluções caras e lucrativas para problemas que possuem solução barata.
Por exemplo, conversando com meu orientador do doutorado eu fiquei sabendo que ele não está conseguindo comprar carvão ativado de qualidade pro laboratório. Todo fabricante que ele entra em contato não tem informações técnicas básicas sobre o produto, o que dirá avançadas.
Esses carvões ativados com área superficial muito alta (maiores que 1000m²/g) e com capacidade de adsorver contaminantes específicos como amônia, nitrito, nitrato, fosfato em grande quantidade não são tão caros de fazer e comercializar quando você olha o preço praticado pelos carvões usados no aquarismo que são de qualidade duvidosa.
Carvão comum no aquarismo
Existem incontáveis vídeos na internet ensinando a fazer carvão ativado em casa, mas a verdade é que nenhum desses carvões são realmente carvões ativados no sentido técnico do processo, são apenas material carbonizado comum. O que é mais interessante nesses carvões é que eles funcionam.
Todo carvão, ativado ou não, possui propriedades de adsorção de matéria orgânica e outras moléculas.
Mesmo sem a ativação, o carvão comum possui alguns sítios ativos variados que vão fazer adsorção, mas em bem menor quantidade que o carvão ativado.
Uma característica do carvão comum é de subir ligeiramente o pH e a dureza da água em maior proporção que o carvão ativado. Esse aumento do pH se dá porque alguns sais que se formam durante a carbonização como óxidos de cálcio, magnésio e sódio acabam reagindo com a água aumentando seu pH. Esse efeito varia em função da matéria prima e do processo de carbonização.
Nós já usamos muitas vezes carvão comum como filtro biológico em lagos antes de trabalharmos com os canisters. O carvão é um material geralmente com alta estabilidade química e biológica, então se não quebrar ele, ele vai ficar lá.
Se você está precisando melhor a filtragem do seu lago ornamental, confira nossos filtros pressurizados/canister para lagos ornamentais no link abaixo. São filtros robustos, eficientes e com o melhor custo benefício do mercado.
Quando, quanto e como usar o carvão ativado no aquário
Agora que já explicamos quase tudo do que precisamos saber sobre como o carvão ativado funciona e é feito, vamos às noções práticas do uso de carvão ativado no aquário.
Quando devo e não devo usar carvão ativado no meu aquário?
O carvão ativado é uma mídia de filtragem situacional. Você pode ter um aquário de qualquer tipo com qualidade de água muito boa sem nunca usar carvão ativado, mas tem outros aquários que o uso de carvão ativado faz muita diferença na qualidade da água.
Então, segue uma lista de situações em que é vantajoso usar o carvão ativado:
Aquários com água amarela: Seja por efeito de troncos ou de alimentação, a água amarela é um fato que incomoda muito aquarista. Nessa situação é sempre interessante usar carvão ativado para deixar a água incolor.
Aquários com alimentação caseira: A alimentação caseira com patês e alimento natural/vivo é muitas vezes melhor que alimentação com as rações das melhores marcas do mercado, o problema que elas tem uma digestibilidade menor e acabam sujando muito a água. O carvão ativado é muito indicado nesses casos porque vai remover a matéria orgânica e funcionar como mídia biológica. Falarei do uso de carvão ativado como mídia biológica mais á frente.
Aquários muito populosos: Quando o aquário é muito populoso, mesmo com sistema de filtragem funcionando bem, alguns problemas devido á comunicação química entre os peixes pode acontecer. Os peixes vão liberar compostos orgânicos (não hormônios, mas moléculas como certas proteínas e gorduras) que vão indicar uma qualidade ruim de água e causar estresse nos peixes. O carvão ativado vai adsorver essas moléculas que causam estresse e aumentaro bem estar e o crescimento dos peixes.
Redução e prevenção de algas: Alga é um problema que incomoda quase todos os aquaristas em algum momento e o carvão ativado ajuda na remoção de matéria orgânica que serve de nutriente para as algas. O carvão ativado também filtra toxinas e substâncias que as algas liberam para atacar plantas e corais.
Quanto de carvão ativado devo usar no meu aquário?
Não existe uma quantidade certa, depende do espaço disponível no filtro e da capacidade de compra. Quanto mais carvão ativado você usar, mais tempo vai demorar para saturar e trocar. Quanto mais espaço o carvão ocupar na passagem de água do seu sistema de filtragem, melhor ele vai filtrar.
Em termos práticos geralmente 1g de carvão ativado para cada litro de aquário tem resultados por muito tempo. Usar maiores quantidades não prejudica a água.
Usar muito carvão ativado não vai deixar a água ruim para os habitantes dos aquários, só fica mais caro.
Como devo usar e quando trocar o carvão ativado
O melhor jeito de usar carvão ativado é dentro de um filtro com circulação forçada da água entre o carvão ativado sem espaços vazios. Quanto maior o espaço que a água percorrer entre o carvão ativado, melhor.
O vídeo abaixo mostra um de nossos filtros de carvão ativado que possuem o máximo de aproveitamento de adsorção.
Carvão ativado como mídia biológica
Uma característica muito interessante do carvão ativado é seu uso como mídia biológica. Esse uso é muito comum em processos de tratamento de águas, inclusive de água potável.
O uso de carvão ativado como mídia biológica funciona da mesma forma que uma mídia biológica plástica ou cerâmica comum, só que tem algumas vantagens:
Leve: o carvão ativado é uma mídia muito leve, o que facilita a manutenção em filtros grandes.
Faz adsorção de moléculas: Além de servir como espaço para crescimento de bactérias filtrantes, faz junto a remoção de outras substâncias reduzindo o espaço necessário do filtro.
Biorregeneração: As bactérias filtrantes vão fazer regeneração contínua de parte da capacidade de adsorção de matérias orgânica do carvão, permitindo que em alguns casos não seja necessário trocar parte do o carvão ativado.
A imagem abaixo exemplifica o uso do carvão como mídia biológica e mostra os pontos importantes. O carvão vai fazer a adsorção de moléculas orgânicas nos seus sítios ativos e as bactérias vão se alimentar da matéria orgânica que for sendo adsorvida. Um parte muito interessante dessa imagem é onde está escrito "Entrapment" que é onde a a matéria orgânica fica em locais que as bactérias não vão alcançar.
As bactérias filtrantes só vão ocupar e biorregenerar a superfície externa do carvão ativado (e de todas as mídias microporosas) porque os poros são muito menores que a as bactérias filtrantes. As bactérias só colonizam os microporos onde tenham espaço suficiente para crescer e onde cheguem os nutrientes.
Pra quem quiser ler mais um pouco, seguem 2 textos, um em português e outro em inglês, sobre o uso de carvão ativado como mídia biológica para tratamento de água.
O carvão ativado também faz uma excelente filtragem física removendo partículas bem pequenas que turvam a água.
As desvantagens do carvão ativado como mídia biológica é que ele tem uma grande perda de carga quando é usado em tamanho pequeno e pode esfarelar . Devido aos grãos do carvão se acomodarem, fica muito fácil de entupir com o acúmulo de sujeira. Como o carvão tem baixa resistência mecânica, ele pode ir esfarelando aos poucos devido ao atrito quando se limpa, por exemplo.
Carvão ativado e os aquários plantados
Um dos eternos temas polêmicos do aquarismo é o uso de carvão ativado em aquários plantados. Todo o embate gira em torno da questão do "carvão ativado retirar os nutrientes das plantas".
Para a gente resolver essa questão precisamos considerar os seguintes pontos:
O que são nutrientes para plantas?
Como as plantas absorvem esses nutrientes?
Quais os nutrientes o carvão ativado remove da água?
O quanto de nutrientes o carvão ativado remove da água?
Tendo estabelecido essas questões vai ficar claro se o carvão ativado vai atrapalhar ou não o aquário plantado. Na grande maioria das vezes o carvão ativado não atrapalha o desenvolvimento das plantas.
O que são nutrientes para plantas?
Podemos dizer que nutriente é tudo que um organismo absorve e é indispensável pelo seu funcionamento. Dá pra dividir em macronutrientes (que se precisa em maior quantidade) e micronutriente (que se precisa em menor quantidade).
A imagem abaixo apresenta os macronutrientes que as plantas precisam e sua função. Esses nutrientes são absorvidos pelas plantas na sua forma iônica (íons de cálcio, magnésio e potássio, por exemplo) ou em moléculas contendo esses elementos como o fosfato (PO4), nitrato (NO4), gás carbônico (CO2), ou moléculas orgânicas complexadas contendo esses elementos, etc.
A imagem abaixo já mostra os micronutrientes necessários para as plantas. Elas são absorvidos da mesma maneira que os macronutrintes, na sua forma iônica pura (íons de ferro e boro, por exemplo), na forma de moléculas contendo esses elementos.
Não vamos estender sobre esse assunto porque merece um texto específico só sobre nutrição de plantas no aquário.
A maioria desses nutrientes está livre na água como é o caso no fosfato, nitrato, gás carbônico e oxigênio ou imobilizado na forma de fertilizantes de baixa solubilidade (vamos considerar todo substrato fértil pra facilitar) ou de moléculas não absorvíveis (óxidos de ferro e de zinco, por exemplo). Em todo caso o carvão ativado só vai atuar nos nutrientes que estiverem dissolvidos na água.
Já que falamos de nutrientes imobilizados, sabia que as nossas Bactérias Púrpuras Não Sulfurosas (BPNS) possuem a capacidade de pegar moléculas inorgânicas como fosfato de cálcio e fosfato de ferro e o tornarem biodisponíveis para as plantas do seu aquário? Além de ajudar na fertilização das plantas, as BPNS ajudam a remover os nutrientes que podem ser alimento de algas no seu aquário.
Você pode adquirir nossas BPNS no link abaixo:
Como as plantas de aquário absorvem esses nutrientes?
As plantas de modo geral, tanto absorvem nutrientes pelas suas raízes e pelas suas folhas, sejam elas plantas emersas ou submersas. Nas plantas de aquário isso não seria diferente.
A imagem abaixo exemplifica uma situação onde plantas aquáticas mudam a dinâmica de absorção (se quem absorve mais nutrientes são as folhas ou as raízes) em função da quantidade de nutrientes contendo na água. Em um lago eutrófico (rico em fósforo e nitrogênio) a planta tende a absorver mais pelas folhas do que pelas raízes e em um lago oligotrófico (pobre em nutrientes na água), ela tende a absorver mais nutrientes pelas raízes.
Assim também se dá nos aquários, as plantas absorvem nutrientes tanto da água pelas folhas como do substrato pelas raízes.
Quais os nutrientes para plantas o carvão ativado remove da água?
Considerando um carvão ativado simples, ele vai remover basicamente os ácidos orgânicos que podem ser absorvidos pelas plantas. O carvão ativado simples não tem muita afinidade com amônia, nitrito, nitrato, fosfato e íons de cálcio, magnésio, boro, zinco e outros nutrientes.
Essa remoção, se houver, vai ser bem pouca e não interfere no crescimento da planta.
Se você usar um substrato fértil, você pode ter uma água com praticamente nada de nutrientes que as plantas irão se desenvolver muito bem. Até mesmo substrato não férteis (como quartzo ou basalto) acabam acumulando nutrientes com o tempo e os fornecendo para as plantas.
O quanto de nutrientes para plantas o carvão ativo remove da água?
Agora vamos ás contas que é o que vai esclarecer muita coisa.
Já falamos na primeira parte sobre o básico da adsorção que um material adsorvente como o carvão ativado faz adsorção pelos seus sítios ativos. Você consegue medir essa quantidade de sítios ativos indiretamente pela capacidade de adsorção de um material até seu ponto de saturação. Já vi estudo de carvões ativados especiais conseguem adsorver até 800mg/g de coisas, principalmente corantes, mas esses são de difícil comercialização.
Eu até procurei na literatura estudos de caso que mostrassem o efeito nas propriedades físico químicas da água do uso de carvão ativado e só achei um caso de água de piscicultura que foi filtrada em carvão ativado que foi a referência [4].
No estudo foi usado um filtro contendo 20 gramas de carvão comum ou de 2 carvões ativados (um ativado com ácido nítrico e outro com hidróxido de potássio) para tratar 10 litros de água. Esses carvões foram feitos de bambu de um mesmo local, ou seja, todos os 3 carvões são da mesma matéria prima que sofreram tratamentos diferentes. É uma proporção de 2g de carvão ativado para cada litro de água. O artigo analisa o efeito do carvão em 17 parâmetros físico-químicos da água e na concentração de 7 metais tóxicos.
Vamos começar a comparar os resultados que são importantes!
A tabela abaixo traz os parâmetros físico-químicos da água de piscicultura antes e depois do tratamento com o carvão comum (circulado em vermelho), carvão ativado com ácido nítrico (circulado em azul) e carvão ativado com hidróxido de potássio (circulado em preto). Prestem atenção na eficiência de remoção (removal efficiency) que foi diferente em todos os carvões, exceto para acidez que provavelmente a parte de ácidos orgânicas foi adsorvida por todos os carvões de maneira muito igual.
pH: O pH inicial era de 6,5 e aumentou em todos as filtragens. Isso se dá pela remoção dos ácidos orgânicos. Os carvões ativados ficaram com pH igual, isso quer dizer que o processo de ativação removeu toda alcalinidade residual dos carvões. O carvão comum aumentou bem o pH, provável que pelos sais alcalinos dissolvidos.
Condutividade (EC): aumentou em todos os carvões.
Cloreto (Chloride): diminui em todos os casos. Não é muito relevante pra aquário.
Dureza Total (Total hardness): é a soma do cálcio e do magnésio no caso. Diminuiu em todos os casos, mais para o carvão comum que adsorveu consideravelmente mais cálcio.
Alcalinidade (alkalinity): Diminuiu em todos os casos em quantidade similar. Se você comparar a alcalinidade dos testes, vai ver que não teve relação direta com o pH e sim com o efeito tampão da água
Acidez (acidity): teve praticamente a mesma taxa de remoção em todos os carvões. Está relacionada com o efeito tampão.
Sólidos dissolvidos totais (TDS): Aumentou em todos os casos. Não foram dadas explicações do que aconteceu para aumentar, mesmo o carvão ativado tendo adsorvido muitos íons da água.
Nitrato (nitrate): reduziu em todos os casos e em maior quantidade para os carvões ativados. Alguém já te disse que carvão ativado não remove nitrato? Até eu acho que já disse isso. Não digo mais.
Nitrito (nitrite): reduziu em todos os casos e em maior quantidade para os carvões ativados. Alguém já te disse que carvão ativado não remove nitrito? Até eu acho que já disse isso. Não digo mais².
Sulfato (sulphate): Reduziu em todos os casos e em maior quantidade para os carvões ativados.
Oxigênio Dissolvido (DO): Diminuiu em todos os casos. Não explica no artigo (já não gosto tanto do artigo quanto gostava quando eu achei ele), mas suspeito que seja adsorção mesmo pelo carvão.
Demanda biológica de oxigênio (BOD): Reduziu em todos os casos, mais no carvão comum. Esse parâmetro representa a quantidade de oxigênio que seria necessária pelas bactérias para degradar a matéria orgânica presente na água. Indiretamente indica a quantidade de matéria orgânica que tem na água.
Sólidos suspensos totais (TSS): Aumentou no carvão comum e quase não mudou nos ativados. Provavelmente devido a não lavar o carvão comum e ele sujou a água. Todo aquarista já cometeu esse erro alguma vez e por essa informação eu sei que os autores não são aquaristas rsrs
Sólidos totais (TS): Aumentou em todos os casos. Isso significa que o carvão não foi bem lavado ou durante o experimento ele foi sendo quebrado.
Turbidez (turbidity): Aumentou no carvão comum e diminui nos ativados. Resumindo, o carvão comum sujou a água e os carvões ativados fizeram filtragem física.
Segue abaixo o ensaio desses mesmos carvões na mesma água, mas para metais tóxicos. Perceba como houve muita diferença na eficiência de remoção entre os carvões. O carvão comum teve uma certa capacidade de adsorção de metais tóxicos, mas os carvões ativados tiveram resultado melhor, principalmente o ativado com hidróxido de potássio.
Conversando com meu orientador do doutorado sobre esse artigo, ele mencionou um fato interessante sobre a reatividade dos metais tóxicos nos carvões ativados. Os metais tóxicos reagem muito na superfície do carvão ativado pela presença do oxigênio aumentando em muito a seletividade por metais tóxicos.
Bom, analisando todos esses parâmetros, o que podemos tirar de informação de informação desse estudo?
Primeiro que de fato o carvão ativado tirou da água nutrientes para plantas.
Segundo, fazendo uma conta de cabeça a quantidade mássica adsorvida foi de mais ou menos 50mg de coisas adsorvidas por grama de carvão ativado. Provavelmente pela dinâmica que foi feita o ensaio, não estão saturados, então o carvão tem mais capacidade de adsorção ainda.
Terceiro, o carvão comum teve resultado muito satisfatório e provavelmente poderia ser usado em aquário com grande resultado.
Por último, carvões ativados de maneiras diferentes, mesmo com a mesma matéria prima, vão ter capacidade de adsorção diferentes. Agora, se a capacidade de adsorção é diferente pra uma mesma matéria prima e mesmo fabricante, imagina pra fabricantes diferentes com matérias primas diferentes? Resultados mais diferentes ainda.
Uma coisa interessante desse estudo é que ele não tinha reposição de nutrientes, nem mesmo contato com o ar para aumentar o oxigênio dissolvido. No aquário é um sistema diferente porque você tem adição constante de nutrientes que vem do ar, dos peixes, do filtro, do substrato, dos fertilizantes, etc.
Voltando à questão das plantas, o carvão ativado então tirou nutrientes que poderiam ser usados para plantas, mas será que foi suficiente?
A tabela abaixo do documento no link http://philip.inpa.gov.br/publ_livres/Dossie/BM/DocsOf/EIA-09/Vol%2015/TEXTO/Qualidade%20da%20%C3%A1gua-Liminologia.pdf mostra uma série de análises a água de corpos da água da área em torno da hidrelétrica de Belo Monte. Compare com a tabela do teste do carvão ativado os valores de dureza, alcalinidade, nitrito, nitrato, sulfato, cloreto e ferro.
Agora tenha em mente que esse local na região de Belo Monte é uma região limpa com grande riqueza de fauna e flora aquática, inclusive plantas ornamentais como cabomba, bacopa, aponogeton, entre outras (a lista tá completa no relatório do link acima).
Mesmo após a filtragem no carvão, os ambientes naturais com bons crescimentos de plantas tem nutrientes na água em quantidade muito menor que na água filtrada por carvão com água de piscicultura do artigo acima.
Uma das coisas que iremos abordar no capítulo final em tópicos avançados sobre adsorção é justamente a variação na eficiência de adsorção dos materiais adsorventes em função da concentração de contaminantes. Usualmente quanto menor a quantidade, menor a capacidade de remoção.
Comparando na nossa experiência onde medimos os testes básico de amônia, nitrito, nitrato, fosfato, ferro, e dureza sempre encontramos água com mais nutrientes do que nos rios e lagos não poluídos.
Depois de todas essas informações você ainda acha que os nutrientes que o carvão ativado remove da água vão fazer falta para as plantas? Não faz.
A verdade é que nos aquários o fator limitante das coisas é sempre o que for mais caro. No caso desenvolvimento de plantas é iluminação de qualidade (que é caro ), sistema de CO2 (caro ou complexo) e filtragem o suficiente para reduzir algas (caro também). Fertilização é o mais barato e dificilmente é um fator limitante porque os aquários geralmente são mais ricos em nutrientes do que as plantas realmente precisam.
Tem aquarista que tem uma água ruim, luz ruim, problemas com gás carbônico e fica dizendo que a culpa é do carvão ativado.
Carvão ativado e palitoxinas do aquário marinho
Com certa frequência aparece alguma publicação de alguém com uma mão inchada falando que foi intoxicado por palitoxinas, as toxinas das palythoas e zoanthus. De fato as palitoxinas são irritantes (só quem machucou a mão nelas sabe do que eu estou falando), mas não são tudo que pregam as reportagens.
Bom, fizeram um estudo avaliando a capacidade de remoção dessas palitoxinas pelo carvão ativado e conseguiram remover quase 100% de toda palitoxina da água.
O ruim do artigo é que o teste não foi feito no aquário, mas sim em uma amostra de água e não analisa nenhum outro parâmetro de água. Mesmo assim é muito interessante como num ambiente muito salino o carvão ativado teve mais de 99% de capacidade de remoção das palitoxinas.
Isso já é um indício de que o carvão ativado tem muito mais afinidade com moléculas orgânicas do que com moléculas inorgânicas
Já pegando o embalo, não há problema nenhum no uso de carvão ativado em aquário marinho. Devido a maior afinidade do carvão ativado com matéria orgânica, os minerais deles, mesmo os presentes em menor quantidade, dificilmente serão totalmente removidos.
Igual a questão do aquário de água doce, os ambientes naturais limpos possuem muito menos nutrientes que os aquários.
Outra questão relacionada ao carvão ativado e aquário marinho, é que, diferente da água doce, o aquário marinho conta com a ajuda de um equipamento sensacional: o skimmer. O skimmer é capaz de remover moléculas orgânicas com extrema facilidade sem saturar.
Nos nossos marinhos nunca tivemos necessidade do carvão ativado devido à eficiência dos nossos skimmers.
A Aquários Sobrinho fabrica os maiores skimmers do mercado com melhor custo benefício. Se você está tendo problemas de filtragem no aquário marinho, o skimmer da Aquários Sobrinho vai te ajudar.
A qualidade do carvão ativado
Quando comecei a escrever esse artigo eu tinha uma visão muito diferente sobre o carvão ativado que usamos no aquarismo. Nós sempre tivemos resultados satisfatórios com todos os carvões ativados que usamos, até mesmo os chineses.
Agora no doutorado e questionando meu orientador sobre algumas coisas relacionadas ao carvão ativado eu me indago seriamente se o que usamos nos nossos aquários é de fato carvão ativado ou apenas um carvão comum bem feito.
Nós não temos informações importante como porosidade, ponto de carga zero e capacidade de adsorção que não sejam as que os fabricantes os dão (que muitas vezes podem não ser verdade). Nunca vi ninguém de terceiro validando essas coisas. Só olhar o exemplo que dei acima dos carvões de bambu onde o carvão comum teve uma adsorção significativa.
Regeneração do carvão ativado
Todos os adsorventes físicos podem ser regenerados e o carvão ativado é um dos mais regenerados do mundo. O processo de regeneração do carvão depende do que está adsorvido nele e geralmente envolve altas temperaturas, baixas pressões e reagentes químicos.
Antes de falar dos processos de regeneração, é importante lembrar que nenhum material adsorvente é eterno. O processo de regeneração sempre acaba por degradar o material adsorvente reduzindo a sua capacidade de adsorção. Alguns processos de regeneração, principalmente do carvão ativado, passam por um processo de reativação para garantir que o carvão tenha uma alta taxa de adsorção.
Essa diminuição da capacidade de adsorção se dar por poros que se entopem e por sítios ativos que vão sendo perdidos pelo efeito da regeneração ou do próprio uso mesmo.
Como acontece a regeneração do carvão ativado?
Regenerar um material adsorvente significa você liberar os sítios ativos para voltar a adsorver materiais de interesse. Você pode fazer isso reduzindo as forças de interação entre ou sítio ativo e a molécula adsorvida, destruindo a molécula adsorvida ou substituindo a molécula adsorvida por outra molécula.
Existem processos complexos de regeneração como oxidação em altas temperaturas e regeneração eletroquímica, mas não é nosso interesse aqui porque envolve equipamentos complexos. Nós vamos focar em processos que o aquarista pode fazer em casa para economizar dinheiro e melhorar a sua filtragem.
Regeneração de carvão ativado por oxidação
O processo mais simples de regeneração de carvão ativado é por oxidação da matéria orgânica que está adsorvida. O oxidante vai destruir a molécula adsorvida e vai liberar o sítio ativo.
O principal ponto negativo da regeneração por oxidação do carvão ativado é que o agente oxidante também reage com o carvão destruindo a sua superfície e removendo os sítios ativos reduzindo a sua eficiência de adsorção.
A tabela abaixo mostra a "força de oxidação" de oxidantes mais comuns. Quanto maior essa força, maior a facilidade de oxidação da matéria orgânica. Só de bater o olho já reconhecemos na tabela substâncias bem conhecidas da gente como o ozônio, o peróxido de hidrogênio (vulgo água oxigenada) e o hipoclorito (vulgo água sanitária ou cloro).
Então, para regenerar o carvão ativado por oxidação basta colocar o carvão ativado saturado ou na água sanitária, no cloro ou na água oxigenada. Quanto mais concentrado, melhor.
Esse é o mesmo processo de regeneração do Purigen.
Uma dica é que quanto maior a temperatura, melhor a regeneração.
Ao usar esse processo, não se esqueça de lavar bem o carvão ativado regenerado com bastante água e usar um anti cloro. Se houver algum agente oxidante residual no carvão ativado pode acabar por oxidar seus peixes também.
Regeneração de carvão ativado com o uso de solventes químicos
A outra forma simples de regenerar o carvão ativado é com solventes químicos. Vamos ensinar aqui como regenerar seu carvão com 2 solventes químicos de fácil acesso.
Antes de falar quais são esses solventes, é muito importante que o aquarista tenha em mente que os solventes tem seus riscos específicos e devem ser manejados com toda a segurança possível.
Os solventes são: álcool etílico e acetona.
Regeneração de carvão ativado com álcool etílico ou acetona
A regeneração de carvão ativado com álcool ou acetona é muito simples: coloque o carvão ativado no álcool ou na acetona, deixe descansando por um tempo entre 2 e 24 horas, remova o carvão ativado, lave em água e deixe secar.
Você deve usar álcool comum ( álcool 90° nesse caso costuma ser melhor que o álcool 70°) ou acetona pura. Por questões de segurança do processo, prefira usar álcool.
JAMAIS use álcool de posto de combustível para regeneração de carvão ativado. O álcool combustível tem uma série de compostos tóxicos ao ambiente aquático e vão contaminar o carvão.
Uma grande vantagem desse processo é esses solventes (álcool e acetona) possuem baixa taxa de reação com o carvão ativado, o que faz com que ele aguente muito mais tempo fazendo adsorção.
Você pode reusar o álcool ou acetona algumas vezes até o ponto que você achar que não está tendo resultado satisfatório. Quando estiver muito sujo, troque por um solvente novo.
Lembre-se que esses solventes são inflamáveis e muito voláteis. Trabalhe com segurança longe de fontes de calor e sempre em recipiente muito bem fechado. Não deixe perto de crianças ou animais.
Desse jeito será possível regenerar o carvão ativado em relação à matéria orgânica por muitas vezes saindo muito mais barato do que comprar.
Você pode repetir esse processo quantas conseguir obter resultados satisfatórios. Estamos com um carvão ativado aqui (o do vídeo) que já regeneramos 8 vezes.
Algumas perguntas sobre carvão ativado no aquário que não foram respondidas ao longo do texto
Agora que já terminamos o grosso, vamos responder algumas perguntas que o conteúdo não respondeu por si só. A maioria das perguntas foram respondidas ao longo texto.
Pode usar o carvão ativado continuamente no aquário?
R: Pode. O carvão demora a saturar em aquário. Na nossa experiência são necessárias semanas para o carvão saturar, principalmente porque os aquaristas usam das maneiras mais ineficientes possíveis postergando em muito a saturação. E também, igual eu falei no texto, a biorregeneração acontece sempre, então a capacidade de adsorção se mantém por muito tempo.
Purigen é melhor que carvão ativado?
R: Cumprem o mesmo papel na remoção de matéria orgânica, mas purigen é incomparavelmente mais cara. A Purigen também possui maior afinidade com amônia (segundo o fabricante). Em questão de durabilidade, filtragem biológica (porque purigem também coloniza bactérias igual qualquer mídia e por isso ela escurece) e facilidade de uso, carvão ativado é muito melhor.
Referências:
[1]NGU, Lock Hei. Carbon Capture Technologies. 2022.
[2] DA SILVA RIES, Lúcia Allebrandt; DA SILVEIRA, Joyce Helena. Remoção de Cr (VI) por adsorção empregando carvão ativado comercial e carvão vegetal produzido a partir da casca de arroz. Brazilian Journal of Development, v. 5, n. 6, p. 6477-6494, 2019.
[3] ZHANG, Ying et al. Utilization of wheat bran for producing activated carbon with high specific surface area via NaOH activation using industrial furnace. Journal of cleaner production, v. 210, p. 366-375, 2019.
[4]AKINBILE, Christopher O. et al. Performance analysis of bamboo-based (Bambusa vulgaris) activated carbon in aquaculture wastewater treatment. Sustainable Water Resources Management, v. 8, n. 6, p. 178, 2022.
SHARMA, Gaurav et al. Activated carbon as superadsorbent and sustainable material for diverse applications. Adsorption Science & Technology, v. 2022, p. 1-21, 2022.
WANG, Jianlong; GUO, Xuan. Adsorption kinetic models: Physical meanings, applications, and solving methods. Journal of Hazardous materials, v. 390, p. 122156, 2020.
CHOI, Sang Sun et al. Adsorption characteristics of volatile organic compounds onto lyocell-based activated carbon fibers. Carbon Letters, v. 29, n. 6, p. 633-642, 2019.
SEVILLA, Marta; MOKAYA, Robert. Energy storage applications of activated carbons: supercapacitors and hydrogen storage. Energy & Environmental Science, v. 7, n. 4, p. 1250-1280, 2014.
MUTTIL, Nitin et al. Production, types, and applications of activated carbon derived from waste tyres: An overview. Applied Sciences, v. 13, n. 1, p. 257, 2022.
BULAK, Piotr et al. A novel type of biochar from chitinous Hermetia illucens waste with a built-in stimulating effect on plants and soil arthropods. Scientific Reports, v. 13, n. 1, p. 8306, 2023.
GIANNAKOUDAKIS, Dimitrios A. et al. Multi-parametric adsorption effects of the reactive dye removal with commercial activated carbons. Journal of Molecular Liquids, v. 213, p. 381-389, 2016.