Adsorbimento carboni attivi: cos’è e come sono composti i filtri

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November 28, 2024
Tiziano B.
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L'adsorbimento è un processo fondamentale per garantire un filtraggio efficace dell’aria attraverso la cappa. L'elemento importante che contraddistingue le cappe filtranti è il carbone attivo, un materiale altamente poroso, con una superficie interna estremamente ampia.

Il carbone attivo, grazie alla sua struttura porosa, è in grado di trattenere e neutralizzare le molecole inquinanti presenti nell'aria, migliorando la qualità dell'ambiente domestico. Tutto questo prende il nome di adsorbimento.

Ma cos’è questo processo nello specifico? In questo articolo esploreremo nel dettaglio il principio dell'adsorbimento e il ruolo del carbone attivo, offrendoti tutte le informazioni utili per capire cosa avviene all’interno della tua cappa.

Cos'è l'adsorbimento?

L'adsorbimento è un processo fisico-chimico in cui le molecole di una sostanza si legano alla superficie di un solido poroso, come il carbone attivo, senza penetrare all'interno della struttura del materiale. Questo fenomeno avviene perché le molecole presenti in un fluido (liquido o gas) aderiscono alla superficie del solido, grazie a forze di attrazione molecolari, trattenendo così le sostanze inquinanti.

La differenza tra adsorbimento e assorbimento sta nel modo in cui le sostanze interagiscono con il materiale. Nell'assorbimento, la sostanza fluida viene inglobata completamente all'interno del solido o del liquido, distribuita in tutto il volume del materiale, mentre nell'adsorbimento, viene trattenuta sulla superficie del solido.

Nella fattispecie reale, nel caso della cappa da cucina con filtri a carbone attivo, l'adsorbimento intrappola le particelle e i gas, purificando così l'aria. Proprio per questo la funzione dell’adsorbimento è determinante per la nostra cappa.

Qual è l’origine del carbone attivo? Dove si ricava?

Il carbone attivo può essere estratto da diverse fonti organiche ad alto contenuto di carbonio. Tra le più comuni ci sono:

Legno: con circa 130.000 tonnellate prodotte all'anno
Carbone fossile: con 100.000 tonnellate all’anno
Gusci di cocco: 35.000 tonnellate annue
Torba: 35.000 tonnellate annue

Queste materie prime, grazie alla loro composizione, possono essere trattate per ottenere un carbone attivo con elevate proprietà di adsorbimento. Tuttavia, per essere idonee alla produzione, devono avere alcune caratteristiche fondamentali:

Una bassa quantità di materiale organico non carbonizzato
Una lunga durata di conservazione
La capacità di mantenere le loro proprietà

La materia prima selezionata influisce notevolmente sulla struttura dei pori e sulla superficie del carbone attivo, determinando così la qualità del prodotto finale.

La produzione avviene attraverso due fasi principali: carbonizzazione e attivazione (come vedremo sotto), entrambe fondamentali per rendere il materiale poroso e adatto alla filtrazione.

Perché si chiama carbone attivo?

Il nome "carbone attivo" deriva dal processo di attivazione che il materiale subisce. Come abbiamo visto, inizialmente è costituito da carbone di origine vegetale o minerale, poi diventa "attivo" quando viene trattato in appositi forni con vapore ad alta temperatura.

Questo trattamento crea minuscoli passaggi all'interno dei granuli di carbone, chiamati micropori. La presenza di questi micropori è ciò che conferisce al carbone le sue proprietà di adsorbimento, permettendo di intrappolare efficacemente diverse molecole, come nel caso della cappa, fumi, odori e grassi.

Le caratteristiche principali che distinguono un tipo di carbone attivo da un altro includono l'origine del carbone, la dimensione dei pori e dei granuli, la densità apparente e la superficie specifica, che può raggiungere i 1000 m² per grammo di materiale. Grazie a queste proprietà, il carbone attivo può agire in base a meccanismi chimici, chimico-fisici e fisici.

Come viene prodotto il carbone attivo?

La produzione del carbone attivo segue diverse fasi, a partire dalla scelta del materiale di partenza fino alla fase finale di raffreddamento e macinazione. Vediamo nel dettaglio ciascuna di queste fasi:

Materiale di partenza: la scelta delle materie prime influenza le caratteristiche finali del carbone, come la struttura porosa e la capacità di adsorbimento. Materiali con un'elevata purezza e un basso contenuto di sostanze volatili sono preferiti per ottenere un prodotto di alta qualità.
Carbonizzazione: il materiale selezionato viene riscaldato in assenza di ossigeno, in modo che le componenti volatili (VOC) evaporino. In questa fase si crea la base porosa del carbone, formando i primi micropori necessari per l'adsorbimento. Questo può essere fatto in un contenitore chiuso a basse temperature (circa 400-800 °C) per diverse ore.
Attivazione: dopo la carbonizzazione, il materiale subisce l'attivazione, che può avvenire tramite due metodi:
- Attivazione fisica: il carbone viene trattato con vapore o gas ad alte temperature (800-1100°C), aprendo ulteriormente i pori e incrementando la superficie di adsorbimento.
- Attivazione chimica: si utilizza un agente chimico (come acido fosforico), riscaldando il carbone a temperature inferiori (450-900°C), per creare pori più grandi e uniformi. In seguito, viene risciacquato per eliminare i residui chimici.
Raffreddamento e macinazione: una volta completata l'attivazione, il carbone attivo viene raffreddato rapidamente per mantenere la sua struttura porosa. Successivamente, viene macinato per ottenere la granulometria desiderata, che varia a seconda delle applicazioni, dalla polvere fine ai granuli più grandi utilizzati nei filtri.

Ma per capire meglio la sua struttura e le differenti dimensioni e forme in cui possiamo trovarlo continua la lettura nei paragrafi sottostanti.

Che struttura ha il carbone attivo?

La struttura del carbone attivo è simile a quella della grafite, anche se presenta alcune differenze dovute alle impurità e al processo di attivazione. La grafite pura è costituita da cristalli formati da strati di esagoni di atomi di carbonio, legati tra loro da deboli forze di van der Waals, con legami carbonio-carbonio all'interno di ciascun strato.

Nel carbone attivo, questa disposizione è meno organizzata rispetto alla grafite. Le impurità presenti e le tecniche di preparazione creano una forma disorganizzata rispetto alla grafite, dando origine a una struttura altamente porosa. Questa porosità, che è il tratto distintivo del carbone attivo, dipende sia dal tipo di materia prima utilizzata sia dal processo di attivazione applicato.

Porosità del carbone attivo

La porosità del carbone attivo è una delle sue caratteristiche fondamentali, poiché determina la sua capacità di adsorbire molecole nocive, purificando l’aria (nel caso della cappa). La struttura porosa del carbone attivo è composta da una rete complessa di pori di diverse dimensioni, classificati in tre categorie principali, quali:

Micropori (diametro inferiore a 2 nm): efficaci nell'adsorbire piccole molecole, come composti fenolici, cloro e cloramine. Grazie alle loro dimensioni ridotte, questi pori trattengono efficacemente molecole volatili e tossiche presenti in acqua o aria.
Mesopori (diametro tra 2 nm e 50 nm): ideali per l'adsorbimento di molecole di dimensioni medie, come proteine, peptidi e coloranti. Sono utili per rimuovere sostanze organiche complesse che influenzano negativamente la qualità dell'acqua e dell'aria.
Macropori (diametro superiore a 50 nm): trattengono grandi molecole organiche e particelle più voluminose. Sebbene la loro funzione principale non sia legata all'adsorbimento chimico, facilitano l'accesso delle molecole ai pori più piccoli e svolgono un'azione di filtrazione meccanica.

Questa combinazione di porosità rende il carbone attivo un materiale davvero versatile nella rimozione di una vasta gamma di agenti contaminanti.

Dimensioni e forma del carbone attivo

Il carbone attivo si presenta in diverse forme e dimensioni, a seconda dell’applicazione specifica per cui viene utilizzato. Può essere prodotto sotto forma di polvere fine, granuli o in blocchi compatti. La dimensione dei granuli influisce direttamente sulla superficie disponibile per l’adsorbimento su carboni attivi.

I carboni attivi in polvere, ad esempio, hanno particelle molto piccole che offrono una grande superficie di contatto, ideali per processi rapidi di adsorbimento. I carboni granulari o in blocchi, invece, sono utilizzati in filtri che richiedono una maggiore resistenza meccanica e un trattamento prolungato.

I granuli sono tipicamente composti da particelle di dimensioni comprese tra 0,5 e 5 millimetri, a seconda della progettazione del filtro e delle esigenze specifiche di adsorbimento.

In un filtro per cappe aspiranti, la quantità di carbone attivo può variare, ma generalmente si aggira tra 100 e 500 grammi. Questa quantità è sufficiente per garantire un'efficace adsorbimento degli odori e delle sostanze chimiche presenti nell'aria. La dimensione e la forma del carbone attivo influenzano quindi anche la sua efficacia nell’intrappolare molecole inquinanti.

Qual è la struttura dei filtri a carboni attivi della cappa?

I filtri ai carboni attivi solitamente hanno una struttura a griglia che consente il passaggio dell'aria attraverso diversi strati di materiale e sono progettati per catturare ed eliminare odori, fumi e vapori generati durante la cottura. Si compongono così:

Carbone attivo granulare o in polvere: è il principale responsabile dell'adsorbimento.
Supporto del filtro: il carbone attivo è inserito all'interno di un supporto, che può essere in tessuto non tessuto, materiale sintetico o cellulosa. Questo supporto mantiene il carbone attivo in posizione e consente all'aria di passare attraverso il filtro.
Struttura del contenitore: Il filtro è racchiuso in una struttura di contenimento, solitamente realizzata in plastica o metallo, che assicura la stabilità del carbone e ne permette la facile installazione all'interno della cappa.

Questa composizione rende i filtri a carboni attivi efficaci nel migliorare la qualità dell'aria in cucina, riducendo gli odori e i contaminanti.

La funzione del carbone attivo nel filtro della cappa

Quando l'aria inquinata entra nel filtro, passa attraverso i granuli di carbone attivo. Durante questo processo, le molecole dei fumi e dei grassi scaturiti dalla cottura si attaccano alla superficie, grazie all'adsorbimento su carboni attivi.

Questo processo avviene a livello molecolare e non chimico, il che significa che le sostanze non vengono distrutte, ma semplicemente trattenute all'interno dei pori del carbone.

La capacità filtrante del carbone attivo permette all’aria di essere introdotta nuovamente nell’ambiente purificata e garantisce così la salubrità e la sicurezza della cucina.

L’importanza della manutenzione dei filtri a carboni attivi

Cosa succede se non si effettua una corretta manutenzione dei filtri a carboni attivi? Col tempo, questi filtri si intasano e smettono di svolgere efficacemente la loro funzione di purificazione dell'aria.

Per questo motivo è importante eseguire una manutenzione regolare, che preveda la sostituzione o la rigenerazione, come nel caso dei filtri long life. I filtri a carboni attivi si suddividono in due categorie:

I filtri a carboni attivi si dividono in due tipologie:

Filtro ai carboni attivi standard: è un filtro che va sostituito regolarmente e non può essere lavato.
Filtro ai carboni attivi "long life": è un filtro che ha una vita più lunga, infatti può essere rigenerato. Anche lui però va sostituito dopo un determinato lasso di tempo.

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