El mercurio es uno de los contaminantes más persistentes en las emisiones industriales. La Organización Mundial de la Salud lo incluye entre las diez sustancias químicas que suscitan mayor preocupación para la salud pública y, una vez liberado, el mercurio circula por el aire, el agua y el suelo durante décadas, transformándose en metilmercurio, que se bioacumula en los peces y los mariscos. Las centrales eléctricas de carbón, las incineradoras de residuos, los hornos de cemento y las fundiciones de metales emiten mercurio en sus gases de combustión, y una gran parte de este —normalmente entre el 30 % y el 70 %, dependiendo del combustible— sale por la chimenea en forma de vapor de mercurio elemental que los depuradores y colectores de polvo habituales simplemente no pueden capturar. Por lo tanto, el endurecimiento de los límites de emisión en Estados Unidos, Europa y Asia ha convertido el control específico del mercurio de una mejora opcional en una condición estándar para la concesión de permisos.
El carbón activado elimina el mercurio mediante dos mecanismos complementarios. En primer lugar, su enorme superficie porosa interna adsorbe físicamente el vapor de mercurio en la matriz de carbón. En segundo lugar, y de forma mucho más eficaz, los tipos de carbón impregnados químicamente reaccionan con el mercurio para formar compuestos estables y no volátiles, como el sulfuro de mercurio (HgS) y el bromuro de mercurio (HgBr₂), que quedan retenidos de forma permanente en el interior de los poros. Ya sea en forma de carbón activado en polvo inyectado en los conductos de gases de combustión o como medio granular en recipientes de lecho fijo, si se selecciona adecuadamente carbón activo para la eliminación de mercurio alcanza una captura de mercurio del 90 al 99 por ciento tanto en las corrientes gaseosas como en las líquidas.
En los apartados siguientes se detallan los fundamentos científicos de cada mecanismo, las dos vías de ingeniería utilizadas para incorporar el carbono en plantas reales y los criterios prácticos para seleccionar el grado de producto adecuado.
Por qué es tan difícil capturar a Mercurio
El mercurio se resiste a los métodos convencionales de control de la contaminación porque se presenta en tres formas muy diferentes, y la forma predominante en la mayoría de los gases de combustión —el mercurio elemental— es gaseosa, insoluble en agua y químicamente inerte, por lo que pasa directamente a través de los depuradores, los precipitadores electrostáticos y los filtros de mangas, que fueron diseñados para retener partículas y gases ácidos.
Según el Organización Mundial de la Salud, incluso una exposición mínima al mercurio puede dañar los sistemas nervioso, digestivo e inmunológico, así como los pulmones y los riñones, siendo el mayor riesgo el que corren los niños durante el desarrollo intrauterino. Este perfil de toxicidad explica por qué las autoridades reguladoras consideran el mercurio como un contaminante atmosférico peligroso prioritario, en lugar de una emisión más entre muchas otras.
Determinar qué forma de mercurio está presente es el primer paso de cualquier estrategia de control, ya que cada forma se comporta de manera diferente:
| Formulario de Mercury | Símbolo | Características principales | Eliminado por |
| Mercurio elemental | Hg0 | Gaseoso, insoluble en agua, químicamente inerte, volátil | Adsorción con carbón activo (por inyección o en lecho fijo) |
| Mercurio oxidado | Hg2+ | Solubles en agua y reactivos | Depuradores húmedos (FGD), carbón activado |
| Mercurio ligado a partículas | Hg(p) | Adsorbido en partículas de cenizas volantes | Precipitadores electrostáticos y filtros de mangas |
La forma predominante depende principalmente del combustible. El cloro presente de forma natural en el carbón oxida el vapor de mercurio durante la combustión, por lo que los carbones bituminosos con alto contenido en cloro producen Hg²⁺, que se captura más fácilmente, mientras que los carbones subbituminosos y el lignito, con bajo contenido en cloro, dejan la mayor parte del mercurio en forma elemental. Este único detalle químico es la razón por la que los sistemas de carbón activado se concentran en las centrales que queman carbones de la cuenca del río Powder y lignito, y determina las opciones de impregnación que se comentarán más adelante.
Entre los sectores en los que el control de las emisiones de mercurio es ya un requisito habitual se encuentran:
- Las centrales eléctricas de carbón y las calderas industriales, la categoría que constituye la mayor fuente individual
- Incinadoras de residuos municipales y peligrosos, en las que la aportación de mercurio es variable y elevada
- Hornos de cemento, en particular aquellos que coprocesan combustibles derivados de residuos
- Plantas de fundición de metales no ferrosos que procesan minerales de cobre, plomo, zinc y oro
- Plantas de cloro-álcali y otras plantas químicas con procesos antiguos que utilizan mercurio
Adsorción física: cómo el carbón activado sin tratar atrapa el mercurio
El carbón activado sin tratar captura el mercurio mediante adsorción física: las moléculas de mercurio se difunden en la red de poros y quedan retenidas en la superficie interna —que suele tener una superficie de 1.000 metros cuadrados por gramo o más— gracias a fuerzas intermoleculares débiles. Este mecanismo captura de forma fiable el mercurio oxidado, pero es mucho menos eficaz contra el mercurio elemental.
El carbón activado se fabrica carbonizando y, a continuación, activando una materia prima como el carbón, la cáscara de coco o la madera, un proceso que elimina mediante combustión los componentes volátiles y deja una red interconectada de microporos, mesoporos y macroporos. Los microporos, de menos de dos nanómetros, constituyen la mayor parte de la superficie interna, y es en este laberinto microscópico donde tiene lugar la adsorción. Cuando un gas o un líquido que contiene mercurio entra en contacto con el carbón, las moléculas de mercurio se difunden en los poros y se adhieren a las paredes de estos. La fuerza de adsorción depende de la superficie, de la distribución del tamaño de los poros en relación con las especies de mercurio y del tiempo de contacto entre la corriente y el medio.
Los límites del carbono sin tratar
Los datos de rendimiento en campo muestran que el carbón en polvo sin tratar elimina solo entre el 30 y el 70 por ciento del mercurio presente en los gases de combustión, por tres razones bien documentadas:
- Escasa afinidad por el mercurio elemental. La energía de adsorción física es baja, por lo que las moléculas de Hg0 pueden desorberse y volver a la corriente cuando cambian las condiciones.
- Sensibilidad a la temperatura. La capacidad de adsorción disminuye considerablemente a medida que aumenta la temperatura del gas, y por encima de unos 400 grados Fahrenheit (200 grados Celsius), el rendimiento se reduce drásticamente.
- Adsorción competitiva. Los gases ácidos, como el dióxido de azufre, ocupan los sitios de adsorción y desplazan al mercurio de la superficie.
Estas limitaciones son precisamente la razón por la que, en algunas ocasiones, las aplicaciones de carbón bituminoso con alto contenido en cloro pueden cumplir los objetivos con carbón común, mientras que los combustibles con bajo contenido en cloro, las temperaturas más elevadas de los gases y los límites de salida más estrictos empujan a los operadores a utilizar calidades tratadas químicamente.
Quimisorción: por qué el carbón activado impregnado ofrece un mejor rendimiento
El carbón activado impregnado elimina el mercurio transformando la adsorción en fijación química: un impregnante activo disperso por la estructura porosa reacciona con el mercurio y lo convierte en un compuesto estable —normalmente HgS o HgBr₂— que no puede volver a liberarse en la corriente gaseosa o líquida. Esto eleva la eficiencia de eliminación entre el 85 % y el 99 % y multiplica la capacidad de trabajo de cada gramo de carbón.
Moderno carbón activo impregnado Se produce cargando una dosis precisa de sustancia química activa sobre un carbón base de alta calidad y, a continuación, secándolo y estabilizándolo para que el impregnante permanezca disperso en lo más profundo de los microporos. Dado que la reacción de fijación es irreversible a temperaturas normales de funcionamiento, la capacidad se agota de una sola vez y no puede recuperarse mediante cambios de presión o temperatura, lo que supone una diferencia fundamental con respecto a la adsorción convencional con recuperación por disolvente. Dos familias de productos de impregnación dominan el mercado de la eliminación de mercurio.
Carbón activado impregnado de azufre
El azufre presenta una de las afinidades químicas más fuertes que se conocen con el mercurio. Cuando se dispersa entre un cinco y un quince por ciento de azufre elemental a través de la red de microporos, el mercurio capturado reacciona en la superficie para formar sulfuro de mercurio, un compuesto tan insoluble y térmicamente estable que elimina de forma efectiva y permanente el mercurio del medio ambiente. Este mismo proceso químico funciona tanto en corrientes de gas como en agua, lo que convierte al azufre en el impregnante por excelencia tanto para el depurado de gases de combustión como para el tratamiento en fase líquida.
La mejora en el rendimiento está ampliamente documentada. Un estudio revisado por pares y publicado en la revista *Water, Air, and Soil Pollution* reveló que el tratamiento con azufre duplicó con creces la capacidad máxima de adsorción de mercurio del carbón granular, pasando de 73 miligramos por gramo a 166 miligramos por gramo, y modificó el mecanismo de adsorción hacia una verdadera quimisorción (Springer). La variable crítica en el proceso de fabricación es la dispersión: el azufre debe recubrir las paredes internas de los poros, donde el mercurio pueda llegar a él, en lugar de acumularse en las entradas de los poros y bloquear el acceso.
Carbón activo bromado y halogenado
Los tipos bromados contienen entre un cinco y un quince por ciento de bromo en peso y están diseñados específicamente para gases de combustión. El bromo presente en la superficie del carbón oxida el mercurio elemental y lo convierte en bromuro de mercurio, que se adsorbe de forma intensa e inmediata. El resultado práctico es un cambio radical en el rendimiento: el carbón bromado suele alcanzar una eliminación total de mercurio del 85 al 95 por ciento, frente al 30 al 70 por ciento del carbón sin tratar, y alcanza el mismo objetivo de salida con caudales de inyección entre un 40 y un 60 por ciento inferiores.
Los grados bromados son esenciales en aquellos casos en los que predomina el mercurio elemental, es decir, en los carbones subbituminosos y lignitos con bajo contenido en cloro, así como en las centrales equipadas únicamente con colectores electrostáticos de partículas (ESP). La principal desventaja es que parte del bromo migra a las cenizas volantes recogidas, lo que resulta relevante para las centrales que venden cenizas para la producción de hormigón; existen alternativas halogenadas cuando esto supone un problema.
Otros agentes de impregnación
No todos los problemas relacionados con el mercurio requieren el uso de azufre o bromo. Existen otros impregnantes que cubren nichos específicos:
- Yodo y yoduro de potasio captar trazas de mercurio en el aire y en los sistemas de purificación de gases en los que no es necesario recurrir a procesos químicos relacionados con el azufre
- Carbón impregnado con permanganato potásico oxida el mercurio y retiene los productos de la reacción en la superficie; suele elegirse cuando no se desea que haya olor a azufre ni se produzcan reacciones químicas
- Carbono impregnado de plata forma una amalgama de plata con el mercurio, soporta temperaturas más elevadas y es la opción habitual para aplicaciones con gases de alta pureza, como el tratamiento del gas natural
Enfoques de ingeniería: inyección de carbono frente a sistemas de lecho fijo
Existen dos métodos técnicos contrastados para la eliminación del mercurio de las corrientes de gas: la inyección de carbón activado en polvo directamente en el conducto de gases de combustión, que permite un cumplimiento normativo continuo con una inversión inicial reducida, o el paso del gas a través de un lecho fijo de carbón granular o peletizado, que ofrece la máxima eficiencia y, en algunos diseños, la posibilidad de regeneración. Las corrientes líquidas se tratan casi siempre en lechos granulares. La presión normativa dio lugar a este mercado: la EPA de EE. UU. Normas sobre el mercurio y las sustancias tóxicas en el aire contribuyó a reducir las emisiones de mercurio del sector energético en un 86 % para 2017, y actualmente se aplican límites nacionales similares en toda la UE, China y gran parte de Asia.
Inyección de carbón activado (ACI)
La tecnología ACI es la más utilizada en todo el mundo para el control del mercurio, ya que permite su adaptación a las plantas existentes con una inversión mínima. El proceso se desarrolla en tres etapas:
- Inyección y dispersión. Molido fino carbón activado en polvo se transporta neumáticamente desde un silo de almacenamiento y se inyecta a través de lanzas en el conducto situado entre el precalentador de aire y el colector de partículas. Es fundamental que la distribución sea uniforme a lo largo de toda la sección transversal del conducto, ya que cada partícula solo trata el gas con el que entra realmente en contacto.
- Adsorción en vuelo. El carbono viaja con el gas durante uno a tres segundos antes de su recogida. El mercurio oxidado se adsorbe físicamente, mientras que el mercurio elemental reacciona con los impregnantes de la superficie y se transforma al entrar en contacto con ellos.
- Colección. El carbón contaminado con mercurio se captura junto con las cenizas volantes en el precipitador electrostático (ESP) o el filtro de mangas situado aguas abajo y sale del sistema en el flujo de residuos sólidos.
A continuación se resumen los parámetros de diseño habituales:
| Parámetro de diseño | Rango típico | Por qué es importante |
| Caudal de inyección | 1–10 lb/MMacf | El principal factor de cumplimiento: los rendimientos disminuyen a partir de aproximadamente 5 lb/MMacf |
| Tamaño de las partículas (d50) | 10–25 μm | Las partículas más finas se adsorben más rápido, pero son más difíciles de recoger en un colector electrostático (ESP). |
| Temperatura de los gases de combustión | 250–400 °F (120–200 °C) | La capacidad desciende drásticamente por encima de los 400 °F; los gases ácidos se condensan por debajo de los 250 °F |
| Concentración de SO₃ | Por debajo de unas 5 ppm | El SO₃ compite con el mercurio por los sitios de adsorción |
| Colector de partículas | ESP o filtro de mangas | Determina el tiempo de contacto disponible tras la inyección |
La elección del colector de partículas es más importante de lo que la mayoría de los compradores cree. Con el mismo sorbente, las configuraciones que solo utilizan precipitadores electrostáticos (ESP) suelen alcanzar una eliminación de mercurio del 60 al 85 por ciento, mientras que los filtros de mangas alcanzan entre el 90 y el 99 por ciento, ya que la capa de filtro cargada de carbono que se forma en las mangas añade entre segundos y minutos de tiempo de contacto adicional a medida que el gas la atraviesa.
Dado que ACI reutiliza el conducto y el colector de polvo existentes, una adaptación típica apenas añade un silo de almacenamiento, equipos de dosificación y un bastidor para la lanza de inyección, y puede pasar de la fase de ingeniería a la de funcionamiento en unos pocos meses. Los programas de ensayos de campo llevados a cabo por el Departamento de Energía de EE. UU. demostraron una eliminación superior al 90 % en la mayoría de los tipos de carbón y configuraciones de centrales, razón por la cual la inyección sigue siendo la vía de cumplimiento predeterminada para las unidades existentes.
Adsorbedores de lecho fijo
Cuando los caudales son menores, los objetivos más exigentes o se requiere un acabado más minucioso, los recipientes llenos de carbón activado granular o los gránulos de tres a cuatro milímetros proporcionan tiempos de contacto que van de segundos a minutos, lo que permite habitualmente alcanzar una captura superior al 99 % y concentraciones en la salida inferiores a 0,01 miligramos por metro cúbico normal. Los sistemas de coque activado de lecho móvil amplían aún más este concepto: el carbón circula por el recipiente, puede regenerarse térmicamente y reutilizarse, y, en la misma carcasa, elimina simultáneamente el dióxido de azufre y las dioxinas, lo que los hace atractivos para las plantas de incineración de residuos y de sinterización que gestionan múltiples contaminantes a la vez.
| Dimensión | ACI (inyección de PAC) | Lecho fijo (carbón activado granulado / pellets / coque) |
| Disposición | Carbono inyectado en el conducto, capturado aguas abajo | Buques específicos, normalmente en parejas de «líder» y «seguidor» |
| El más adecuado | Grandes proyectos de adaptación que requieren un cumplimiento rápido | Nuevas plantas, depuración y límites estrictos de vertido |
| Eficiencia de eliminación | 60–99%, depende del colector | 99%+ |
| Consumibles | Consumo continuo de carbono | Ciclos de sustitución o regeneración |
| Regeneración | No es práctico; se va con cenizas | Posible con sistemas de coque activado |
| Repercusiones de las cenizas volantes | El mercurio entra en la corriente de cenizas | Mantenido separado de las cenizas |
Cómo elegir el producto adecuado de carbón activado para la eliminación de mercurio
La selección del producto depende de cuatro factores: la especie de mercurio predominante, el medio que se va a tratar, la temperatura de funcionamiento y el objetivo de eliminación requerido. Como regla general, los tipos en polvo a base de carbón se utilizan en sistemas de inyección; los tipos granulados impregnados de azufre, en lechos fijos y en aplicaciones líquidas; y los tipos bromados, en gases de combustión con bajo contenido en cloro.
| Producto | Forma y características técnicas típicas | Ideal para |
| PAC sin tratar | Índice de yodo ≥ 600 mg/g, 90% con un tamaño de partícula inferior a 325 mesh | Gases de combustión bituminosos con filtro de mangas, carbones con alto contenido en cloro |
| PAC bromado | Br 5–15%, d50 10–25 μm | Carbones con bajo contenido en cloro, centrales que utilizan exclusivamente precipitadores electrostáticos (ESP), objetivos de eliminación elevados |
| Carbón activo granulado (GAC) o gránulos impregnados de azufre | S 5–15%, yodo ≥900 mg/g | Depuración de gases en lecho fijo, aguas residuales, aguas subterráneas |
| Gránulos extruidos, de 3 a 4 mm | Alta resistencia a la compresión, bajo nivel de polvo | Lechos fijos que requieren una baja caída de presión |
El material de base es tan importante como la impregnación. Carbón activado a partir de carbón mineral ofrece la dureza, la densidad y los bajos niveles de polvo que exigen los sistemas de inyección y los lechos fijos profundos, mientras que los grados de cáscara de coco proporcionan la mayor densidad de microporos para el pulido en fase líquida, donde la prioridad es la capacidad por gramo.
Un proceso de selección riguroso evita errores de pedido que pueden resultar costosos:
- Caracterizar el arroyo: identificar qué especies de mercurio predominan y qué otras sustancias están presentes
- Comprueba el intervalo de temperaturas en relación con los grados que se están considerando
- Definir el objetivo de eliminación y el límite de vertido que exige realmente la autorización.
- Adaptar el tiempo de contacto a la forma del producto: los segundos son más adecuados para el polvo inyectado, mientras que los minutos lo son para los lechos
- Comprueba la capacidad mediante pruebas isotérmicas a escala de laboratorio o pruebas piloto antes de comprometerte con volúmenes a gran escala.
Eliminación del mercurio del agua y de los flujos de líquidos
En los líquidos, el carbón activado elimina el mercurio siguiendo el mismo principio de adsorción y reacción: el mercurio disuelto se difunde hacia los poros, donde los sitios de azufre lo convierten en sulfuro de mercurio insoluble. Los sistemas impregnados de azufre, si están bien diseñados, alcanzan una eliminación del 94 al 99,5 % y pueden reducir las concentraciones en el efluente por debajo de 0,001 miligramos por litro.
Carbón activado para el tratamiento del agua abarca el mercurio, junto con muchos otros contaminantes, y el mismo equipo de lecho fijo que se utiliza para el pulido de gases se emplea también para el tratamiento de líquidos. Entre sus aplicaciones más habituales se incluyen:
- Efluentes de la minería y la fundición, en los que el mercurio se encuentra junto con otros metales disueltos
- Planta de cloro-álcali y aguas de proceso químico con equipos antiguos que contienen mercurio
- Remediación de aguas subterráneas contaminadas, donde los medios granulares impregnados de azufre son la solución más consolidada
- El agua potable, cuyo límite se sitúa en torno a los 0,002 miligramos por litro y cuyos filtros en el punto de consumo suelen basarse en carbón activado de cáscara de coco por su densa estructura microporosa
Hay cuatro factores operativos que determinan si un sistema de fase líquida alcanza el rendimiento previsto: el tiempo de contacto en lecho vacío, que suele ser de entre 10 y 20 minutos para trazas de mercurio; un pH mantenido cercano a la neutralidad para que los sitios de sulfuro permanezcan reactivos; la prefiltración de sólidos en suspensión que, de otro modo, obstruirían el lecho; y la sustitución programada en función del seguimiento de la permeación, en lugar de calendarios fijos. El muestreo de permeación en la salida del recipiente principal, con una periodicidad mensual o trimestral acordada con el laboratorio, permite realizar los cambios antes de que se superen los límites permitidos y sirve al mismo tiempo como registro de cumplimiento. Hay una advertencia que debe figurar en todas las especificaciones: el carbón simple, sin modificar, solo tiene una afinidad moderada por el mercurio iónico, por lo que los objetivos de trazas siempre deben alcanzarse con grados impregnados.
Gestión del carbón usado que contiene mercurio
El carbón usado que contiene mercurio se considera un residuo regulado en la mayoría de las jurisdicciones: cuando el mercurio lixiviable supera los umbrales reglamentarios, el material debe gestionarse como residuo peligroso mediante su eliminación estabilizada o desorción térmica, y las plantas que comercializan sus cenizas volantes deben mantener el carbón que contiene mercurio completamente fuera de ese flujo.
Vías de eliminación y valorización en la práctica actual:
- Estabilización y vertedero seguro. El carbón usado solidificado que cumple los criterios de lixiviación se envía a celdas autorizadas diseñadas para residuos que contienen mercurio.
- Desorción térmica y retortado. Al calentar el material filtrante usado, se libera el mercurio para su recuperación como materia prima, lo que permite reutilizar el sustrato de carbón o desecharlo de forma segura.
- Segregación en la planta. Algunas instalaciones incorporan un pequeño filtro de mangas de pulido situado más adelante en el proceso, de modo que el carbón cargado de mercurio se recoge por separado de las cenizas volantes comercializables, lo que protege el mercado de las cenizas.
Hay una advertencia de seguridad que se aplica a todos los recipientes: el carbón activo húmedo absorbe el oxígeno del aire, por lo que los recipientes cerrados que contienen este material deben contar con ventilación y se deben seguir los procedimientos de acceso a espacios confinados durante su inspección y sustitución. La documentación es tan importante como la logística: hay que conservar los registros de la cadena de custodia y los certificados de laboratorio de cada lote enviado fuera de las instalaciones, ya que tanto las autoridades reguladoras como los compradores de cenizas volantes pueden auditarlos años más tarde.
Preguntas frecuentes
¿El carbón activo usado que contiene mercurio es un residuo peligroso?
No de forma automática; la clasificación depende de la concentración de mercurio y de la normativa local. En Estados Unidos, el procedimiento de lixiviación de características tóxicas (TCLP) determina si el carbón usado supera el umbral de 0,2 miligramos por litro de mercurio lixiviable; en ese caso, se le asigna el código de residuo peligroso D009. La UE y China aplican ensayos de lixiviación comparables con umbrales diferentes. Dado que los costes de transporte, tramitación y eliminación varían considerablemente entre las distintas categorías, los compradores deben solicitar a su proveedor la documentación con las instrucciones de eliminación antes del primer cambio, y no después.
¿Puede el carbón activado eliminar el mercurio del gas natural y del biogás?
Sí, y esta aplicación se remonta a hace décadas. El mercurio presente en el gas natural ataca los intercambiadores de calor de aluminio en las plantas de licuefacción de GNL y de procesamiento criogénico, por lo que los operadores instalan lechos de carbón impregnados de azufre o plata en la fase previa del proceso para depurar el gas hasta niveles inferiores a 0,01 microgramos por metro cúbico normal. El biogás y el gas de vertedero también contienen trazas de mercurio procedentes de los residuos introducidos. En estas aplicaciones se prefieren los carbones impregnados en forma de gránulos, ya que toleran la saturación de humedad, mantienen estable la caída de presión y no requieren retrolavado.
¿Cómo se comprueba la capacidad de eliminación de mercurio del carbón activado antes de su envío?
Un certificado de análisis debe indicar el índice de yodo o el área superficial BET, la distribución granulométrica, la dureza o el valor de atrición, el contenido de cenizas y humedad, y la carga exacta de impregnante, como el porcentaje de azufre o bromo. Para aplicaciones críticas, solicite que se realice un ensayo de penetración de mercurio o un ensayo isotérmico en un laboratorio con una muestra de su propio gas o líquido, ya que la capacidad medida en la corriente del propio comprador es la única cifra que predice de forma fiable la vida útil del recipiente o de la inyección. La inspección por parte de terceros antes de la carga es una práctica habitual en los pedidos de exportación a granel.